论文部分内容阅读
【摘 要】 对风力发电厂风机基础设计进行了分析，从上部荷载取值、基础尺寸、桩基布置等方面进行了论述，提供了风机基础桩基设计的方法。
【关键词】 地基基础 风机基础 无张力灌注桩 复合地基
1 项目概况
某风电厂风场一期（49.5MW）工程位于陕西省定边县东南约25km处，海拔1650m～1860m，占地约35km2，为黄土高原北部的黄土低岗斜坡，场地开阔。
2 岩土工程条件概况
2.1 地形地貌及不良地质作用
该风电场场址区域地貌主要以特有的黄土塬、梁、峁地形为特征。场址区地势较平缓，地表水系不发育，地下水埋深较深，滑坡、泥石流不发育。但黄土塬和梁的边缘多有陡坎，坡面直立，高度可达20m，随着雨水冲刷，可形成坍塌等破坏，在风机布置时建议与黄土塬或梁的边缘保持一定的安全距离，防止边坡失稳或者累进性坍塌破坏影响基础稳定。
2.2 地层岩性分布特征
根据勘探资料，场址区地层以第四系松散堆积物为主，主要由风积的壤土、黄土状粉土、粉质黏土及黄土层组成。
①层，全新统风积（Q4eol）壤土，浅黄色，干燥，结构松散，以风成次生黄土及砂质粉土为主，含植物根系和腐殖质，地表广泛分布，黄土梁、峁、丘顶部厚度较薄，一般几十厘米不等，主要为耕地或荒山的表层土。
②层，黄土状土（Q41），浅黄色，稍湿，可塑，土质均匀，以粉粒为主，不具有层理结构，大孔发育，含有植物根系腐败后形成的空洞和虫孔，发育有钙质斑点和结核，以粉土为主。本组地层较为发育，场区均有分布，厚度16.1m～19.6m，平均厚度17.8m。
③层，中更新统（Q2eol），粉质黏土，黄褐色，稍湿，可塑，土质均匀，发育有钙质结核，土体新鲜面上可见铁锰质斑点，主要以粉质黏土为主，本组地层连续分布，厚度变化较大，厚度0.9m～6.4m，平均厚度4.2m，层顶埋深为17.3m～19.8m，平均埋深为18.4m。
④层，中更新统离石组（Q2l），老黄土，黄色～黄褐色，稍湿，可塑，土质均匀，主要成分为粉土，含少量粉砂。不具有层理结构，土体新鲜面上有铁锰质斑点，有少量气孔发育，主要以粉土为主，该层主要分布在梁、峁的中部，钻孔未揭穿该层。
2.3 地基土物理力学参数
根据现场标贯试验和室内土工试验成果，该风电场工程地基土物理力学参数建议值。
2.4 地基土湿陷性评价
场地属自重湿陷性场地，为中等湿陷性，湿陷性深度一般约18m，总湿陷量83.1mm～187mm，平均值131mm，总自重湿陷量76.6mm～159mm，平均值109mm，湿陷等级主要为Ⅱ。本场地主要湿陷性地层为②层，其中③层上部具轻微～中等湿陷性，下部为非湿陷性。
3 风电机组基础方案选型
3.1 风机荷载
3.2 风机基础及地基处理方案比选
由于风电场所在区域为自重湿陷性场地，地基土的湿陷等级为Ⅱ级，且厚度较厚，采用天然地基将不能满足风机基础对承载力及地基变形的要求，风电机组基础下地基必须处理或采用桩基础。拟对P&H无张力灌注桩基础方案、混凝土灌注桩基方案、复合地基方案进行比选，论证确定适合本风电场的风电机组基础形式。
（1） P&H无张力灌注桩基础
P&H无张力灌注桩基础为支持大型风机基础的专利技术。P&H 无张力灌注桩基础不使用基础环进行基础和风机塔筒连接，而是通过塔筒下法兰的螺栓孔使用高强螺杆将基础同塔筒连接。连接用高强螺杆数量为110根（暂定，根据塔筒底法兰孔数决定）。电缆线可以从承台底部穿越，穿越高强螺杆之间的空隙，在基础深1.5m处。风机厂家的下法兰不需要做任何的更改。基础主要由混凝土、预应力高强螺杆和两个CMP（波纹筒）筒构成。根据可研阶段的地勘报告和风机荷载数据，确定设计参数。P&H风机基础主要设计参数如下：
基坑开挖上口直径9.5m，下口6m，基坑深10.5m。基础承台直径为5.1m，承台高度为0.5m，高强螺杆竖向放置于两个CMP筒之间，两筒之间0.8m，之间浇筑C40混凝土，CMP外筒直径为4.8m长10.5m。内筒直径为3.2m长10.5m。CMP内外筒均为壁厚3mm，波深5cm，波距15cm。CMP外筒和基坑之间浇筑C15混凝土。CMP内筒底部浇筑1mC40混凝土，回填土至上筒口。M42高强螺杆长度为11m。每个机位用110根（暂定）。
由于风电场所在区域为自重湿陷性场地，地基土的湿陷等级为Ⅱ级，且厚度较厚，P&H无张力灌注桩基在如何抵消湿陷性黄土负摩阻力、是否对风机基础有变形影响等问题上应当进一步研究。
（2）桩基
本方案风机基础采用干作业法扩底灌注桩（端承摩擦桩）
1）钢筋混凝土灌注桩的计算方法及内容：
根据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004第5.7.2条规定桩端应穿透湿陷性黄土层，且应支承在可靠的土层中。
本方案考虑湿陷性黄土负摩阻力影响，计算取桩顶以下12米桩长范围存在负摩阻力。
2） 参数及布置
经计算拟定桩基础的布置为：承台底部为直径16.0m，高1.1m的圆柱；上部为顶面直径6.2m，高1m的圆柱；中间为高0.8m的圆台。承台底部布置混凝土扩底灌注桩20根，桩长20m，桩身直径1.0m，扩底直径2.0m。扩底灌注桩及承台具体布置见图1。
（3）复合地基
灰土挤密桩法地基处理方案，目的是消除湿陷性，提高地基承载力、减小不均匀沉降，风机基础采用扩展基础，基础体型为圆板形。
灰土挤密桩复合地基方案是通过向桩孔内夯实2：8灰土的方法对灰土桩进行挤密夯扩，从而达到挤密地基土、消除湿陷性、减少沉降的目的。 灰土挤密桩的地基处理深度以湿陷土层15.0m考虑，基础底部采用挤密桩进行地基处理，挤密桩成孔直径0.4m，成桩直径≥0.55m，有效桩长为14m，等边三角形布置，桩间距1.1m，桩身平均压实系数不小于0.97，挤密后桩间土的挤密系数不小于0.88，平均挤密系数不小于0.93。处理深度将根据场地的土质情况、工程要求和成孔及夯实设备等综合因素确定，处理范围为超出基础底面外缘宽度宜大于处理土层厚度的1/2，并不应小于2.0m，故处理范围应为直径35.0m的圆，预计布桩929根，处理后的地基承载力特征值应达到220kPa，桩顶标高以上应设置0.5m厚的灰土垫层，一方面扣除桩顶松动层的影响，另一方面有利于改善应力扩散，调整桩土的应力比，并对减小桩身应力集中有良好作用。扩展基础的体型为：承台底部为直径21m，高1.1m的圆柱；上部为顶面直径6m，高1m的圆柱；中间为高0.9m的圆台。
（4）防湿陷措施
以上各种处理方案在风机安装完毕后，在地面基坑范围内做散水，做法为填土夯实300mm厚灰土垫层，铺防水土工布膜，100mm厚C20素混凝土垫层。
（5）投资及施工技术条件比较
P&H无张力灌注桩的优点是施工周期短，造价低，但未穿透湿陷性土层，且如何控制地基变形应进一步深入研究，且预应力螺栓质量控制不易保证，部分工地存在拉断现象，该桩为专利技术，施工单位单一，施工精度要求高，施工质量控制要求较高，桩基检测复杂。
桩基方案的优点是穿透湿陷性土层，全部消除地基土的湿陷性，施工、检测周期较短，地基变形的均匀性好，不均匀沉降较小。扩底桩增加一道工序，但采用机械钻孔结合人工扩底很容易解决。造价稍高但施工队伍较多，可选择余地较大，且混凝土灌注桩施工质量较容易控制。
灰土挤密桩复合地基可以消除地基湿陷性，有效提高地基承载力，减小不均匀沉降，本工程场地湿陷性土层较厚，灰土挤密桩较长，造价较高，施工较复杂。
4 结论
根据以上比较，扩底混凝土灌注桩方案为首推方案。其次是P&H无张力灌注桩，但应与专利方进行充分沟通其存在的不确定因素，另风力发电机组属高耸建筑物，对基础不均匀沉降要求较严格，混凝土灌注桩施工简便，质量易于保证，安全可靠，有利于减少地基不均匀沉降，是本风场的较为适宜方案，待中标后将结合详勘资料对每个机位的地基处理与桩基方案综合比选，对基础进行优化设计确定合适的地基方案。
参考文献
[1] 《风电场机组地基基础设计规定》（试行）FD003-2007
[2] 《建筑桩基技术规范》JGJ-94-2008
[3] 《高耸结构设计规范》（GB50135-2006）
[4] 《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）
【关键词】 地基基础 风机基础 无张力灌注桩 复合地基
1 项目概况
某风电厂风场一期（49.5MW）工程位于陕西省定边县东南约25km处，海拔1650m～1860m，占地约35km2，为黄土高原北部的黄土低岗斜坡，场地开阔。
2 岩土工程条件概况
2.1 地形地貌及不良地质作用
该风电场场址区域地貌主要以特有的黄土塬、梁、峁地形为特征。场址区地势较平缓，地表水系不发育，地下水埋深较深，滑坡、泥石流不发育。但黄土塬和梁的边缘多有陡坎，坡面直立，高度可达20m，随着雨水冲刷，可形成坍塌等破坏，在风机布置时建议与黄土塬或梁的边缘保持一定的安全距离，防止边坡失稳或者累进性坍塌破坏影响基础稳定。
2.2 地层岩性分布特征
根据勘探资料，场址区地层以第四系松散堆积物为主，主要由风积的壤土、黄土状粉土、粉质黏土及黄土层组成。
①层，全新统风积（Q4eol）壤土，浅黄色，干燥，结构松散，以风成次生黄土及砂质粉土为主，含植物根系和腐殖质，地表广泛分布，黄土梁、峁、丘顶部厚度较薄，一般几十厘米不等，主要为耕地或荒山的表层土。
②层，黄土状土（Q41），浅黄色，稍湿，可塑，土质均匀，以粉粒为主，不具有层理结构，大孔发育，含有植物根系腐败后形成的空洞和虫孔，发育有钙质斑点和结核，以粉土为主。本组地层较为发育，场区均有分布，厚度16.1m～19.6m，平均厚度17.8m。
③层，中更新统（Q2eol），粉质黏土，黄褐色，稍湿，可塑，土质均匀，发育有钙质结核，土体新鲜面上可见铁锰质斑点，主要以粉质黏土为主，本组地层连续分布，厚度变化较大，厚度0.9m～6.4m，平均厚度4.2m，层顶埋深为17.3m～19.8m，平均埋深为18.4m。
④层，中更新统离石组（Q2l），老黄土，黄色～黄褐色，稍湿，可塑，土质均匀，主要成分为粉土，含少量粉砂。不具有层理结构，土体新鲜面上有铁锰质斑点，有少量气孔发育，主要以粉土为主，该层主要分布在梁、峁的中部，钻孔未揭穿该层。
2.3 地基土物理力学参数
根据现场标贯试验和室内土工试验成果，该风电场工程地基土物理力学参数建议值。
2.4 地基土湿陷性评价
场地属自重湿陷性场地，为中等湿陷性，湿陷性深度一般约18m，总湿陷量83.1mm～187mm，平均值131mm，总自重湿陷量76.6mm～159mm，平均值109mm，湿陷等级主要为Ⅱ。本场地主要湿陷性地层为②层，其中③层上部具轻微～中等湿陷性，下部为非湿陷性。
3 风电机组基础方案选型
3.1 风机荷载
3.2 风机基础及地基处理方案比选
由于风电场所在区域为自重湿陷性场地，地基土的湿陷等级为Ⅱ级，且厚度较厚，采用天然地基将不能满足风机基础对承载力及地基变形的要求，风电机组基础下地基必须处理或采用桩基础。拟对P&H无张力灌注桩基础方案、混凝土灌注桩基方案、复合地基方案进行比选，论证确定适合本风电场的风电机组基础形式。
（1） P&H无张力灌注桩基础
P&H无张力灌注桩基础为支持大型风机基础的专利技术。P&H 无张力灌注桩基础不使用基础环进行基础和风机塔筒连接，而是通过塔筒下法兰的螺栓孔使用高强螺杆将基础同塔筒连接。连接用高强螺杆数量为110根（暂定，根据塔筒底法兰孔数决定）。电缆线可以从承台底部穿越，穿越高强螺杆之间的空隙，在基础深1.5m处。风机厂家的下法兰不需要做任何的更改。基础主要由混凝土、预应力高强螺杆和两个CMP（波纹筒）筒构成。根据可研阶段的地勘报告和风机荷载数据，确定设计参数。P&H风机基础主要设计参数如下：
基坑开挖上口直径9.5m，下口6m，基坑深10.5m。基础承台直径为5.1m，承台高度为0.5m，高强螺杆竖向放置于两个CMP筒之间，两筒之间0.8m，之间浇筑C40混凝土，CMP外筒直径为4.8m长10.5m。内筒直径为3.2m长10.5m。CMP内外筒均为壁厚3mm，波深5cm，波距15cm。CMP外筒和基坑之间浇筑C15混凝土。CMP内筒底部浇筑1mC40混凝土，回填土至上筒口。M42高强螺杆长度为11m。每个机位用110根（暂定）。
由于风电场所在区域为自重湿陷性场地，地基土的湿陷等级为Ⅱ级，且厚度较厚，P&H无张力灌注桩基在如何抵消湿陷性黄土负摩阻力、是否对风机基础有变形影响等问题上应当进一步研究。
（2）桩基
本方案风机基础采用干作业法扩底灌注桩（端承摩擦桩）
1）钢筋混凝土灌注桩的计算方法及内容：
根据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004第5.7.2条规定桩端应穿透湿陷性黄土层，且应支承在可靠的土层中。
本方案考虑湿陷性黄土负摩阻力影响，计算取桩顶以下12米桩长范围存在负摩阻力。
2） 参数及布置
经计算拟定桩基础的布置为：承台底部为直径16.0m，高1.1m的圆柱；上部为顶面直径6.2m，高1m的圆柱；中间为高0.8m的圆台。承台底部布置混凝土扩底灌注桩20根，桩长20m，桩身直径1.0m，扩底直径2.0m。扩底灌注桩及承台具体布置见图1。
（3）复合地基
灰土挤密桩法地基处理方案，目的是消除湿陷性，提高地基承载力、减小不均匀沉降，风机基础采用扩展基础，基础体型为圆板形。
灰土挤密桩复合地基方案是通过向桩孔内夯实2：8灰土的方法对灰土桩进行挤密夯扩，从而达到挤密地基土、消除湿陷性、减少沉降的目的。 灰土挤密桩的地基处理深度以湿陷土层15.0m考虑，基础底部采用挤密桩进行地基处理，挤密桩成孔直径0.4m，成桩直径≥0.55m，有效桩长为14m，等边三角形布置，桩间距1.1m，桩身平均压实系数不小于0.97，挤密后桩间土的挤密系数不小于0.88，平均挤密系数不小于0.93。处理深度将根据场地的土质情况、工程要求和成孔及夯实设备等综合因素确定，处理范围为超出基础底面外缘宽度宜大于处理土层厚度的1/2，并不应小于2.0m，故处理范围应为直径35.0m的圆，预计布桩929根，处理后的地基承载力特征值应达到220kPa，桩顶标高以上应设置0.5m厚的灰土垫层，一方面扣除桩顶松动层的影响，另一方面有利于改善应力扩散，调整桩土的应力比，并对减小桩身应力集中有良好作用。扩展基础的体型为：承台底部为直径21m，高1.1m的圆柱；上部为顶面直径6m，高1m的圆柱；中间为高0.9m的圆台。
（4）防湿陷措施
以上各种处理方案在风机安装完毕后，在地面基坑范围内做散水，做法为填土夯实300mm厚灰土垫层，铺防水土工布膜，100mm厚C20素混凝土垫层。
（5）投资及施工技术条件比较
P&H无张力灌注桩的优点是施工周期短，造价低，但未穿透湿陷性土层，且如何控制地基变形应进一步深入研究，且预应力螺栓质量控制不易保证，部分工地存在拉断现象，该桩为专利技术，施工单位单一，施工精度要求高，施工质量控制要求较高，桩基检测复杂。
桩基方案的优点是穿透湿陷性土层，全部消除地基土的湿陷性，施工、检测周期较短，地基变形的均匀性好，不均匀沉降较小。扩底桩增加一道工序，但采用机械钻孔结合人工扩底很容易解决。造价稍高但施工队伍较多，可选择余地较大，且混凝土灌注桩施工质量较容易控制。
灰土挤密桩复合地基可以消除地基湿陷性，有效提高地基承载力，减小不均匀沉降，本工程场地湿陷性土层较厚，灰土挤密桩较长，造价较高，施工较复杂。
4 结论
根据以上比较，扩底混凝土灌注桩方案为首推方案。其次是P&H无张力灌注桩，但应与专利方进行充分沟通其存在的不确定因素，另风力发电机组属高耸建筑物，对基础不均匀沉降要求较严格，混凝土灌注桩施工简便，质量易于保证，安全可靠，有利于减少地基不均匀沉降，是本风场的较为适宜方案，待中标后将结合详勘资料对每个机位的地基处理与桩基方案综合比选，对基础进行优化设计确定合适的地基方案。
参考文献
[1] 《风电场机组地基基础设计规定》（试行）FD003-2007
[2] 《建筑桩基技术规范》JGJ-94-2008
[3] 《高耸结构设计规范》（GB50135-2006）
[4] 《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）