张北县某风电工程桩基础与减沉疏布CFG桩复合地基基础方案比选

2018-09-17李院兵郭何曲陈志林

资源环境与工程 2018年3期

关键词：单桩桩基础灌注桩

李院兵, 郭何曲, 陈志林

(武汉联动设计股份有限公司,湖北武汉 430070)

张北县某风电工程位于安固里河岸边,属于安固里河一级阶地,地形开阔、平缓,地面标高1 360～1 375 m,总体南高北低,自然坡度1°～3°。

该工程采用单机容量为2.5MW的风电机组,风机轮毂高度90 m,叶轮直径121 m,上部塔筒传至基础顶面荷载如表1。

表1 风机上部塔筒传至风机基础顶面荷载Table 1 Top load of the transmition of upper tower cylinder of thefan to the fan base

本工程地基基础设计级别为一级,基础结构安全等级为一级,抗震设防标准为丙类,地基允许沉降值为150 mm、允许倾斜率(tanθ)为0.004。

1 工程地质条件

该地区抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第二组。

本场地最大冻深2.50 m,标准冻深2.10 m,地下水位1.80～2.93 m。

场区岩土结构特征为:上部地层为第四系全新统冲、洪积粉质粘土、粉土、中粗砂和圆砾土,下部为古近系渐新统玄武岩和太古界黄土窑组花岗片麻岩,下伏基岩埋深变化较大,最小值5.1 m,最大值26.8 m。本区域总体上属于冲洪积平原,且处于河道一侧,历史上的河道变迁频繁,导致地层分布的不连续性,土层多呈楔形、透镜体分布,总体而言为不均匀地基,但各个风机相对独立,对每台风机而言,可视为均匀地基,岩土层的主要特征、岩土设计参数如表2。

2 天然地基验算

采用锥形基础,底面直径20 m,基础埋深3.4 m,基础自重G1=10 746 kN,基础上覆土重G2=8 583 kN。按极端荷载工况计算得到基底平均压力Pk=99 kPa,基底最大压力Pkmax=223 kPa。以F02号风机为例,进行天然地基验算,计算简图如图1。

2.1 地基承载力计算[1]

地基承载力修正按式(1):

fa=fak+ηbγ(bs-3)+ηdγm(hm-0.5)

(1)

式中:bs为基础底面力矩作用方向受压宽度;hm为基础埋置深度。

经计算得fa=246 kPa,1.2fa=295 kPa。

推出Pk

2.2 地基变形计算[2]

地基沉降计算按式(2):

(2)

式中:P0为荷载效应标准组合下,扩展基础底面处的附加应力,根据基底实际受压面积计算。

表2 岩土层分布特征及岩土设计参数Table 2 The distribution characteristics of rock and soil layer and the design parameters of rock and soil

沉降计算至强风化层顶面,分层厚度1 m,计算深度范围内压缩模量的当量值为7.0 MPa,沉降计算经验系数为0.7。

按均布荷载计算时,最大沉降量为41 mm;按三角形分布荷载计算,最大和最小沉降量分别为93.1 mm和-12.5 mm,基础倾斜率为0.005 3。

图1 地基计算简图Fig.1 Computing model of foundation

计算结果表明:天然地基承载力满足要求,但地基不均匀沉降超标(tanθ允许值为0.004)。根据岩土条件,以钻孔灌注桩基础与减沉疏布CFG桩[2]复合地基基础进行方案比选(仍以F02为例)。

3 桩基础设计

选用钻孔灌注桩,桩径d为800 m,桩周长u为2.512 m,桩底面积Ap为0.502 4 m2,自地面以下3.0 m起算的有效桩长lp为17.3 m,桩端进入(5-3)号中风化岩层0.8 m。

3.1 单桩承载力估算

单桩极限承载力标准值(Quk)按式(3)[3]估算,相关参数如图1。

Quk=Qsk+Qpk=uΣqsikli+qpkAp

(3)

式中:qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值(kPa);qpk为桩的极限端阻力标准值(kPa);li为桩周第i层土计算厚度(m)。

经计算得Quk=4 711 kN,则单桩竖向承接力特征值Ra=2 355.5 kN(安全系数k=2)。

3.2 桩身设计

采用C35混凝土,单桩混凝土净量约7.79 m3,主筋采用14φ20,通长配置;加劲箍采用φ18@2000,螺旋箍筋采用φ8@200,单桩钢筋消耗量约15.5 t。

3.3 桩位布置及承台设计

采用锥形承台如图2,基础底标高-2.85 m,底面直径D为17 m,顶面台柱标高0.10 m,台柱直径7 m,混凝土强度等级C35,混凝土总体积约400 m3,钢筋用量约32.5 t。承台下共布桩18根,采用两圈布桩,外圈半径7.5 m,共布置15根桩,内圈半径4 m,布置3根。

计算极端荷载工况下单桩竖向最大轴向力为2 635.2 kN,<1.2Ra,满足要求。

4 减沉疏布CFG桩复合地基基础设计

为减少地基沉降差,对圆砾层以上各土层设置竖向增加体(CFG桩),采用长螺旋钻与管内泵压混合料灌住成桩工艺。

图2 桩基承台设计图Fig.2 Design chart of pile cap

桩顶铺设0.3 m褥垫层,垫层材料可采用中砂、粗砂或碎石,最大粒径不宜>20 mm,为充分发挥桩间土的承载能力,桩顶宜与垫层底平齐或略低。

4.1 桩身及单桩竖向承载力特征值确定[4-5]

采用桩径d为350 mm,u为1.099 m,Ap为0.096 m2,桩顶起算深度自-3.7 m,有效桩长lp为10.6 m,长径比lp/d=30<40,按等边三角形布置,桩距s为1.8 m,按式(4)估算单桩承载力特征值。

(4)

式中:αp取1.0,经计算Ra=484 kN。

桩身强度按式(5)计算:

(5)

式中:λ取0.8,经计算fcu≥16 MPa。

4.2 复合地基承载力计算[6]

复合地基承载力按式(6)计算:

(6)

式中:λ取0.8,β取0.9,fsk取150 kPa。

经计算,fspk=279 kPa。

4.3 复合地基变形计算

复合土层的压缩模量按下式计算:

Esp=ζ·Es

(7)

ζ=fspk/fak

(8)

经计算,ζ=1.86,各土层复合模量如表3。

按式(2)计算tanθ=0.003 6< 0.004。

4.4 扩展基础设计

采用锥形基础,基础形式如图3,基础底面标高-3.40 m,底面直径20 m,顶面台柱标高0.100 m,直径7 m,混凝土强度等级C35,混凝土总体积约607 m3,钢筋用量约44.3 t。

表3 土层复合模量表Table 3 Soil composite modulus table

图3 扩展基础设计图Fig.3 Design chart of extension

5 方案比较

5.1 桩基础与CFG桩复合地基基础技术性比较

风力发电机组主要由塔筒、机舱和叶轮组成,属高耸结构,承受360°方向重复荷载,风机基础所受到的弯矩作用方向反复变化,使风机基底受到反复的拉压作用,长期处于偏心荷载作用,对地基基础的稳定性要求较高。为了满足基础承受大倾覆弯矩的工况,无论是桩—承台基础还是扩展基础,倾覆弯矩是基础设计的控制条件,基础尺寸和重量均较大,通常按大块体结构设计。

钢筋混凝土桩由钢筋和混凝土组成,而CFG桩由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水粘结形成,两者的受力特性有着显著差异。钢筋混凝土桩能够承受较大压力、拉力、剪力、弯矩,而CFG桩主要承受压力,抗剪、抗拉、承受弯矩能力均较小。因此,桩—承台与CFG桩—褥垫层—扩展基础比较,除在传递竖向压应力方面有相似之处外,在承受拉力、剪力、弯矩上,两者作用机理也有着显著差异,具体比较如表4。

钻孔灌注桩基础荷载传递路径明确、变形小、技术可靠,无论是设计理论还是施工技术都比CFG桩复合地基成熟。而CFG桩理论上并不完善,如褥垫层厚度设计,当厚度较大时,桩间土分担的荷载增加,基础沉降量增大;当厚度较小时,桩体分担的荷载增加,桩土应力比难以确定,特别是复合地基沉降计算理论,实测资料少,计算理论不成熟。