风电场风机基础地基处理方案

康 军

(吉林省电力勘测设计院，长春 130000)

风电场风机基础具有承受360°方向重复荷载和大偏心受力的特殊性，对地基和基础的稳定性要求高．目前，我国大力开发建设风力发电这种环保清洁能源，到2020年底，国家计划风电装机容量达到3 000×104kW．本文以某工程在内蒙古东部地区地质构造的特殊性，把风电基础受力的特点与地质构造相结合，设计出技术可行、经济合理的地基处理方案，达到了降低工程造价的目的．

1 场地地貌与岩土工程地质

风电场本期工程装机规模为48 MW，设计安装24台2 000 kW的风力发电机组，风机轮毂高度为70．5 m，轮直径93 m，风轮扫掠面积6 792 m2，风机基础采用混凝土圆板基础，板厚，基底埋深3 m．

1．1 场地地貌

风电场位于西辽河平原的西部，在大地构造上属于盆地的一部分，主要地貌形态为风积冲积平原，分布于河谷冲积平原的外围及河间地区，多为固定、半固定沙丘．沙丘之间为丘间洼地．场地地形较开阔，高低起伏，相对高差不大，最高点海拔标高193．00 m，最低点海拔标高191．00 m．

1．2 岩土工程地质

本工程场地岩土为第四系全新世及晚更新世冲湖积粉质粘土、细砂等，揭露的地基土层按物理力学性质的差异可分为4个大层．现将各土层条件及工程地质特性描述如下:

(1) 耕土(植生层)． 黄褐色，稍湿，松散，固结性差，厚度0．40 m～0．90 m，以细砂、粉土为主，含少量植物根系，不宜做基础持力层;

(2)细砂． 黄褐色，单层厚度0．50 m～5．40 m，稍湿，松散，以石英及长石颗粒为主，粒度不均，局部偏中砂，不宜做基础持力层;

(3)细砂． 黄褐色、浅黄色，单层厚度0．40 m～11．30 m，稍湿－饱和，稍密－中密，以石英及长石颗粒为主，局部偏中砂，粒度不均，夹③1粉质粘土层，地基承载力特征值160 kPa;

(4)粉质粘土． 黄褐色、灰褐色，可见厚度1．10 m～4．10 m，可塑状态，无摇振反应，切面稍有光泽，干强度中，韧性中，土质不均，局部偏粉土层，地基承载力特征值115 kPa;

(5)细砂． 灰色，单层厚度25．0 m～30．00 m，饱和、密实，以石英及长石颗粒为主，局部偏粉砂，粒度不均，地基承载力特征值200 kPa．

1．3 地下水

在本次勘探控制深度内，勘察场区地下水类型属松散岩类孔隙潜水，含水层岩性主要为细砂，地下水水位埋深5．50 m～8．80 m．根据本地区长期水位观测资料，地下水位历年在八九月份最高，在四五月份最低，年变幅1．50 m左右．根据地区经验和区域地下水水质分析资料可知，地下水化学类型为HCO3—CaNa型水(重碳酸钙钠型水)，水质良好，对混凝土无侵蚀性，适宜作为建筑施工用水．

2 岩土工程分析评价

(1)本次岩土工程勘察等级为乙级，地基基础设计等级为乙级，勘察场地内地层分布较稳定，未发现不良地质作用，适宜作为建筑场地使用;

(2)本场地抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0．10 g，设计地震分组为第一组，场地类别为三类;

(3)根据区域地下水及岩土侵蚀性试验资料和地区经验，地下水和岩土均对混凝土无侵蚀性，场地土的标准冻深为1．50 m;

(4)饱和砂土液化评价． 本区地震设防烈度7度，场地内饱和砂土是第③层(细砂层)和第④层(细砂层)，形成地质年代为第四纪中更新世，根据规范(GB 50011—2010)中4．3．3条第一款，可判定为不液化土;

(5)不良地质作用与地质灾害评价． 勘察场地位于西辽河冲积平原之上，第四纪地层厚度较大，地层分布较稳定．勘察场地附近未发现明显的活动性断裂痕迹和影响建筑场地稳定性的不良地质作用，以及不安全隐患．

3 方案对比

依据勘察资料，在地面下5．5 m～10．5 m处有较厚软弱层，承载力低，工程地质条件差，采用天然地基不能满足风机基础要求．在软弱层下层④细砂为密实，承载力高，地质条件好，可采用该层土为持力层的人工处理地基，可满足风机基础正常运行工况和极端荷载工况等要求．风机基础采用混凝土圆板基础，埋深3 m．该场地地势复杂，地质条件差，在满足使用功能、符合规范、标准、保证技术指标等前提下，力争节约投资．本工程进行了预制桩、换填法、强夯法、振冲地基法和混凝土灌注桩等几种地基处理方案比较，总结出各种方案的优缺点，提出最优方案．

3．1 预制桩方案

3．1．1 施工准备

(1)整平场地，清除桩基范围内的高空、地面、地下障碍物;架空高压线距打桩架应大于10 m;修设桩机进出、行走道路，做好排水措施;

(2) 按设计布置进行测量放线，定出桩位轴线和中心，将桩的准确位置测设到地面，每一个桩位打一个小木桩;测出每个桩位的实际高度，场地外设2～3个水准点，以便随时检查备用;

(3)检查桩的质量，根据平面布置图将需用的桩堆放在打桩机附近，不合格的桩不能运至打桩现场;

(4)检查打桩机设备及起重工具，铺设水电管网，进行设备架立组装和试打桩，在桩架上设置标尺或在桩的侧面画上标尺，以便能观测桩的入土深度;

(5)熟悉桩基图纸，进行会审，做好技术交底，特别是地址情况、设计要求、操作规程和安全措施的交底;

(6)准备好桩基工程沉桩计录和隐蔽工程验收记录．

3．1．2 打桩程序

(1)根据地质土的情况，桩基平面布置，桩的平面尺寸、密集程度、深度、桩移动方便，以及施工现场实际情况等因素确定;

(2)按设计要求进行桩定位放线，确定桩位，每个桩中心钉一小桩，并设置油漆标志．

3．1．3 打桩方法

(1)打桩用锤击法．打桩时应用导板夹具，桩位置及垂直度经校正后，可将锤连同桩帽压在桩顶，开始沉桩，桩锤、桩帽与桩身中心线要一致;

(2)开始沉桩应起锤轻压并轻击数锤，观察桩身、桩架、桩锤等垂直一致，才可以转入正常．

3．1．4 接桩形式和方法

混凝土预制长桩受运输条件和打桩架的高度限制，一般分成数节制作，分节打入，在现场接桩．常用接头方式有焊接、法兰接及硫磺胶泥铆接．

3．1．5 打桩的质量控制

(1)桩端位于一般土层时，以控制桩端设计标高为主，贯入度可作参考;

(2)桩端达到坚硬、硬塑的粘土，中密以上的粉土、砂土、碎石土、风化岩时，以贯入度控制为主，桩端标高可作参考．

预制桩的优点是施工速度快，场地干净，施工不受天气影响;缺点是通过对上部荷载和布桩情况的计算可知，桩的长度大约25 m，地质持力层在15．5 m左右的细砂层后状态为密实，预制桩很难进入，不能发挥预制桩的作用．

3．2 换填法

砂和砂石地基(垫层)系采用砂或砂石混合物经分层夯实作为地基的持力层，提高基础下部地基强度，并通过垫层的压力扩散作用，降低地基的压应力，减少变形量;同时变形可起排水作用，地基土中孔隙水可通过垫层快速排除，能加速下部土层的沉降和固结．

3．2．1 材料要求

(1)砂．用颗粒级配良好、质地坚硬的中砂或粗砂;用细砂、粉砂时，应掺加粒径20 mm～50 mm的卵石或碎石，分布均匀;

(2)砂石．用自然级配的砂砾石或卵石、碎石混合物，粒径应在50 mm以下．

3．2．2 施工工艺

(1)铺设垫层前应验槽，将基底表面浮土、淤泥、杂物清理干净，两侧设一定坡度，防止振捣时塌方．

(2)分层铺设时，接头应做成斜坡或阶梯形搭接，每层错开0．5 m～1．0 m，并充分捣实．

(3)垫层分层铺设，分层压实，基坑内预先安好5 m×5 m网格标桩，控制每层砂垫层的铺设厚度．碾压遍数、振实时间应通过试验确定．接触下卧软土层的垫层，应根据施工机械设备及下卧层土质条件的要求应有足够的厚度，垫层的分层铺填厚度可取200 mm～300 mm．为保证分成压实质量，应控制机械碾压速度及含水率．垫层低面应设在同一标高，垫层的搭接处应夯压密实．垫层施工后，应及时进行上部的基础施工．

3．2．3 质量控制

(1)施工前应检查砂、石等原材料质量及砂、石拌合均匀程度;

(2)施工过程中必须检查分层厚度、分段施工时搭接部分压实情况、加水量、压实遍数及压实系数;

(3)施工结束后，应检查砂及砂石地基的承载力．

换填法施工受天气影响，工期长，换填厚度约在3 m～10．5 m，换填材料需求大，当地不能解决需到外地购买，工程造价高．

3．3 强夯法

强夯法用起重机械(起重机或起重机配三角架、龙门架)将8 t～30 t夯锤起吊6 m～30 m高度后自由落下，给地基以强大的冲击能量的夯击，在土体中产生很大的冲击波和冲击应力，迫使土层空隙压缩，土体局部液化，在夯击点周围产生裂隙，形成良好的通道，将空隙的水和气体逸出，使土料重新排列，经时效压密达到固结，从而提高地基承载力，降低其压缩性的一种有效的地基加固方法．

3．3．1 强夯法加固的特点

使用工地常用简单设备;施工工艺操作简单;适用土质范围广;加固效果显著，可取得较高的承载力，一般的地基强度可提高2～5倍;变形沉降量小，压缩性可降低2～10倍，加固影响深度可达6 m～10 m;土粒结合紧密，有较高的结构强度;工效高，施工速度快，一套设备每月可加固5 000 m2～10 000 m2地基，较桩基和换填法可缩短工期;节省加固原材料;施工费用低，节省投资．同时耗用劳动力少，现场施工文明．

3．3．2 适用范围

适用加固碎石土、砂土、低饱和度粉土、粘性土、湿陷性黄土、高填土、杂填土，以及围海造地的地基、工业废渣、垃圾地基等的处理;也可用于防止粉土及粉砂的液化，消除或降低大孔土的湿陷性等级．

3．3．3 机械设备

夯锤，用钢板做外壳，内部焊接钢筋骨架后浇筑C 30混凝土，或者用钢板做成组合成的钢锤，以便于使用和运输．夯锤底面有圆形和方形两种，圆形不宜旋转，定位方便，稳定性和重合性好，采用较广;锤底面积按土的性质和锤重确定，锤底净压力值可取25 kPa～40 kPa;对于粗颗粒土(砂质土和碎石土)选用较大值，一般锤底面积 3 m2～4 m2．10 t夯锤底面积用 4．5 m2，15 t夯锤用 6 m2较适宜．垂重一般为 8 t，10 t，12 t，16 t，25 t．夯锤中宜设1～4个直径250 mm～300 mm上下贯通的排气孔，以利空气迅速排走，减少起锤时，锥底与土面间形成真空产生的强吸附力和夯锤下落时的空气主力，以保证夯击的有效性．

3．3．4 起重设备及脱钩装置

由于履带式起重机重心低，稳定性好，行走方便，多使用起重量为15 t，20 t，25 t，30 t，50 t的履带式起重机．采用履带式起重机作强夯起重设备，目前使用较多的是通过动滑轮组用脱钩装置来起落夯锤．脱钩装置要求有足够的强度，使用灵活，脱钩快速、安全．常用的工地自制自动脱钩器由吊环、耳板、销环等组成，系由钢板焊接制成．

3．3．5 施工技术参数

(1)垂重与落距． 垂重M(t)与落距h(m)是影响夯击能和加固深度的重要因素，它直接决定每一击的夯击能量．垂重一般不小于8 t，落距一般不小于6 m，多采用8 m，10 m，12 m，15 m，18 m，20 m，25 m等几种;

(2)夯击点布置及间距． 夯击点布置应根据基础的形式和加固要求而定，对大面积一般采用等边三角形、等腰三角形或正边形;夯实点的间距取夯锤直径的3倍，一般第一遍夯实点间距为5 m～9 m，以便夯实能向深部传递，以后各便夯实点可与第一遍相同，也可适当减小．

强夯施工过程中应有专人负责监测工作，开夯前应检查夯锤重和落距，以确保单击夯击能量符合设计要求，在每遍夯击前，应对夯点放线进行复核，夯击后检查夯坑位置，如有偏差或漏夯应及时修正，检查每个夯点的夯击次数和每击的夯沉量．强夯对土的含水率要求很高，土样的试验工作量大，施工受天气影响很大．

3．4 振冲法

振冲法就是振动水冲法，起重机吊起振冲器，起动潜水电机带动偏心块，使振动器产生高频振动，同时启动水泵，通过喷嘴喷射高压水流，在边振边冲的共同作用下，将振动器沉到土中的预定深度，经清孔后，从地面向孔内逐段填入碎石，使其在振动作用下被挤密，达到要求的密实度后即可提升振动器，如此重复的填料和振密直至地面，在地基中形成一个大直径的密实桩体与原地基构成复合地基，从而提高地基的承载力，减少沉降和不均匀沉降，是一种快速、经济有效的加固方法．

3．4．1 特点及适用范围

技术可靠，机械设备简单，操作技术易于掌握，施工简便，可节省钢材、水泥、木材，采用碎石、卵石及砂等作填料;加固速度快，节约投资;碎石具有良好的透水性，可加固地基固结，可使地基承载力提高1～1．35倍．振冲法适用于处理砂土地基，加固地基的深度可达18 m，直径为0．7 m～1．2 m．

(1)处理范围应大于基底面积，基础外缘扩大1～2排桩．桩位布置采用等边三角形，间距取1．5 m～2．5 m．桩长根据地质情况按地基的变型容许值确定，初步确定为12 m，桩顶铺设300厚碎石垫层，桩径取1 m;

(2)振冲器电动功率为13 kW～75 kW，操纵振冲器的起吊设备采用10 t履带式起重机．水泵要求水压力为600 Pa，流量30 m3/h，每台振冲器备用1台水泵;

(3)控制设备． 控制电流操作台、150 A电流表、500 V电压表及供水管道、加料设备(吊斗或翻斗车);

(4)填料用碎石、中砂．

3．4．2 施工工艺

(1)施工前应先进行振冲试验，以确定成孔合适的水压、水量、成孔速度和填料方法，以及达到土体密实时的电流、填料量和流振时间．振冲置换法施工顺序为:定位—成孔—清孔—填料—振实．水压可用400 kPa～600 kPa，水量可用200 L/min～400 L/min，使振冲器徐徐进入土中，直至达到设计处理深度以上0．3 m;

(2)填料和振料方法． 成孔后，将振冲器提起少许，从孔口往下填料，填料从孔壁间隙下落，边填边振，直至该段振实，然后将振冲器提升0．5 m，再从孔口往下填料，逐段施工．

3．4．3 质量控制

施工前应检查振冲器的性能;电流表、电压表的准确度;填料的性能．施工中应检查密实电流、供水压力、供水量、填料量、孔低留振时间、振冲点位置和振冲器施工参数(振冲参数有振冲试验确定)．施工结束后，应在有代表性的地段作地基强度(标准贯入、静力触探)或地基承载力检验．

振冲法适用于处理砂土地基．本工程软弱层为粉质粘土，效果不显著，而且换填材料需求大，当地不能解决换填材料，需到外地购买．

3．5 混凝土灌注桩

混凝土灌注桩用冲击式钻机或卷扬机悬吊冲击钻头上下往复冲击，将粉质土或砂土岩层破碎成孔，部分碎渣和泥浆挤入空隙中，大部分成为泥渣，用掏渣桶掏出成孔，然后再浇筑混凝土成桩．特点是设备构造简单，适用范围广，操作方便，所成孔壁较坚实、稳定，坍孔少，不受施工场地限制，无噪音和振动影响．

3．5．1 机具设备

主要机具设备为回转钻机，多用转盘式，钻架多用龙门式(高6 m～9 m)，钻头常用三翼或四翼式钻头、牙轮合金钻头．配套机具有钻杆、卷扬机、泥浆泵(或离心式水泵)、空气压缩机(6 m3/h～9 m3/h)、测量仪器及混凝土配制、钢筋加工系统设备等．

3．5．2 施工方法

(1)平整场地，铺好枕木并用水平尺效正，保证钻机平稳、牢固．在桩位置埋设6～8厚钢板护筒，内径比孔大100 mm～200 mm，埋深1 m～1．5 m，同时挖好水源坑、排泥槽、泥浆池等;

(2)成孔采用正循环工艺，钻进时如土层情况良好，可采取清水钻进，自然造浆护壁，或者加入红粘土或膨润土泥浆护壁，泥浆密度为1．3 t/m3;

(3)钻进时根据土层情况加压，开始用轻压力、慢转速，逐步转入正常，一般土层按钻具自重钢绳加压，不超过10 kN;基岩中钻进15 kN～25 kN，对合金钻头180 r/min，钢粒钻头100 r/min．在松软土层中或岩层中的钻进速度，以钻机不发生跳动为主;

(4)桩钻孔完，用空气压缩机清孔，可将30 mm左右石块排出，直至孔内沉渣厚度小于100 mm．清孔后泥浆密度不大于1．2 t/m3;

(5)清孔后测量孔径，然后用吊车吊放钢筋笼，进行隐蔽工程验收，合格后浇筑水下混凝土，混凝土强度为C30．水下混凝土的砂率为40% ～45%，用中粗砂，粗骨料最大粒径小于40 mm，水泥用量不少于360 kg /m3，塌落度为180 mm ～ 220 mm，配合比通过试验确定;

(6)浇筑混凝土的导管直径为200 mm～250 mm，壁厚不小于3 mm，分节长度为2 m～2．5 m，导管与钢筋应保持100 mm距离，导管使用前应试拼装，以水压力0．6 MPa～MPa进行试压;

(7)开始浇筑水下混凝土时，管底至孔底的距离为300 mm～500 mm，并使导管一次埋入混凝土面以下0.8 m以上，在以后的浇筑中导管埋深宜为2 m～6 m;

(8)桩顶浇筑高度不能偏低，应使在凿除泛浆层后，桩顶混凝土要达到设计强度等级．

混凝土灌注桩适用于本工程岩土工程条件和风机基础形式，可以很好地与基础结合;施工时噪音小，桩质量容易控制;设备构造简单，操作方便，所成孔壁较坚实、稳定，坍孔少;不受施工场地限制，无噪音和振动影响．

4 结论

综上所述，根据场地的工程地质条件和岩土特征，在分析地基土的工程特性基础上，结合本工程的具体情况，经过多方案比较，混凝土灌注桩机以其具有设备简单、操作方便、费用较低，适用于粘性土、砂土和软质岩，符合本工程地质条件及基础形式等工程特点，确定该工程选用混凝土灌注桩．实践证明，采用混凝土灌注桩不仅保证了工程建设质量，而且取得了良好的经济效益和社会效益．

［1］ 工程地质手册(第四版)［M］．北京:中国建筑工业出版社，2007:18－25．

［2］ 建筑抗震设计规范(GB50011－2010)［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［3］ 建筑地基处理技术规范(JGJ79－2002)［S］．北京:中国建筑工业出版社，2003．

［4］ 建筑地基基础设计规范(GB50007－2011)［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．