咬合樁工藝在風場中的應用

陳西平

摘 要：咬合樁是樁與樁之間形成相互咬合排列的一種基坑圍護結構；施工時先施工A樁，后施工B樁，在A樁混凝土初凝后、終凝前切割A樁相交部分的混凝土，在澆筑B樁從而實現(xiàn)咬合。新型鉆孔咬合樁筒型基礎結構創(chuàng)新地將樁基礎與基坑支護墻技術結合組成大直徑筒型結構，形成土體-筒形結構-小承臺結構-錨籠的組合體系，從而形成大直徑筒型基礎結構。

關鍵詞：咬合樁；筒型基礎；樁墻

中圖分類號：TU753.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）02-0107-03

0 引言

鉆孔咬合樁采用機械鉆孔施工，樁與樁之間相互咬合排列。施工主要采用“套管鉆機+普通混凝土”方案。鉆孔咬合樁的排列方式采用，第一序樁素混凝土（A樁）和第二序鋼筋混凝土樁（B樁）間隔，先施工A樁，后施工B樁，B樁施工時，利用套管鉆機的切割能力切割掉相鄰A樁的部分混凝土，則實現(xiàn)了咬合。

1 咬合樁設計

華能通榆200萬kW風電平價上網(wǎng)項目位于白城市通榆縣開通鎮(zhèn)、什花道鄉(xiāng)和八面鄉(xiāng)境內，距離通榆縣約15 km左右，距離長春市約240 km。位于東經(jīng)123°18'（風電場中心），北緯44°48'（風電場中心），海拔高度約為135～155 m；此次實驗樣機選取EN-156/3.3機型機位的基礎進行設計及計算。

新型基礎結構承臺直徑14 m，高3.5 m，樁長12.5 m，底部基礎采用新型鉆孔咬合樁筒型基礎結構。

1.1 風機荷載

本項目實驗樣機擬選用遠景EN-156/3.3機型[1]，經(jīng)統(tǒng)計后，選取計算中用到的風機荷載標準值見表1。

1.2 檢算內容

依據(jù)《陸上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》[2]規(guī)定，風電機組地基基礎設計及檢算應進行地基承載力驗算、抗滑移穩(wěn)定驗算、抗傾覆穩(wěn)定驗算、沉降及變形驗算等有關基礎安全的其他驗算。

1.3 基于規(guī)范的工程算法

1.3.1 計算依據(jù)

新型鉆孔咬合樁筒型基礎沒有完全一致的既有基礎結構設計規(guī)范可直接套用，但其承載和受力機理上與《陸上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》[2]較為一致，因此擬將新型鉆孔咬合樁筒型基礎進行等效處理后，依據(jù)此進行計算分析。

1.3.2 地基計算

1.3.2.1 地基承載力特征值

地基承載力特征值可由荷載試驗或其他原位測試，公式計算及工程類比等方法綜合確定，根據(jù)地勘報告，采用荷載試驗與公式計算兩種方法計算[2]。

由于機位處地下水位埋深在2.2 m左右，此次計算中土體重度及加權平均重度，均取浮重度作為有效重度進行計算。按照等效計算筒型基礎尺寸及土質參數(shù)取值，計算得到筒型基礎修正后土體地基承載力特征值fa=301.73 kPa（其中⑦粉質粘土的c及φ取場區(qū)地勘報告中的均值）。

1.3.2.2 基底壓力

承受軸心荷載的計算如式（1）。

Pk ≤ ?fa ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Pk為荷載效應標準組合下，基礎底面處平均壓力單位kPa 。

經(jīng)計算：

Pk=113.74 kPa

式中： fa1、fa2為修正的地基承載力，fa1取394.82 kPa，fa2取301.73 kPa。所以Pk< fa1，Pk

1.3.2.3 預應力筒型基礎按剛性基礎計算

地基土體按照線彈性假定，筒型基礎地基計算如式（2）、（3）所示。

基礎側面橫向壓應力應滿足下列要求：

（2）

（3）

依據(jù)上述要求進行計算，得到以下兩個結果。

①深度h/3處為粉砂，c、φ值取地勘報告中的經(jīng)驗值c=2.0 kPa，φ=35°。按照地基土體線彈性假定，此h/3處基礎側面橫向壓力值為：

σh/3=63.94 kPa＜γh/3（ηKp－Ka）+2c（η ? ? ? ?+ ? ? ? ?）

=147.12 kPa

σh/3滿足要求。

②深度h處為粉質粘土，c、φ值取地勘報告中的經(jīng)驗值c=37.5 kPa，φ=11.7°。按照地基土體線彈性假定，此h處基礎側面橫向壓力值為：

σh/3=205.77 kPa＜γh（ηKp-Ka）+2c（η ? ? ? ?+ ? ? ? ?）

=251.86 kPa

σh/3滿足要求。

1.3.2.4 基礎水平變形和基礎轉角

預應力筒型基礎按《陸上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》[2]中剛性基礎計算。地基土體按照線彈性假定，筒型基礎地基計算應符合式（4）、（5）的規(guī)定：

基礎頂面水平變形和基礎轉角應滿足下列要求：

y0·tanω≤0.020 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

ω≤0.004 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

筒型基礎的傾斜變形參考基礎變形控制，轉角按照0.004控制，頂面水平位移根據(jù)工程經(jīng)驗按20 mm控制。經(jīng)計算，筒型基礎頂面水平變形和基礎轉角為：

y0·tanω=3.37e-5≤0.020

ω=0.00018≤0.004

滿足要求。

1.3.2.5 抗傾覆穩(wěn)定驗算

筒型基礎抗傾覆承載模式如圖1所示，在基礎頂面彎矩的作用下，基礎可能圍繞底面上垂直于ab的某一條弦發(fā)生轉動，即導致基礎傾覆。因此應找到基礎最有可能產(chǎn)生傾覆的軸線位置，進行抗傾穩(wěn)定性驗算。如圖1所示，在圖示荷載作用下，假設基礎有可能繞斷面mn發(fā)生傾覆，因此設該斷面與ab的交點為x。

將荷載及筒體、筒內土體自重換算到筒底中心處，得：

豎向力V=4 358.90 kN

橫向力H=894 kN

彎矩M=96673.7 kN·m

迭代計算確定基礎的最危險旋轉軸位置：

ox=7 m

MV=VλR=300 549.79 kN·m

水平荷載導致的傾覆力矩為：

MH=3 307.8 kN·m

筒型基礎的總抗傾力矩為：

MR=MV=30 0549.79 kN·m

筒型基礎受到的傾覆力矩為：

Mq=MH+M=9 9981.50 kN·m

筒型基礎的抗傾安全系數(shù)為：

SFt=MR/Mq=300 549.79/9 9981.5=3.01 ?滿足要求。

1.3.2.6 抗滑穩(wěn)定性驗算

抗滑移穩(wěn)定驗算應按照《陸上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》[2]正常運行荷載工況基本組合、極端荷載工況基本組合、罕遇地震工況基本組合分別驗算，并求取對應內容的荷載分項系數(shù)。

基于以上荷載計算，進一步經(jīng)折算后得到基礎底部、極端荷載工況基本組合（荷載分項系數(shù)為1.0）為：

Mk= 96 673.70 kN·m

Nk= 15 926.29 kN

Fk= 894 kN

計算得到基礎底面抗滑力為：

FR=μ·Nk=4 777.89 kN

其中，基礎底部與地基摩擦系數(shù)取0.3。

因此，F(xiàn)R/FS=5.34＞1.3 ，滿足要求。

1.3.2.7 沉降計算

在計算地基沉降變形時，為了便于計算，將基礎圓形截面按面積等效成矩形截面，其邊長D計算如公式（6）

D= ? ? ? ?=12.4 m ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

d為筒型基礎直徑，d取14 m。

地基內的應力分布，可采用各向同性均質線性變形體理論假定。

經(jīng)計算，可得POK=103.5 kPa。

樁基沉降計算深度 Zn應按應力比法確定，即計算深度處的附加應力σ計算[3]如式（7），深度取23 m，沉降計算見表2。

σz=0.2σc ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

假定Zn=23 m，σz=103.5 kPa≤0.2，σc=132.4 kPa，需要對得出的最終沉降進行修正，修正系數(shù)根據(jù)地區(qū)變形觀測資料及經(jīng)驗確定，無地區(qū)經(jīng)驗時可Es=18.2 MPa。

最終計算各工況下的最終沉降值s=35.2 mm。

輪轂高度90 m

2 咬合樁檢測

根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120-2012）第4.6.16條的規(guī)定：咬合樁基礎的檢測應采用聲波透射法對墻體混凝土質量進行檢測，檢測墻段數(shù)量不宜少于同條件下總墻段數(shù)的20%，且不少于3幅墻段。本工程咬合樁基礎總樁數(shù)為70個，本次檢測擬對該工程抽取3處采用聲波透射法進行墻身結構質量檢測，其余準備2個槽段備用。

2.1 儀器設備

擬采用北京市康科瑞工程檢測技術有限公司生產(chǎn)的NM-4A非金屬超聲檢測分析儀（出廠編號：NM-4A-685）。

2.2 現(xiàn)場檢測前準備工作

具體有以下6點：①采用標定法確定儀器系統(tǒng)延遲時間。②計算聲測管及耦合水層聲時修正值。③在咬合樁基礎頂測量相應聲測管外壁間凈距離。④將各聲測管內注滿清水，檢查聲測管暢通情況，換能器應能在全程范圍內升降順暢。⑤檢測前需收集地質勘察報告、咬合樁基礎相關圖紙及施工記錄等資料。⑥將伸出墻頂?shù)穆暅y管切割到同一標高，測量管口標高，作為計算各測點高程的基準，并向管內注入清水，封口待檢。

2.3 聲測管埋設要求

具體有以下8點：①聲測管應具有一定的強度、韌性及剛度，宜采用內徑為50 mm的鋼管，接頭宜采用螺紋連接。②聲測管的管道應暢通，管中間不能有阻塞，以保證換能器能順利升降。③測管應焊接或綁扎在鋼筋內側，聲測管應順直且平行。④聲測管應密封，在底部和接口處要做到密封不漏水，在頂部加蓋（測試時打開）。⑤混凝土澆筑前管內注滿清水。⑥聲測管底部應與檢測構件底部齊平，管的頂部應高出檢測工作面300 mm以上。⑦單個直槽段中的聲測管埋置數(shù)量根據(jù)槽段長度確定，聲測管間距不大于2.0 m，聲測管距咬合樁基礎端頭不小于0.5 m，呈平行四邊形布置。對于轉角槽段，拐角處聲測管埋設數(shù)量設為3根，對于長邊根據(jù)實際情況按照聲測管間距不大于2.0 m的原則進行增加埋設聲測管。

3 結語

通過基于國內現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范的工程算法和有限元數(shù)值模擬計算結果，可以得到以下3點結論。

第一，新型鉆孔咬合樁筒型基礎整體方案的地基承載力、傾斜率、變形、穩(wěn)定性滿足地基計算要求。

第二，基礎結構受力及初步配筋滿足基礎計算要求。

第三，新型鉆孔咬合樁筒型基礎初設體型與常規(guī)基礎對比，其承臺C40混凝土用量減少129 m3（減少26.88%），樁基C30混凝土用量增加40 m3（多12.05%），混凝土整體用量減少114.3 m3（減少13.6%）。咬合樁與常規(guī)基礎對比如表3所示。

參考文獻

[1] 遠景風力發(fā)電機組 EN33_EN156_110HH-基礎載荷報告[R].

[2] NB/T 10311-2019 陸上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范[S]

[3] JGJ94-2008 建筑樁基技術規(guī)范[S].