陜西定邊某風電場濕陷性黃土地基基樁承載力估算與分析

李院兵, 陳志林, 蔡明俊

(武漢聯動設計股份有限公司，湖北 武漢 430000)

該風電項目位于陜西定邊縣,包含50臺2.0 MW風力發電機組,風機輪轂高度80 m,葉輪直徑105 m,擬采用樁基礎。該場區屬黃土丘陵區,黃土梁與溝壑相間分布,梁頂地形較平坦、地勢較開闊。

1 氣象、水文

定邊縣屬溫帶半干旱內陸性季風氣候,四季變化明顯,年平均氣溫7.9 ℃,年平均降雨量316.9 mm,主要集中在7、8、9三個月;年平均蒸發量2 490.9 mm,無霜期141 d,年平均風速為3.1 m/s;年平均氣壓為863.7 hPa,年平均相對濕度為50.5%,極端最高溫度為37.7 ℃,極端最低溫度為-29.1 ℃。風電場區內無常年地表水體,僅在雨季或融雪期溝谷中存在季節性水流。

2 地層結構

擬建場地地層主要為馬蘭黃土,按濕陷性自上而下分為3層,其主要特征簡述如下。

(1) 耕植土(Qpd):灰黃色,松散,稍濕,主要以粉粒為主,含有大量的植物根莖,有機肥等,平均層厚0.74 m,整個場區均有分布。

以上(1)～(3)層埋深及層厚如表1。

3 黃土狀粉土特征及主要巖土設計參數

本場地計算自重濕陷量102～388 mm,平均值為245 mm,>70 mm,為自重濕陷場地;計算濕陷量418～950 mm,平均值為657 mm,濕陷等級以Ⅱ級(中等)為主,局部Ⅲ級(嚴重)或Ⅳ級(很嚴重)。

根據土工試驗及原位測試成果,本場地巖土設計所需主要參數如表2、表3。

4 樁基礎計算

風電機組對整體傾斜有嚴格的限制,對于輪轂高度為80 m的塔筒,傾斜率(tanθ)≤0.005,根據設計要求,天然地基承載力≥200 kPa,從表2可知,本工程顯然不能采用天然地基,必須采用樁基礎或進行地基處理,宜優先采用樁基礎。

表2 巖土工程設計參數建議值表Table 2 Recommended value table of parameters of geotechnical engineering design

表3 基樁設計參數建議值表Table 3 Recommended value table of design parameters of pile foundation

注:基樁設計參數按相關規范查明取值。

自重濕陷性黃土場地地基浸水飽和后,樁周土體在自重作用下下沉,對基樁產生下拉力,使樁的軸向力加大而產生較大沉降,因此樁端必須穿過濕陷土層,置于較硬或較密實的土層上。

當樁穿越厚度為L0的高壓縮土層,樁端置于相對較堅硬的持力層時,在樁的某一深度Ln以上,土的沉降大于樁的沉降,在該段樁長內,樁側產生負摩阻力;L0深度以下的可壓縮層內,土的沉降小于樁的沉降,土對樁產生正摩阻力,在Ln深度處,樁土相對位移為零,既沒有負摩阻力,也沒有正摩阻力,該點即為中性點,對于摩擦型樁,由于受負摩阻力影響沉降增大,中性點隨之上移,即負摩阻力、中性點與樁頂荷載處于動態平衡,作為一種簡化,取假想中性點(按樁端持力層性質取值)以上摩阻力為0估算基樁承載力。

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)表5.4.4-2中性點深度Ln規定,對于自重濕陷性黃土,中性點深度按安全取值如下式計算[1]:

Ln=0.66L0

式中:Ln為自樁頂算起的中性點深度(m);L0為自樁頂算起的濕陷土層厚度(m)。

按下式驗算基樁承載力:

Quk=Qsk+Qpk=u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp

式中:qsik為中性點以下各層土極限側阻力標準值(kPa);li為中性點以下各層土的樁長(m),變徑以上2D范圍內不計摩擦力;qpk為樁的極限端阻力標準值;ψsi、ψp為大直徑樁側阻、端阻尺寸效應系數，在本例中分別為0.956和0.834。

本工程風機基礎采用D800干作業鉆孔擴底灌注樁,擴底直徑1 650 mm,擴底高度1 775 mm,基礎(承臺)埋深2.8 m,單樁極限承載力標準值≥4 000 kN,初設:樁長L=30.5 m,L0=20.8 m,Ln=13.73,按表4數據計算。

表4 基樁極限承載力標準值計算表Table 4 Calculation table of standard value of ultimate bearing capacity of pile

5 基樁豎向靜載荷浸水試驗成果

為了驗證基樁設計成果,在距離工程樁50 m位置施工試驗樁并進行靜載荷浸水試驗。設計試樁樁徑為800 mm/1 650 mm(擴底直徑),現場施工成孔深度29.7 m,試樁成樁樁長為28.0 m,設計單樁豎向抗壓承載力特征值2 000 kN。試驗中對其中3根試樁進行單樁靜載浸水試驗,采用單向多循環加卸載法,并采用動、靜對比法,在浸水試驗前進行高應變試驗,在浸水試驗后進行靜載試驗。

浸水坑6 m×21 m,深度2.7 m(自然地面算起),坑底面鋪設100～150 mm厚的碎石。在浸水期間,坑內水頭高度維持在300 mm。浸水時間為10 d,設4個沉降觀測點,各點累計沉降值如表5,在土層沉降穩定后開始靜載荷試驗,試驗成果如表6-表7。

表5 自重濕陷累計沉降值表(mm)Table 5 Accumulative settlement table of self-weight collapsibility

表6 樁頂最大沉降值表(mm)Table 6 Maximum settlement table of pile top

表7 豎向極限承載力標準值(kN)Table 7 Standard value of vertical ultimate bearing capacity

6 單樁豎向承載力的經驗值與靜載值對比分析

6.1 濕陷深度及基樁豎向承載力復核

根據浸水試驗土層沉降觀測成果,可以設想濕陷深度在12 m左右,這與在極端條件下土工試驗成果22.86 m相差甚遠,在進行基樁計算時,12 m以上計算負摩阻力、12 m以下不再考慮負摩阻力,對表4進行重新計算如表8(樁長仍按30.5 m)。

表8 基樁極限承載力標準值計算表Table 8 Calculation table of standard value of ultimate bearing capacity of pile

6.2 經驗公式計算與實測值的對比

試樁樁長為28 m,實測單樁極限承載力平均值為4 272 kN,而根據經驗公式按樁長30.5 m計算,無論是采用中性點概念還是用濕陷深度概念,其計算值均小于實測值,其原因在三個方面:

(1) 基樁靜載荷試驗采用《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB50025-2004)附錄H第H.0.2第1款試驗方法有關,地基已浸水10 d,且地基沉降已經穩定,樁周土體在浸水時因濕陷產生的下拉荷載發生應力松馳甚至消失,導致樁的極限承載力試驗值偏高[2]。

(2) 樣品擾動或土工試驗誤差,導致試驗參數失真,樁側阻力或樁端阻力標準值的取值偏小,從而導致樁的極限承載力計算值偏小。

(3) 經驗公式是基于濕陷性黃土全厚度范圍內土層全部浸水飽和狀態,而實際下部土層并未受到地表水影響。

7 結語

(1) 濕陷性黃土的天然含水量較小,其強度較高,但它遇水浸濕時,其強度顯著降低,對自重濕陷性黃土,在自重作用下產生較大附加沉降。研究區自重濕陷性黃土厚度大,在進行基礎設計時,宜結合當地氣象條件、地形地貌條件、地表排水條件,綜合確定土層浸水飽和濕陷深度,有條件的項目可模擬自然條件實測濕陷深度。

(2) 通過經驗公式計算與單樁載荷浸水試驗成果的對比分析,說明了在深厚濕陷性黃土地區,利用中性點的概念進行單樁承載力估算是可行的。

參考文獻：

[1] 中國建筑科學研究院.建筑樁基技術規范：JGJ94-2008[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2] 陜西省計劃委員會.濕陷性黃土地區建筑規范：GB50025-2004[S].北京：中國建筑工業出版社，2004.