挤扩支盘灌注桩在风电项目中的应用

2014-02-23刘磊

风能 2014年9期

文 | 刘磊

挤扩支盘灌注桩在风电项目中的应用

文 | 刘磊

我国的风力发电项目大规模开发与投产始于2006年初，距今已有8年有余，项目业主（包括五大发电集团等）从最初 “追量”到如今“追质”，其开发投资已经逐渐趋于理性，在追求项目经济性的同时，也不断注重技术创新，本文即介绍一种相对新型的桩基型式，并且在项目应用中，确已产生了一定的经济效益。

挤扩支盘灌注桩综述以及其适用条件

挤扩支盘灌注桩（见图1）是采用挤扩工艺在钻孔侧面不同部位形成若干个分支和承力盘的钢筋混凝土灌注桩。分支是为了提高灌注桩支承力而在桩上设置的柱状体，其形成过程是：在桩孔中用专用设备向外挤扩一次形成一组对称的分支腔，再将设备转动90°，向外挤扩形成另外一组对称的分支腔，两组分支腔构成十字形分支腔。承力盘是为了提高灌注桩的支承力而在桩上设置的盘状体，其形成过程是：通过支盘机的转动连续挤扩形成承力盘腔，灌注混凝土后，在桩上形成承力盘。支盘机在土体中挤扩时，机附液压表显示有油缸的压力值，便于复核各分支以及承力盘所在土层的土体物理力学性质，对于现场施工，具较强的实际可操作性。

图1 挤扩支盘灌注桩示意图

支盘桩适用范围比较广泛，但是对于支盘所在的土层有比较严格的限制条件，如：

（1）可塑至硬塑的黏性土，黏性土的液性指数IL范围为0－0.75，即对黏性土的实际含水量有严格的要求，黏性土含水量太大，不宜设置支盘；在黏性土设置支盘，对其塑性指数Ip也有相关的要求（黏性土（粉质粘土、黏性土）Ip＞10）。经过研究表明，黏性土的许多力学性质和变形参数均与其塑性指数有密切关系。对于变形参数（根据同济大学地下建筑与工程系研究成果）可知：不同塑性指数的饱和软粘土，其压缩指数Cc和回填指数Cs与塑性指数Ip有较好的线性关系，且都随着Ip增大而增大。故塑性指数过大，对于支盘四周土体受压后的反弹产生不利的影响，故对于此土层是否适合设置支盘，需试验论证。

（2）中密至密实的粉土（砂土），其相对密度Dr范围为0.33－1；其孔隙比e范围大致为0.6－0.85；对于标贯N，水下设置支盘时宜为15－50，N大于50时，土质偏硬，挤扩机对于现有土层的挤扩效果较差。

（3）卵砾石层（全风化岩、强风化软质岩）。理论上可以设置支盘，实际设计与施工中，不推荐使用支盘桩。

（4）对于各种地质土层，设置支盘时，土体的压缩模量不应小于6MPa。

（5）对于设置支盘的土层，土层厚度宜大于2D（以桩干直径为d0.8m的灌注桩为例，承力盘直径为D1.6m，故设置支盘的土层厚度不小于3.2m）。

实际案例比较以及挤扩支盘灌注桩计算要点

山东河口风电场位于山东省东营市河口经济开发区以北，本次河口五、六期施工图设计考虑因素如下：

一、地勘资料，以某一钻孔为例：

（1）填土，顶标高3.60m，底标高2.40m，层厚1.20m，

（2）粉土夹粘性土，顶标高2.40m，底标高－2.00m，层厚4.40m，qsik=15kpa，qpk=0kpa；

（3）1淤泥质粘土，顶标高－2.00m，底标高－6.20m，层厚4.20m，qsik=15kpa，qpk=0kpa；

（4）2粉质粘土，顶标高－6.20m，底标高－13.50m，层厚7.30m，qsik=35kpa，qpk=250kpa；

（5）1粉砂，顶标高－13.50m，底标高－31.70m，层厚18.20m，qsik=75kpa，qpk=1500kpa；

（6）粉质粘土，顶标高－31.70m，底标高－42.55m，层厚10.85m，qsik=65kpa，qpk=1000kpa；

（7）粉砂夹粉土，顶标高－42.55m，底标高－56.70m，层厚14.15m，qsik=70kpa，qpk=1100kpa。

二、支盘桩计算

通过地勘资料可以得出，（5）1粉砂层，层厚，承载力高，适合做支盘持力层，故在（5）1层中设置两个支盘，单个支盘的D取1.6m，h取0.8m。

计算时，取（5）1粉砂的qpk=1100kpa，对于支盘桩，支盘处的承载力受此处土层的qpk影响较大，而根据经验，对于同一地区的不同勘察报告而言，其qsik大致相同，但qpk有时候相差很大，故会造成承载力计算结果相距甚远，故此处（5）1粉砂的qpk不采用1500kpa（地勘报告数据），实际计算时，应采取地勘资料和表1（参照《浙江省标准挤扩支盘桩混凝土灌注桩技术规程》）相结合的方法，确定某一土层的qpk。

根据相关计算方法，支盘桩计算结果为：在（5）1粉砂设置两个支盘，桩顶标高为1.60m，桩长为21m，计算出的挤扩支盘灌注桩承载力标准值为2789KN，满足风电机组桩基础承载力要求，且桩基础沉降也满足要求。

三、灌注桩（后压浆）计算

采用后压浆新工艺进行相关设计与施工时，计算可得，桩顶标高为1.60m，桩长为27m，计算出的挤扩支盘灌注桩承载力标准值为2740KN，满足风电机组桩基础承载力要求，且桩基础沉降也满足要求。

四、普通灌注桩计算

采用普通灌注桩进行相关设计与施工时，计算可得，桩顶标高为1.60m，桩长为30m，计算出的挤扩支盘灌注桩承载力标准值为2717KN，满足风电机组桩基础承载力要求，且桩基础沉降也满足要求。

表1 支盘桩桩端土承载力特征值 qpa参照表

表2 工程经济性比较表

工程投资经济性比较

工程经济性比较如表2。

由表2可知，对于单根桩，支盘桩比普通灌注桩节省投资近2400元，据此推算，河口五期、六期总节约投资254万左右。以上典型地勘资料，根据风电机组承载能力的要求，只设置两个支盘即可满足要求，若某土层可以设置三个支盘，则节约投资的效果会更加显著。

挤扩支盘灌注桩施工注意点

由于详勘资料对于实际地质情况的反应，仍具有局限性，特别在地质冲积为主要形成特征的滩涂区域，各土层深度方向分界线并非完全水平向，施工图设计时，某几个支盘的上下标高根据典型地勘资料已经确定，而实际施工时，如完全按照图纸施工，支盘可能处于非持力土层，故此时要用支盘机械的“首次挤扩压力参考值”加以控制，如表3。

挤扩支盘桩施工时，如首次挤扩压力值和典型土层参考值相差较大，此时应立即对支盘位置结合地质分层表加以调整，以免对桩基承载力产生不利影响。如支盘持力层厚度有限，且下方临近土层竖向承载力有所降低，则上盘宜尽量靠上布置，上盘的顶标高可与持力层的顶部齐平。如持力层厚度较大，则上盘顶标高宜尽量低于持力层顶部，整个支盘位于持力层中部，有利于支盘承载力的充分发挥。