振冲碎石桩在风机基础砂土地基中的设计及应用

崔振磊,李建党,田伟辉

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安　710065)



振冲碎石桩在风机基础砂土地基中的设计及应用

崔振磊,李建党,田伟辉

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安710065)

摘要：针对风机基础设计过程中砂土天然地基承载力不足的问题，某风电场工程选择了振冲碎石桩加固地基设计方案,采用了振冲碎石桩处理砂土地基，并通过对复合地基原位试验检测成果的分析，论证了采用振冲碎石桩能够有效提高地基承载力。

关键词：振冲碎石桩;砂土地基;风机基础

1工程概况及工程地质条件

某风电场工程场址位于青海省，地貌类型为荒漠戈壁滩，场址地势平缓、开阔，高程2 820.00～2 890.00 m。场址区地层主要由第四系上更新统松散堆积物组成，其中：第①层含砾粉细砂层结构呈松散～中密状态，力学强度较低，经处理后可作为建筑物基础持力层；第②层角砾层和第③层砾砂层，分布不连续，呈中密～密实状态，力学强度较高，是良好的基础持力层和下卧层；第④层粉细砂层分布不连续，结构呈中密状态，力学强度一般，经处理后可作为基础持力层。地基岩土体物理力学参数建议值,见表1。

由于风力作用,风机叶片受到较大的水平力，并通过塔筒传递至风机基础,使风机基础不仅承受了风机自重，还承受了较大的水平力和倾覆弯矩，因此对地基承载力的要求较高。通过对基础地基计算可知，风机基础在极端荷载工况下平均地基压力为89 kPa，最大地基压力为189 kPa，由表1可知第①层含砾粉细砂天然承载力不能满足地基承载力要求，需要对粉细砂层进行地基处理。

针对本风场中持力层为粉细砂的特点，本风电场选择了振冲碎石桩基础，一方面依靠振冲器的强力振动能够使砂颗粒重新排列，减小砂土的孔隙率；另一方面施工工程中利用振冲器在砂土中成孔，填入碎石料使砂层挤密，提高地基承载力[1-14]。这种方法施工简单方便、施工周期短，加密效果好。

表1　地基岩土体物理力学参数建议值表

2振冲碎石桩加固地基设计

根据《建筑地基处理技术规范》[15]中的要求，本工程在基础外围布置扩大1～2排桩。根据施工设备性能，振冲碎石桩直径选用0.8 m，平面布置间距为2.0 m，呈等边三角形布置(见图1)。由于本风电场粉细砂层以下为角砾层，角砾层承载力较高且埋深不大，桩长按照桩端进入角砾层确定，根据地质报告本工程取5 m。

图1　碎石桩等边三角形布置图　　单位：mm

图2　复合地基在不同荷载下的沉降图

(1)

(2)

式中:fspk为振冲桩复合地基承载力特征值，kPa;fpk为桩体承载力特征值，kPa;fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa；m为桩土面积置换率；d为桩平均直径，本次工程取0.8 m。de为单根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，对于等边三角形布桩de=1.05s，其中s为桩间距，本次工程桩间距取2 m。

对于碎石桩的单桩承载力的计算方法目前有Hughes和Wither(1974)、Wong H.Y(1975)、Braus(1978)、Broms(1979)、Vesic扩张理论等[3]。这里采用计算较为简单Braus法。

(3)

式中:fpk为单桩桩体承载力特征值；K为安全系数，本次计算取2；Cu为地基土的快剪强度；

经初步计算,复合地基承载力特征值fspk=200 kPa，复合地基满足风机基础对地基承载力的要求。

3加固效果及评价

3.1质量检测方法

为了判别地基处理工程中振冲碎石桩的处理效果，需要进行质量检测，常用的检测方法主要有荷载试验和动力触探。通过试验不仅可以检测出碎石桩的密实度是否满足要求，而且还能验证加密后的复合地基是否满足风机基础荷载对地基的要求。

3.2质量检测

根据《建筑地基处理技术规范》[15]对于复合地基静载荷试验检验数量的要求，本风电场选取了5台需要处理的风机基础，每台风机基础选取3点进行复合地基静载荷试验。

本文以11号风机为例介绍检测效果，在加载工程中若达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍(即400 kPa)时，终止试验。在复合地基静载荷加载中，每级荷载沉降量和稳定时间较小，承压板周边的土没有明显侧向挤出等现象；根据桩间土在不同荷载下的沉降曲线(p-s曲线见图2)综合分析，曲线呈缓变型，未出现明显陡降段(拐点)，比例界限点不明显。依据JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》附录B有关规定，各试验点按相对变形值s/d=0.01确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的1/2，则3个试验点地基承载力特征值均取200 kPa，极差为零，取其平均值为地基承载力特征值，该风电场工程11号风机基础(振冲碎石桩)复合地基承载力特征值fak=200 kPa，变形模量E0=15.86 MPa。复合地基各试验点载荷试验表见表2。

表2　复合地基各试验点载荷试验表

3.3效果评价

从检测结果可以看出，碎石桩较为密实，当风机基础持力层为砂土时采用振冲碎石桩加固效果明显，满足风机荷载对地基承载力的要求。

3.4经济评价

根据本项目的工程特点，对松散砂土地基采用不同的地基处理方案进行了经济比较，若采用换填法则用于基础处理的投资约26万元，若采用灌注桩法则用于基础处理的投资约20万元，而采取振冲碎石桩则用于基础处理只需要7万元，通过该工程实例表明在松散砂土地基中采用振冲碎石桩大大节约了基础的工程投资，提高了工程的经济效益。

4结语

综合以上分析，应用振冲碎石桩处理风机基础砂土地基既能达到良好的处理效果，又能减少基础工程投资，提高经济效益。因此，该项技术具有广阔的应用前景，值得推介。

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Design and Application of Vibro-macadam Pile for WTG Foundation of Sandy Soil Ground

CUI Zhenlei, LI Jiandang, TIAN Weihui

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065，China)

Abstract:Concerning the insufficient bearing capacity of the natural sandy soil ground in WTG foundation design, the vibro-macadam pile is applied for the foundation reinforcement in one wind farm project design. The sandy soil ground is treated by the vibro-macadam pile. Based on analysis on inspection of the in-situ test of the compound ground, the vibro-macadam pile effectively improving the ground bearing capacity is demonstrated.

Key words:vibro-macadam pile; sandy soil ground; WTG foundation

中图分类号：TV553；TM614

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.015

作者简介：崔振磊(1985- ),男,河南省新乡市人，工程师，主要从事风力发电基础设计研究工作.

收稿日期：2015-07-02

文章编号：1006—2610(2016)01—0057—03