土工袋在平原風電場吊裝平臺施工中的應用研究

王亞輝 劉斯宏 鄧聯勇

(1.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司,長沙 410014;2.河海大學 水利水電學院,南京 210098)

在“碳達峰、碳中和”雙碳目標的戰略背景下,當前我國正處于能源綠色低碳轉型發展的關鍵時期,風力發電是能源轉型的主力,未來風力發電的發展方向是平原地區高塔和海上風電[1].平原地區風力發電建設面臨的一大難題是吊裝施工平臺的軟基處理.對于起重量大、起吊高度高的風力發電機組的吊裝所使用的起吊設備是超大噸位的起重機,目前常用的是600 t級以上的履帶式起重機.大噸位的起吊設備起吊作業的前提是提供滿足承載力條件的吊裝作業平臺.由于吊裝平臺是臨時作業平臺,施工完成后需恢復原貌,吊裝平臺的復墾、施工進度和成本也是考慮的重點因素.對于平原風電場深層淤泥質軟弱地基,采用換填砂石或建筑廢棄磚渣等顆粒料[2-4]的傳統施工方法效率低、成本高,不利于整體進度和成本控制,有待尋求一種更為經濟高效的施工方法或技術.

將土石材料裝入一定規格與性能的土工編織袋形成的土工袋,長期以來被應用于防洪搶險或一些臨時性的擋土建筑物.近年來,劉斯宏等[5-11]對土工袋的力學加固機理、強度變形、減隔震等工程特性開展了系統深入的研究,將土工袋發展成為一項地基處理新技術,已逐漸開始作為一種永久或半永久性的材料用于房屋基礎、擋墻、邊坡、渠坡等土木水利工程中.鑒于土工袋已成功應用于許多永久工程中,在吊裝平臺這種臨時工程中更有應用價值,不僅可以利用土工袋抗壓強度高的優勢,解決吊裝平臺地基承載力的問題,而且可以充分利用現場開挖土料,降低建設成本,施工完后易于恢復地基原狀,具有重要的經濟意義和環保意義.為此,本文結合某平原風電場建設,開展土工袋技術在吊裝平臺軟基處理中的應用研究.

1 項目背景

本文依托的風電場工程位于蘇北平原,規劃總裝機容量97.5 MW,共裝機39臺2.5 MW 分片式混塔機型風力發電機組.混塔型風機基礎采用樁基礎與空腔承臺,通過12束錨索張拉連接上部塔筒和基礎,風機塔架由4段混塔和3節鋼塔筒組成,風機輪轂中心高度140 m,葉輪直徑146 m.混塔吊裝單段最大質量為291 t.本項目主吊作業站位區域尺寸為20 m×35 m,擬選用中聯ZCC9800Z 型起重機作為安裝主吊,主吊作業區示意圖如圖1所示.

圖1 主吊作業區示意圖

根據設備參數、性能、吊裝技術方案,能夠計算得到起重機進行吊裝作業時平臺主吊作業區域地基受到的平均壓力值,要求主吊作業區域地基承載力不小于250 kPa,地基極限承載力fu按地基承載力特征值fak乘以安全系數(Fs=2.0)計算[11],此處吊裝平臺的主吊作業區域地基極限承載力必須滿足fu≥500 kPa.

風電場區域地貌屬于里下河淺洼平原區,地形整體較平坦,地勢開闊.項目所在區域地質表層為素填土或淤泥質土,其下為可塑-硬可塑狀黏土、粉質黏土、粉土層,地基承載力較低.多數機位點處于湖泊沉積部位和河溝邊,淤泥層較厚,部分超過6 m 深.為了滿足施工吊裝平臺場地的地基承載力,目前設計的施工方法是換填,將原有軟弱層和淤泥挖除,然后換填砂石或磚渣等建筑廢料分層壓實,并鋪設鋼板夾層.對于軟弱層厚度較小的機位點采用這種方法施工比較簡單,但如果軟弱層較厚,則換填量太大,施工工效很低,成本也會隨之增加,工期也沒有保證.因項目風機機位點較多,多個機位點同步施工,磚渣消耗量大,實際施工中周邊市場的磚渣等建筑廢料不能滿足施工需求,施工進度也受到回填料料源的影響.為此,本項目部分機位點擬采用土工袋技術對其風機吊裝平臺場地進行處理,以減少磚渣用量,提高地基承載力,滿足現場的吊裝施工要求.

2 土工袋技術原理

土工袋是指將土石材料裝入具有一定規格與材料特性的編織袋中形成的袋裝體.根據研究[5-8]表明:土工袋受到外力作用后,袋體發生壓縮變形,引起袋子伸長,從而在袋子中產生張力T;同時張力T會對袋內土體產生約束作用,使得袋內土顆粒間的接觸力增大,袋內土體的抗剪強度也隨之增大.將其作為加固層布置于靠近基礎的土層,能夠大大提高地基承載力.根據Mohr-Coulomb強度破壞準則,極限狀態下袋內土體的大、小主應力關系可以表示為[5]:

式中:σ1f、σ3f為外荷載;c為土工袋內部土體黏聚力;T為袋子張力;B、L、H分別為土工袋的長、寬、高;Kp=(1+sinφ)/(1-sinφ),相當于袋內土體的被動土壓力系數;cT為土工袋張力引起的附加黏聚力.

從式(2)可知,土工袋張力引起的附加黏聚力cT是袋內土體強度、袋體強度(張力T)及袋體形狀(長度B、高度H)綜合作用的結果.袋內土體強度對附加黏聚力cT的影響是通過被動土壓力系數Kp間接反映的,如果袋內土體的強度較低,黏聚力cT可通過調整土工袋尺寸大小或提高袋體強度的方式達到一個較大值,使土工袋具有較高的強度,因此對土工袋內的土體不作嚴格限制,可以是各類現場開挖土、建筑垃圾、甚至淤泥土等.

將高強度的土工袋堆疊在地基中,若干層后形成了一個整體,相當于在軟土層表面形成了一個硬殼層,其強度和剛度均大于其下軟弱土層,對于上部荷載所產生的應力具有明顯的擴散作用,使得地基承載力提高、沉降變形減小.

3 土工袋現場試驗

3.1 試驗場地條件

為驗證土工袋處理吊裝平臺地基的可行性,選擇地質條件較差的T30 機位點進行現場試驗.試驗場地的地層情況及相應的力學指標見表1.可見,該風機吊裝平臺場地各土層的承載力特征值均低于要求的地基承載力(fak=250 kPa),尤其是接近場地表層的素填土和淤泥土層承載力特征值甚至小于100 kPa,遠不能夠滿足作為風機主吊平臺場地的地基承載力特征值要求.

表1 試驗場地地層力學指標

3.2 土工袋設計

理論上講,土工袋越小,強度越高,但裝袋工效低.綜合考慮試驗點的土質情況與施工工效,擬選用尺寸為2.0 m×1.0 m×0.5 m 的大型土工袋,每個土工袋裝土量約1.0 m3.袋體材料為聚丙烯(PP),單位面積質量230 g,經、緯向拉伸強度分別為40 k N/m 與30 k N/m,經、緯向伸長率≤18%,顏色為黑色,抗紫外線老化(II型熒光紫外燈照射150 h)強度保持率不小于75%.為了提高袋體的拉伸強度,并便于吊裝鋪設,袋體采用加筋帶加強兼吊裝用.

根據現場實際情況,可能用于裝袋的材料為粉土或素土摻適量的磚渣.如果袋內裝填粉土,則采用的土工袋強度為558.8 kPa;如果袋內裝填素土摻適量的磚渣,其強度指標為φ=30°,c=32 kPa,則采用的土工袋強度計算值為614.9 kPa.土工袋本身的強度大于現場吊裝平臺極限承載力500 kPa,因此土工袋可以替代磚渣,用于提升現場吊裝平臺地基承載力的材料.

3.3 土工袋布置

試驗在一個平面尺寸為6 m×6 m、深1.5m 的試坑內進行,試坑基面為淤泥土層.根據以往經驗,考慮土工袋加固層厚度的影響,試驗共設置4層與5層土工袋兩個方案.圖2為5層土工袋方案的示意圖,在試坑基面及每層土工袋間布置了一定數量的土壓力計.

圖2 土工袋鋪設(5層)及土壓力計布置示意圖

假定土工袋處理層按加筋土墊層考慮,參照《建筑地基處理技術規范》(JGJ79—2012)[12],根據雙層地基理論[13],使用應力擴散角法(如圖3所示)預估地基承載力特征值.

圖3 應力擴散法計算示意圖

式中:D為加固層厚度;B為條形基礎寬度;N c和N q為承載力系數,與土的內摩擦角相關;φ和c為土層內摩擦角和黏聚力;q為基礎兩側超載;α為應力擴散角.應力擴散角的取值是應力擴散法計算精度的關鍵,應力擴散角的取值一般可通過試驗取得.根據土工袋技術已有的試驗研究,取應力擴散角40°.

地基容許承載力fak(也稱特征值)一般取地基極限承載力fu的一半.《建筑地基基礎設計規范》(DB 33/T1136—2017)5.2.4[14]規定,當基礎寬度大于3 m 或埋置深度大于0.5 m 時,從載荷試驗或其他原位測試、經驗值等方法確定的地基承載力特征值,尚應按下式修正:

式中:fa為修正后的地基承載力特征值;ηb、ηd為基礎寬度和埋置深度的地基承載力修正系數,按基礎底下土的類別查表取值,淤泥土的地基承載力修正系數ηb為0、ηd為1.0;γ為基礎底下土的重度;γm為基礎地面以上土的加權平均重度.

5層土工袋碾壓前厚度為2.5 m,假定碾壓后的厚度為2.4 m,根據表1 的土層力學參數,按公式(3)～(7)計算得到土工袋加固后的地基承載力特征值約為282.8 kPa,可達到設計要求的250 kPa.

3.4 試驗概況

圖4為土工袋現場施工流程.試坑開挖完成后將淤泥土整平,然后直接在淤泥土層鋪填土工袋.考慮到在淤泥土上原位裝填土工袋存在施工人員與機械操作困難等問題,因此土工袋事先在選定的堆土場地提前裝填制作好,然后吊運到試坑內集中鋪設.為了充分發揮土工袋的張力作用,土工袋采用層間縱橫十字交錯排列方式[15]進行鋪設,每層土工袋鋪設完成后,用挖機將表面拍打平整.全部土工袋鋪設完成后使用素土填平試坑,采用20 t的振動碾在試坑表面進行碾壓.

圖4 土工袋加固地基施工流程

碾壓完成后,開展平板載荷試驗,如圖4(d)所示.平板載荷試驗承壓板為邊長100 cm、厚2 cm 的正方形鋼板,分8級加載,每級加載后間隔10、10、10、15、15 min測讀一次沉降量,以后每隔半小時測讀一次沉降量,當連續2 h 內,每小時的沉降量小于0.1 mm 時,則認為已趨穩定,可施加下一級荷載.在載荷試驗的不同階段監測土工袋層間土壓力.

3.5 試驗結果與分析

1)p-s曲線

表2為4層與5層土工袋試驗方案的平板載荷試驗每級荷載對應的累積沉降量.以累計沉降量s為橫軸,豎向荷載p為縱軸,繪制得到的p-s曲線如圖5所示.

表2 平板載荷試驗累計沉降量 (單位:mm)

圖5 不同工況下土工袋加固地基的p-s 曲線

根據規范[13]規定,4層土工袋方案累計沉降60 mm 時對應的豎向荷載約470 kPa,取極限荷載的一半即235 kPa為承載力特征值,略小于設計要求的250 kPa,但在試驗過程中,荷載板沉降位移至最后一級荷載施加始終是緩慢增長,地基穩定,未達到極限破壞狀態;5層土工袋方案累計沉降60 mm 時對應的豎向荷載約為520 kPa,取極限荷載的一半即260 kPa為承載力特征值,滿足設計要求250 kPa,同時與前述將土工袋處理層按加筋土墊層考慮計算得到的承載力特征值基本接近.

2)土壓力分布

圖6為5層土工袋方案試驗測得的承壓板中心點以下土工袋加固層內土壓力沿深度方向的變化.可以看出,土壓力隨深度呈現出逐漸減小的趨勢,在場地表層的土壓力最大.隨著豎向荷載的增大,土工袋張力的發揮更為明顯,加固層的剛度增大,土壓力隨深度的衰減變得更為顯著.

圖6 5層土工袋方案承壓板中心點以下土壓力沿深度的變化

圖7(a)為5層土工袋方案深度1.5 m 處試驗測得的土壓力沿水平方向的分布.可以看出,在同一深度、同一豎向荷載作用下,承壓板下的土壓力最大,隨著距承壓板中心距離的增大,土壓力逐漸減小,在距離承壓板1.8 m 處測點的土壓力隨豎向荷載的變化較小.測點的土壓力包括兩部分,一部分是上部土體的自重應力,另一部分由豎向荷載引起的附加應力.土工袋加固層的重度按17 k N/m3考慮,1.5 m 深度處的自重應力為25.5 kPa,扣除自重應力后的土壓力即為豎向荷載引起的附加應力,其分布如圖7(b)所示.可見,在距離承壓板1.8 m 處測點附加應力值基本為零,按此計算土工袋加固層的應力擴散角為40.9°.

圖7 深度1.5 m 處測點土壓力沿水平向的變化

4 與常規換填方案的比較分析

土工袋加固方案與常規的建筑廢料換填方案可以從以下幾個方面進行對比.

1)施工效率與成本方面:開挖換填方案需要將淤泥等軟弱土層全部挖除,淤泥層較深的機位開挖量大,開挖形成的基坑需要做支護,施工難度加大,并且回填料需要外購,施工完成后需要將回填料挖除進行外運,施工成本較高;而土工袋能夠利用風機吊裝平臺場地開挖的大量棄土就地取材直接裝袋,可以采用專用機械預先制作,回填、碾壓能夠同步進行,施工進度快、成本小.

2)復墾及環保性方面:開挖換填方案采用的建筑廢渣容易嵌入原有地基土中,施工完成后進行挖除復墾時容易將部分殘渣留在地基土中,復墾難度大,環保性較差;土工袋加固方案能夠在施工結束后直接吊出,并在類似的吊裝平臺基坑或其它工程中重復使用,復墾難度小,有利于施工場地的環境保護.

3)加固效果方面:開挖換填法的場地承載力受回填料和壓實密度影響較大,特別是對于軟弱層較厚的部位效果更差;土工袋加固方案則主要通過袋子發揮張力約束袋內土體,加固層的承載能力受袋內材料影響并不顯著,分層鋪設厚度均勻,特別是對于深淤泥部位優勢更為明顯.

總之,相較于常規的開挖換填方案,土工袋加固方案除了能夠滿足施工場地的地基承載力要求外,還具有能就地取材、施工效率高、復墾容易、成本低、環保性好等諸多優勢.

5 結論

本文結合江蘇某平原風電場建設,通過理論分析與現場試驗,研究了土工袋技術在吊裝平臺軟基處理中應用的可行性,得到了以下主要結論:

1)土工袋的強度提高源于在外力作用下袋子張力產生的附加黏聚力,且附加黏聚力是袋子張力、袋體尺寸與袋內土體強度綜合作用的結果.袋內土體強度對附加黏聚力的影響通過被動土壓力系數Kp間接反映,因此現場開挖的低強度淤泥質土可以直接用于裝袋.

2)土工袋加固層能夠顯著提升吊裝平臺軟基的承載力.對于本試驗點較深的淤泥土層,采用5層土工袋加固,地基承載力特征值達到260 kPa,能夠滿足風機主吊平臺場地的地基承載力特征值要求.

3)土工袋加固層具有較高的抗壓強度和剛度,按加筋土墊層考慮,采用應力擴散的方法計算地基承載力是可行的.試驗得到的土工袋加固層應力擴散角約為40°.

4)相較于常規的開挖換填方案,土工袋加固方案除了能夠滿足施工場地的地基承載力要求外,還具有能就地取材、施工效率高、復墾容易、成本低、環保性好等諸多優勢,在臨湖平原風電場厚淤泥等軟弱地質條件下的吊裝平臺施工中具有很好的應用前景.