沿海滩涂地区风机桩基础优化设计

张艳丽

（上海电力设计院有限公司，上海 200025）

0 引言

风力发电作为可再生能源中具有经济开发价值的清洁能源，越来越受到人们的重视，尤其是沿海地区风力资源丰富。比如，近年来山东省鲁北地区、渤海湾南岸沿岸风资源已经被规模化开发利用。

在沿海滩涂地区，由于土层分布不均匀，土层承载力较低，尤其是厚层软土普遍存在，如果采用常规的挖除换填施工法，工程量大而且施工不方便。而风力发电机组对塔架倾斜十分敏感，对基础不均匀沉降要求特别高［1］。因此，采用天然地基或者复合地基难以满足要求。而桩基础能较好地适应各种地质条件及各种荷载工况，具有承载力大、稳定性好、沉降值小等特点，比较适合地处滩涂的风电场工程采用。风力发电机的桩型，按成桩工艺分为预制桩与灌注桩。通过对山东利津三期风力发电工程的优化设计，选出合理、经济的桩型与直径。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

利津三期风电场工程位于山东省东营市刁口乡北部一线防潮堤外侧的沿海滩涂地带，场址区域属冲积三角洲平原。风电场的单机容量为2.5MW，轮毂高为80m，叶片直径为100m，风机荷载较大（荷载工况见表1），地基基础设计级别为1级。

表1 2 500／100风力发电机组塔底荷载工况

1.2 地质条件

场址区域地形较平坦，地貌单一，场地土类型为中软场地土，根据岩土勘测报告，地表分布有第四系人工填土层（Q4ml）。

岩性为素填土、粉土、粉质粘土、淤泥质粘土、粉质粘土、粉土加粉砂等。

1）层素填土 稍湿，松散至稍密，由粉质粘土组成，厚为2.00～4.50m。

2）层粉土 湿，稍密至中密，厚为1.80～5.90m。粉质粘土：软塑，含粉粒较高、厚为0.90～6.60m。

3）层淤泥质粘土 流塑至软塑，含少许铁锈斑、粉性大、近粉质粘土，厚为0.80～3.40m。粉质粘土：软塑至可塑，厚为0.90～7.10m。

4）层粉土 稍密至中密，很湿，厚为1.00～9.10m。

5）层粉质粘土 软塑至可塑，厚为1.00～11.20m。

6）层粉土 中密至密实，很湿，厚为0.80～6.80m。

7）层粉质粘土 可塑，厚为0.30～7.80m。

8）层粉砂 密实，饱和，砂质较纯，含少许粘粒，厚为1.10～17.10m。粉土：中密至密实，很湿，厚为0.90～11.10m。

9）层粉质粘土 可塑，分布有多层粉土薄层，厚为0.30～8.00m。其中粉砂：密实，饱和，砂质较纯，厚为1.20～19.10m。粉土：中密至密实，很湿，含云母片、粘粒较高，厚为1.60～8.70m。

10）层粉砂 密实，饱和，砂质较纯，厚为1.50～8.10m。粉质粘土：黄褐色至灰褐色，可塑，含粉粒较高、分布有多层粉土薄层。

1.3 地质条件评估

由于风机轮毂离地高达80m，基础面积小，为高耸构筑物，所以风机的稳固是主要因素，加上受风力影响，为了防止风机倾斜，确保风机稳定可靠的运行，基础埋入土层深度有一定要求。

通过对岩土工程勘测资料分析，各机位岩土工程地质特点为：拟建场地上部第四系地层结构松散，工程土质较差，地基强度较低；由于其厚度较大，天然地基与复合地基均不能满足重要建（构）筑物对其强度、变形及抗拔的要求，而且场地内饱和粉土、砂土在地震基本烈度达7度时会产生液化现象，液化等级为轻微至中等，因此需要对地基进行处理。根据现场岩土条件，风机基础拟采用桩基础。

2 桩型分析［2］

目前风机基础可供选择的桩型，按成桩法可分为预制桩与灌注桩。常用的预制桩有钢筋混凝土预制方桩、高强度预应力混凝土管桩（PHC桩）等。现场制成桩有钻孔灌注桩、冲孔灌注桩、沉管灌注桩等。

桩型与成桩工艺，应根据荷载性质、桩的使用功能、穿越土层、桩端持力层、地下水位、施工设备、施工环境等，按安全使用、经济合理的原则选择。桩分布需满足桩间距最小要求，桩长需满足单桩竖向承载力要求，桩端持力层应选择低压缩性土层。桩基础的单桩竖向承载力及水平承载力特征值可按照《建筑桩基技术规范》JGJ94－94规定计算。

2.1 预制桩

2.1.1 预制桩的特点

1）桩的单位面积承载力较高，打桩工序简单，适用于工期较紧的工程，而且打桩数量越多越可减少成本。

2）桩的质量易于保证和检查；适用于水下施工；桩身砼的密度大，抗腐蚀性能强；施工工效高。

3）桩的配筋依据搬运、吊装和压入时的应力设计，超过正常工作荷载时的用钢量较大，接桩时还需增加相关费用。

4）桩被锤击或振动下沉时，震动和噪音较大，因挤土容易引起地面隆起，有时还会影响邻桩。

5）桩的长度一般为10m左右，长桩需接桩时，接头处形成薄弱环节，如不能确保全桩长的垂直度，则将降低桩的承载能力，甚至还会在打桩时出现断桩。

6）不易穿透较厚的坚硬地层，当坚硬地层下仍存在需穿过的软弱层时，则需辅以其他施工措施。

7）由于此桩工序简单，工效高，在桩数较多的前提下，可以抵消预制价格较高的缺点，节省基建投资。适用于工期比较紧的工程，因为已经在工厂进行了预制，大大缩短了工期。

2.1.2 预制桩的优化设计

常用的预应力高强混凝土管桩（PHC）按外径分为，0.3～0.8m，1m，1.2m等规格。为了得到最合理的桩基础方案，根据地勘资料，取3个勘探孔对不同桩径的预制桩进行比较计算，寻找不同桩径下桩基础造价的变化规律，计算结果如表2所示。

由表3可以看出，当单桩竖向承载力相近时，随着桩径的增大，桩径从0.4m增大到0.6m，费用缓慢下降；桩径从0.6m增大到1m，费用直线上升。说明，本工程采用直径为0.6m的预制桩最经济。

地勘报告显示，场地存在粉砂层，预制桩沉桩有一定困难，因此桩长应该控制在28m以内。综合以上分析，本工程选用外径为0.6m的PHC管桩，桩长为25～28m，每个承台下布置40根桩。

承台由上中下三部分组成，上部为一个圆柱，直径为6.5m，高为1.5m；中部为一个圆台，底直径为17.6m、高为1.2m；下部为一个圆柱体，直径为17.6m，高为1.3m。承台总高度为4.0m，埋深3.7m。

2.1.3 基础工程量

基础工程量估算：承台使用C40混凝土，每个基础为513m3；垫层使用C20混凝土（200mm），每层基础为50m3；使用混凝土管桩600AB 130－10，每个桩基础为1 100m3；每个基础使用钢筋65.5t。开挖方量每个基础为2 020m3；回填方量每个基础为1 457m3；工程造价每个基础为136.5万元。

2.2 灌注桩

2.2.1 灌注桩的特点

1）适用于不同土层，不宜用于水下桩基。

2）桩长可因地改变，没有接头。目前钻孔灌注桩的直径已达2.0m，有的桩长达88m。

3）承受轴向压力时只需配置少量构造钢筋，需配制钢筋笼时按工作荷载要求布置，需配置少量构造钢筋，比预制桩经济。

4）采用大直径钻孔和挖孔灌注桩时，单桩承载力大。

5）桩身直径较大，孔底沉积物不易清除，桩身质量不易控制，容易出现断桩、缩颈、露筋和夹泥现象。

2.2.2 灌注桩基础优化设计

一般的钻孔灌注桩桩径分为，0.4～0.8m，1m，1.2m，1.3m等规格。为了得到最合理的桩基础方案，根据地勘资料，取3个勘探孔对不同桩径的灌注桩进行比较计算，寻找不同桩径下桩基础造价的变化规律。计算结果如表3所示。

表3 灌注桩桩径比较

由表3比较可以看出，在单桩竖向承载力相近时，随着桩径的增大，费用缓慢上升，说明桩径较小的方案有助于减少投资。但是直径为0.6m的桩长超过45m时施工较难控制。综合以上分析，本工程选用直径0.8m的桩，桩长35m，每个承台下布置24根桩。

承台由上、下两部分组成。上部的上底直径为5m，下底直径为16m，高为1.3m的圆台；下部的直径为16m，高为1.3m的圆柱体。承台总高度为2.6m，埋深2.6m。灌注桩采用C40混凝土。

2.2.3 基础工程量

基础工程量估算：承台使用C40混凝土，每个基础为385m3；垫层使用C20混凝土（200mm），每层基础为42m3；桩使用C40混凝土，每个桩基础为422.4m3；每个基础使用钢筋113t。开挖方量每个基础为1 100m3；回填方量每个基础为673m3；工程造价每个基础为139.5万元。

2.3 方案比选

通过预制桩与灌注桩的工程造价比较，单个风机预制桩基础比灌注桩基础造价低2.2%；此外，根据两种桩基础的特点，该工程所在区域地下水中氯离子及硫酸根离子含量较高，灌注桩水下成桩质量不易控制，施工工期稍长，为防止海水中的氯离子侵蚀，泥浆护壁需消耗大量淡水，施工用水难以解决。

预制PHC桩（预应力高强混凝土管桩）成本低，耐腐蚀性好，施工进度快、技术比较成熟。综上，本工程采用预应力高强混凝土管桩基础，如图1所示。

图1 风机基础

3 施工控制要点

预制桩在施工前要试打桩，并采用高应变法对试打桩进行全程监测。先采用机位中间部位的桩进行试打桩，数量不应少于3根，相关施工参数确定后，再进行该机位其他桩的施工。工程桩的静载和高低应变检测基桩的选择，应根据随机、均匀和具有代表性的原则进行，缺陷桩检测不包括在检测比例内。

沉桩过程中要仔细观测桩身的垂直度，超过1%时要找出原因并设法纠正；当桩尖进入较硬土层后，严禁用移动桩机强行回扳的方法纠偏。沉桩过程中，出现进尺反常、桩身倾斜、位移、桩身或桩顶破损等异常时停止沉桩，在查明原因进行必要的处理后方可继续施工。

在沉桩过程中要认真记录桩入土深度和捶击数，以判断桩身质量及承载力。当捶击数突然上升或下降时，要停机对照地质资料进行分析，判断是否遇到障碍物或产生断桩现象等。

4 结语

在设计前及设计过程中要深入现场，进行详细的地质勘探，在准确掌握地基土质情况后，再进行设计与定案。基础处理方案要经过多方案的比选，一方面是由于基础处理费用所占整个土建工程造价的百分比很大；另一方面，基础处理方案的合理与否对工程的建设进度影响很大。经过以上分析，对本工程得出如下结论。

1）滩涂地区土层分布不均匀，土层承载力较低，风机基础应选用桩基础。

2）同类型桩基础桩直径对桩基础造价有直接影响，应根据具体工程合理选用。

3）预制桩基础与灌注桩基础相比，具有成本低、耐腐蚀、施工进度快、技术成熟等优点。

［1］周金海.复杂地质条件下风机塔筒基础设计［J］.上海电力，2007（4）：389－392.

［2］陈大伟，许立国，范仲桐.高强预应力混凝土（PHC）管桩在吉林长岭王子风电场风机基础中的应用［J］.建筑与工程，2011（3）：316－317.