湿陷性黄土基础施工技术研究与应用

胡海涛

（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西西安 710016）

1 工程地质情况

捡财塘风电场工程位于祁连山造山带东缘走廊过渡带的南缘,松山复斜的北冀，区域上建设项目附近的走廊过渡带活动性相对稳定，褶皱相对开阔，断裂较少，建设项目南部的北祁连褶皱带，活动强烈，岩浆岩发育，褶皱多为紧闭褶皱，断裂发育，地层遭受破坏强烈，新生代以来，伴随着青藏高原的降升，场地附近以整体间歇性隆升为主要特点，差异活动不明显，拟建工程区构造不甚发育，该区域地壳处于基本稳定状态。风机地基均为黄土状粉土。黄土状粉土湿陷性评价：本场地黄土为自重湿陷性黄土，湿陷性黄土地基的湿陷性等级为IV级。场址区地震动峰值加速度小于 0.20g，地震动反应谱特征周期为0.40s，相应地震烈度8度。该地区标准冻深0.90m。

甘肃白银平川捡财塘风电场 45MW风电位于甘肃白银平川区王家山镇的捡财塘村附近，建设场区内主要地层的岩性特征及工程概况如下。

（1）马兰黄土(Q3eol)：黄褐色,以粉土为主,土质均匀,大孔隙发育,垂直节理发育,多呈可塑状,属风积沉积。

（2）马兰黄土(Q3a1-p1)：广泛分布于工程区,黄褐色,水平层理,土质较均匀,粉粒含量较高,可见大孔隙,垂直节理发育,在 10m以下部分勘探点可见白色钙质结核,局部地层出现姜石,可塑～坚硬,属冲洪积沉积,勘察孔未穿透该层,最大揭示厚度42m。

（3）角砾、细砂、泥岩：局部分布于个别风机基础内。粉细砂层最大厚度达8.4m,角砾层11m,泥岩最大揭示厚度为2.5m。

2 基础设计

场区共设计风力发电机组30台,其中14台风机基础采用换填土处理后浇筑混凝土基础,16台风机基础采用灌注桩基础。

2.1 课题提出

风机基础和箱式变电站的基础各有 30座，风机地基处理采用二种型式，换填基础和钢筋混凝土灌注桩基础。

（1）由于风电大规模开发在我国属新发展领域，需要在施工技术、质量、安全上进行新的探索，以适应这个行业发展的需要。

（2）场区湿陷性黄土基础上进行风机基础的施工，在国内尚无先例，这对设计、施工以及后期的运行管理提出了新的挑战。

（3）场区内湿陷性黄土覆盖层较厚，前期地质勘测过程中探孔最深达到 49m，但仍未完全穿透湿陷性黄土覆盖层，且在湿陷性黄土地区采用摩擦桩作为风机基础在国内工程建设中尚属首列，一旦施工成功将为湿陷性黄土地区基础处理设计提供有利保障。

2.2 研究内容

通过甘肃白银平川捡财塘 45WM风电场独立风机基础的施工，研究解决高寒冷地区大吨位，频繁振动独立风机基础在湿陷性黄土中的可行性及可推广应用性；并且在施工过程中采用几种不同方式对湿陷性黄土独立基础地基进行处理，从中比较及总结相互之间的优劣性，探讨换土，旋挖桩，重夯夯实等技术措施的优劣性和工法。

2.3 研究的难点

（1）由于在湿陷性地区基础处理设计及施工中，选用摩擦桩进行其地基处理的方式在国内尚属首例，所以在施工过程中确定其施工参数是非常困难的，只有通过现场前期阶段的施工，不断的实验及总结其施工参数。

（2）由于风力发电机组基础所处地层属大厚度湿陷性黄土，其间又夹带有0.6～8m的粉细砂层，加之施工时必须采用“干成孔”施工作业，不能采用常规的泥浆护壁的成孔工艺，所以在粉细砂层地段桩基础开挖施工又是一施工难关。

（3）在湿陷性黄土地区修建大吨位，频繁振动独立风机基础在国内尚属例，其风力发电机组的工作性质决定了其对基础地基稳定性的要求，因此在实际施工中通过现场实际情况研究并消除土质湿陷性又是一施工难题。

3 实用施工工艺应用

3.1 灌注桩地基处理施工应用

3.1.1 灌注桩开挖施工应用

在自重湿陷性黄土地区进行灌注桩造孔施工时，首要条件就是“干作业”，这一要求将常规的泥浆护壁成孔工艺拒之门外，为灌注桩造孔施工平添了施工难度。鉴于此首先采用了“人工开挖干成孔作业”的施工工艺，但在后续的施工作业中表明，孔深在 5～10m范围内采用人工干成孔作业时是最经济的，其投入设备少，且施工进度快，成孔质量高，而孔深超过20m以后，如采用人工开挖干成孔作业将使施工难度大幅增长，施工进度缓慢，施工成本投入加大，不利于整个工程的施工进展。后经过多次探讨分析决定采用旋挖机直接干成孔作业施工，其施工优点在于。

（1）施工速度快：螺旋钻钻孔平均每小时进尺15m～18m，每天可完成深度为35m的钻孔3个，远远高于人工挖孔和其它造孔设备的成孔速度。

（2）操作简单、安全：螺旋钻采用人工操作，电子调整垂直度的方式，人工劳动强度低，简单、安全、工作效率也高。

（3）机械成孔孔斜率较人工挖孔更为精确：机械成孔孔斜主要依靠钻机伸缩钻臂的垂直度来控制，钻孔前先校正钻机钻壁垂直度，从而控制机械成孔的孔斜度。

（4）机械钻孔施工相对较安全，施工时安全投入较人工挖孔作业小，节省工程施工成本。

可是由于风机灌注桩基础所处地层黄土为粉质黄土，旋挖机在钻孔完成后进行桩端扩底施工时容易发生塌孔埋钻事故，故在实际施工过程中旋挖机只进行桩体主孔部位，桩端扩底施工只能由人工进行施工。鉴于此，对灌注桩成孔施工工艺再次进行优化，采用“人机联合干成孔作业法”进行整个施工现场的桩体开挖施工。通过“人机联合干成孔作业法”在风电场灌注桩基础开挖施工中的成功应用，现总结如下。

所谓“人机联合干成孔作业法”即采用机械钻孔加以人工进行扩大头、孔壁、孔底清理施工的方法。其优点：施工时如遇到特殊地层可以用人工对该地层及时取样掌握实际地质情况；在机械钻孔作业时一旦进入厚度超过 2m的粉、细砂地层，机械施工难度加大，且孔壁很容易坍塌，而此时采用人工护壁开挖的作业方式，既可进行顺利施工，而不耽误工程进度，也降低了施工作业难度。

3.1.2 灌注桩混凝土施工

由于湿陷性黄土吸水性大、保水性差，且混凝土垫层直接浇筑在湿陷性黄土上，施工时混凝土很容易出现裂缝，影响主体基础的施工。加之灌注桩成孔后，安装好的钢筋笼在混凝土浇筑过程中，因灌注桩底端土体吸收入仓混凝土内的水份造成钢筋笼随土体的自然沉降而发生沉降，影响成桩质量。所以在灌注桩成孔后钢筋笼安装时，宜在钢筋笼安装完毕后在桩井口设置钢筋笼加固设施，避免在浇筑作业时钢筋笼的下沉。

灌注桩浇筑作业时，易采用直升导管法或串桶法进行浇筑作业。采用直升导管法浇筑时桩体内混凝土连续性好，桩身完整，不会出现夹泥、断桩现象，且在浇筑过程中孔壁不会受到大的扰动，能保持桩身的体型尺寸，大大降低了灌注桩浇筑过程中的塌孔几率。加之在整个浇筑过程中混凝土导管自始至终处在混凝土浇筑面的下部50～100cm ，使得浇筑成型的桩体内混凝土处于自然密实状态，不用人工再进行振捣作业。但由于直升导管法在施工时需根据桩长投入25t或50t汽车吊，从而增加了施工成本。

而采用串桶法施工时，串桶口始终高于混凝土浇筑面，由于浇筑过程中混凝土入仓后产生震动，局部孔壁坍塌，容易发生桩体内混凝土夹泥现象或断桩事故；且在下料过程中容易发生混凝土离析现象，造成灌注桩内部粗骨料较多，外围细骨料较多，俗称“糠心罗卜”，大大降低了灌注桩本身的承载力。故湿陷性建筑地区混凝土灌注桩浇筑施工时采用直升导管法作为浇筑手段为最好，在实际施工中如因施工场地狭小不能利用吊车时可用卷扬机代替。

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3.2 换填地基处理施工应用

换填基础基坑为倒圆台形, 底口直径为 20m,上口直径为 28.5m,开挖深度为 8.5m，施工时先根据测量放置的开挖线利用反铲将其开挖成深 3～5m的基坑，之后再在其周边开挖一施工通道，利用装载机分层开挖。在其开挖过程中随着开挖层面应用人工开挖间距60cm的防渗台阶增强基础的抗渗性。每个基坑开挖完成后都应取基底原样土进行渗透及标准击实试验，确定其施工用参数。如在基坑开挖完成后其基底面处在粉细砂层或流沙层面上应根据粉细砂层或流沙层的厚度采用层面挖断法或基底灌浆法对其进行处理，待处理完毕后方可进行基础换填施工，严禁直接在软弱层面上进行土体置换施工。

换填基础采用2:8灰土置换原始地面以下基础应力传递范围内湿陷性黄土，用以消除或降低基础地基的湿陷性。施工时采用“环形碾法”和“井”字碾压法的施工工艺，保证了其地基回填料的压实度和整体连续性，保证了风机基础底部地基承载能力的整体性。施工成型后在自然含水率状态下基础低面的地基承载力特征值(fak)取 280kPa，其变形模量（E0）可取 20MPa。施工时素土回填其压实系数≥95%，最佳含水率为 10%～12%；2:8灰土施工时回填其压实度≥97%，其施工最佳含水率为16%～18%，一般不大于18%。其主要施工工艺分析如下。

风机基础地基处理基坑开挖完成后，通过基坑底部原样土确定的施工参数进行回填施工作业。在该项施工中不同于以往回填施工作业的是每个风机基础换填选用的施工参数都是不同的，都是根据基坑底部原样土的土工实验来确定的。基础回填施工时其碾压方式采用环向蹉距的路线由基坑周边逐步向中心碾压，在环向碾压完毕后，再按照“#”字形路线碾压，碾压完毕之后称之为一个碾压回合，每层填筑料需2个平碾回合，6个振碾回合。每个地基换填施工完毕后，静置3～5 d，使得回填土体与周边土体的自然沉陷趋于稳定。之后在换填基础回填层上做静荷载试验，检验换填后风机基础范围内地基的沉陷量。待风机地基换填处理完毕后，进行风机基础混凝土施工。

换填基础回填施工时每层碾压完毕后进行土体密实度试验，每层沿周边布设四个试验点，中心布设1个，共计5个试验点。待各试验点检验合格后再进行下一层回填施工，直至整个基础地基处理回填施工完毕。

4 结 语

通过在白银平川捡财塘 45MW风电场工程的风机基础施工，我们可以对湿陷性黄土地区基础处理的设计与施工归纳如下。

（1）湿陷性黄土覆盖层厚度大、地形特殊地区桩基础设计的建议。

根据湿陷性黄土地区建筑规范 GBJ25-90有关条款的规定，在自重湿陷性黄土地区不得使用摩擦桩，要求桩须穿透湿陷性土层，桩底支撑在可靠的持力层上。但在白银平川捡财塘风电场风机基础设计中，由于该地区自重湿陷性黄土土层较厚，施工时桩很难穿透湿陷性黄土层，进入可靠的持力层，故在设计时根据部分风机基础所对应的地层条件，将自重湿陷性为Ⅳ级的马兰黄土作为风机灌注桩基础的持力层。该部分桩基础既有端承桩的特点又有摩擦桩的特点。鉴于该工程地质的特殊性，建议在类似于该类地质情况的建筑区域，进行桩基础设计时灌注桩类型可采用摩擦桩，但桩身直径不得小于 800mm，桩身长度不宜小于 35m，且桩端必须设不小于1.5d的扩大头。

由于湿陷性黄土吸水性大、保水性差，且混凝土垫层直接浇筑在湿陷性黄土上，施工时混凝土垫层很容易出现裂缝，影响主体基础的施工。故在施工时应先在其土层表面覆设 2～3cm厚水泥砂浆，之后再进行混凝土浇筑。浇筑过程中要边收面边覆盖，并及时养护，避免混凝土表面干缩裂缝。浇筑用的混凝土设计时其塌落度要比常规地区用混凝土塌落度偏大2～3cm，用以平衡湿陷性黄土地区混凝土浇筑时由于湿陷性黄土的吸水性造成的混凝土塌落度损失和含水率损失，故在湿陷性黄土建筑地区混凝土配合比设计时应充分考虑由于该地区内黄土吸水性引起的混凝土塌落度及含水率的损失，使得施工用混凝土能更好的适用于湿陷性黄土建筑地区工程施工中。

从以上分析可以看出在湿陷性黄土地区进行基础处理时根据其地形条件宜采用换填基础和灌注桩基础，其相应的实用工艺及施工过程注意事项可参考以上分析。

[1]乔国峰.浅谈湿陷性黄土地基加固施工技术[J].山西建筑.2007,(4)

[2]文君,张江丽等.大厚度湿陷性黄土地基处理方法探讨[J].城市勘测.2006,(3)

[3]邱良丰.湿陷性黄土地基的处理方法.农田水利工程[J].2008,(6)

[4]李原,杨长城.湿陷性黄土冲击碾压施工技术探讨.西部探矿工程[J].2009,(2)

[5]孙太石,孙佃升.强夯法加固湿陷性黄土地基施工技术探讨[J].建筑与工程.2011,(24)