烏克蘭風電項目樁基設計承載力分析

中國電力技術裝備有限公司 張江宏

佐菲亞風電項目位于烏克蘭扎波羅熱州，計劃裝機總容量787.5兆瓦，共計安裝175臺風機渦輪發電機組，設計標準采用歐洲標準和烏克蘭國家標準，業主聘請法國咨詢公司CTE作為設計監理負責設計圖紙審批工作。

場址區為近亞速海平原地區，地勢較為平坦，址區主要勘探深度范圍內揭露出的地基土層根據區域不同主要有兩大類，a類從上至下主要為近代含腐殖物的黑土層、第四紀粉粘質黃壤土層、硬塑性砂質壤土層、較深處新近紀層相間有細砂層，b類從上至下主要近代含腐殖物的黑土層、第四紀的粉或砂粘質黃壤土層、硬塑性砂質壤土層和水飽和細砂層、較深為新近紀的粉質黏土層，兩個區域內各風機點位處分布厚度及深度略有差異，但是地質類型大體一致，礦物質類型為鈉鎂硫酸鹽及氯離子。根據地質條件和附近類似風電工程的經驗，兩個區域基礎設計分別擬采用長螺旋鉆孔灌注樁（CFA）和全護筒鉆孔灌注樁，樁基承載力均通過靜載試驗確定。

試樁方案設計

試樁目的。確定單樁承載力特征值，確定有效樁長和樁身配筋長度；確定成樁工藝和成樁設備的可行性以及施工參數。

根據廠家提資基礎荷載、地勘報告以及以往工程經驗，選定在a類區域具有典型地質條件的WTG B25風機樁號上進行試樁，試樁類型為長螺旋鉆孔灌注樁（CFA），共需施工試樁7根，樁徑為0.82米，有效樁長為16米和20米，配筋長度均為16米，采用抗硫酸鹽混凝土，強度為C30/35。出于對工期和成本的綜合考慮，靜載試驗采用錨樁法，根據附近類似工程實施的經驗和設計論證，做抗壓靜載試驗時采用工程樁（樁號為No.11和No.12）做為錨樁。分別在No.13，No.14和No.17試驗樁上完成豎向抗壓、水平和豎向抗拔靜載試驗后，因未獲得極限抗壓承載力特征值，法國咨詢公司CTE堅持要求做抗壓靜載破壞驗證，經論證溝通，后選取No.15樁加載至破壞。

表1 試樁統計

試樁施工和試驗全過程應由業主和設計監理見證，全部試樁均應按要求留置混凝土試塊，成樁工藝和質量控制應與工程樁一致。試樁前全部樁基應進行低應變法或聲波透射法檢測樁身完整性，靜載試驗應在最后澆筑完成的一根樁混凝土齡期達21天后進行。工程樁作為錨樁時應監測工程樁的上拔量。

靜載試驗時通過連接在錨樁上的反力梁裝置提供反力，用液壓千斤頂直接作用在試驗樁進行逐步加載。加載應逐級進行、每級加載時間不應小于1小時，卸載也應逐級進行、每級時間不小于25分鐘，其中豎向抗壓和抗拔靜載加載每級50t、分別加載至750t和450t，水平靜載加載每級6t、加載至72t。豎向抗壓靜載試驗沉降量應不大于80mm（根據歐洲樁檢測標準，最大沉降量為樁直徑的0.1），豎向抗拔和水平靜載試驗位移量應不大于40mm，如樁身破壞、樁側土體破壞或沉降（位移）速率陡變等時也應終止加載。其中No.15樁抗壓靜載每級加載120t，直至試樁破壞。

試驗結果及樁設計承載力的校核

根據加載試驗記錄整理數據，各各試樁試驗類型、有效樁長、最大加載、沉降（位移）及結果分別為：No.13：抗壓靜載/20m/750t/8mm/未破壞；No.17：抗拔靜載/16m/400t/9mm/未破壞；No.14：水平靜載/20m/80t/25mm/未破壞；No.15：抗壓靜載/16m/630t/45mm，進一步加載沉降急劇增大/土體破壞。同時分別繪制Q~S及S~t曲線，U~Δ及Δ~t曲線和H~Y0及Y0~t曲線。

其中No.15（有效樁長16米）在豎向抗壓靜載試驗中加載到630t時土體破壞失效，為了獲得No.13（有效樁長20米）的極限抗壓承載力特征值以便設計對比，根據No.15樁加載試驗結果呈現的曲線特征，對No.13的抗壓靜載Q~S曲線進行擬合。從圖5可看出，在各級荷載作用下不同樁長的沉降曲線反映出了摩擦型樁的特點，逐步加載后樁下部的樁側阻力才發揮出來，樁長20米的樁能夠承受比樁長16米的樁更高的荷載，極限抗壓承載力特征值約為850t。

綜合上述試驗結果和靜載曲線圖，基于試驗樁數的局部安全系數ξ進行較為保守的評價，得到的單樁承載力特征值，其中有效樁長20m的豎向抗壓修正值6071kN、水平修正值514kN；有效樁長16m豎向抗拔修正值2857kN、豎向抗壓修正值4500kN。其中樁基設計受抗壓承載力控制，在豎向抗拔和水平承載力靜載試驗中承載力遠超設計值，變形量很小，試驗未進行破壞性驗證，均采用保守值。

根據上部荷載，風機基礎采用樁筏基礎模型建模，每個基礎含14根有效樁長為20米的長螺旋灌注樁（CFA），樁配筋長度為16米（參數如試樁No.13），用有限元軟件校核不同工況組合下單樁荷載效應最大設計值。根據Eurocode7和IEC61400-1規范中規定的樁基承載力計算原則，同時運用設計方法1（DA1，C1和DA2，C2）和設計方法2（DA2）的分項系數計算組合效應，并考慮相對應的樁抗力分項系數（R1和R4）分別校核樁基承載力，取受控組合匯總如表2。經計算樁在設計拉力荷載作用下的應變分析，在樁長9米左右處樁側摩阻力抵消設計拉力。

表2 單樁設計承載力校核

結論

在本設計的樁筏基礎模型中采用20米有效樁長的長螺旋鉆孔灌注樁，不全長配筋，配筋長度為16米，滿足設計要求。與傳統的樁基相比，長螺旋鉆孔壓灌注樁（CFA）具有施工簡潔、無泥漿污染、噪聲小、施工效率高、承載力較高、不受地下水影響、成樁質量穩定等優點，在國外平原地帶的風能項目中應用非常普遍。相比國內的勘測設計單位，國外尤其歐洲的設計單位積累了很多CFA設計經驗，其設計理念值得借鑒和學習。

不同于中國規范關于樁基設計中采用較為保守的安全系數法，歐洲標準作為當前較新的設計標準采用分項系數法，分項系數可選擇多個路徑，并可根據試樁情況調整分析系數的數值，設計方法先進。歐洲各國對設計路徑和分項系數的選擇有各自的規定和習慣，尤其值得國際總承包設計和管理人員注意，不僅應熟悉歐洲規范中的設計理念，且應結合所在國及業主第三方設計監理的設計習慣開展工作，才能做到安全經濟的統一，確保項目效益。