乌克兰风电项目桩基设计承载力分析

中国电力技术装备有限公司 张江宏

佐菲亚风电项目位于乌克兰扎波罗热州，计划装机总容量787.5兆瓦，共计安装175台风机涡轮发电机组，设计标准采用欧洲标准和乌克兰国家标准，业主聘请法国咨询公司CTE作为设计监理负责设计图纸审批工作。

场址区为近亚速海平原地区，地势较为平坦，址区主要勘探深度范围内揭露出的地基土层根据区域不同主要有两大类，a类从上至下主要为近代含腐殖物的黑土层、第四纪粉粘质黄壤土层、硬塑性砂质壤土层、较深处新近纪层相间有细砂层，b类从上至下主要近代含腐殖物的黑土层、第四纪的粉或砂粘质黄壤土层、硬塑性砂质壤土层和水饱和细砂层、较深为新近纪的粉质黏土层，两个区域内各风机点位处分布厚度及深度略有差异，但是地质类型大体一致，矿物质类型为钠镁硫酸盐及氯离子。根据地质条件和附近类似风电工程的经验，两个区域基础设计分别拟采用长螺旋钻孔灌注桩（CFA）和全护筒钻孔灌注桩，桩基承载力均通过静载试验确定。

试桩方案设计

试桩目的。确定单桩承载力特征值，确定有效桩长和桩身配筋长度；确定成桩工艺和成桩设备的可行性以及施工参数。

根据厂家提资基础荷载、地勘报告以及以往工程经验，选定在a类区域具有典型地质条件的WTG B25风机桩号上进行试桩，试桩类型为长螺旋钻孔灌注桩（CFA），共需施工试桩7根，桩径为0.82米，有效桩长为16米和20米，配筋长度均为16米，采用抗硫酸盐混凝土，强度为C30/35。出于对工期和成本的综合考虑，静载试验采用锚桩法，根据附近类似工程实施的经验和设计论证，做抗压静载试验时采用工程桩（桩号为No.11和No.12）做为锚桩。分别在No.13，No.14和No.17试验桩上完成竖向抗压、水平和竖向抗拔静载试验后，因未获得极限抗压承载力特征值，法国咨询公司CTE坚持要求做抗压静载破坏验证，经论证沟通，后选取No.15桩加载至破坏。

表1 试桩统计

试桩施工和试验全过程应由业主和设计监理见证，全部试桩均应按要求留置混凝土试块，成桩工艺和质量控制应与工程桩一致。试桩前全部桩基应进行低应变法或声波透射法检测桩身完整性，静载试验应在最后浇筑完成的一根桩混凝土龄期达21天后进行。工程桩作为锚桩时应监测工程桩的上拔量。

静载试验时通过连接在锚桩上的反力梁装置提供反力，用液压千斤顶直接作用在试验桩进行逐步加载。加载应逐级进行、每级加载时间不应小于1小时，卸载也应逐级进行、每级时间不小于25分钟，其中竖向抗压和抗拔静载加载每级50t、分别加载至750t和450t，水平静载加载每级6t、加载至72t。竖向抗压静载试验沉降量应不大于80mm（根据欧洲桩检测标准，最大沉降量为桩直径的0.1），竖向抗拔和水平静载试验位移量应不大于40mm，如桩身破坏、桩侧土体破坏或沉降（位移）速率陡变等时也应终止加载。其中No.15桩抗压静载每级加载120t，直至试桩破坏。

试验结果及桩设计承载力的校核

根据加载试验记录整理数据，各各试桩试验类型、有效桩长、最大加载、沉降（位移）及结果分别为：No.13：抗压静载/20m/750t/8mm/未破坏；No.17：抗拔静载/16m/400t/9mm/未破坏；No.14：水平静载/20m/80t/25mm/未破坏；No.15：抗压静载/16m/630t/45mm，进一步加载沉降急剧增大/土体破坏。同时分别绘制Q~S及S~t曲线，U~Δ及Δ~t曲线和H~Y0及Y0~t曲线。

其中No.15（有效桩长16米）在竖向抗压静载试验中加载到630t时土体破坏失效，为了获得No.13（有效桩长20米）的极限抗压承载力特征值以便设计对比，根据No.15桩加载试验结果呈现的曲线特征，对No.13的抗压静载Q~S曲线进行拟合。从图5可看出，在各级荷载作用下不同桩长的沉降曲线反映出了摩擦型桩的特点，逐步加载后桩下部的桩侧阻力才发挥出来，桩长20米的桩能够承受比桩长16米的桩更高的荷载，极限抗压承载力特征值约为850t。

综合上述试验结果和静载曲线图，基于试验桩数的局部安全系数ξ进行较为保守的评价，得到的单桩承载力特征值，其中有效桩长20m的竖向抗压修正值6071kN、水平修正值514kN；有效桩长16m竖向抗拔修正值2857kN、竖向抗压修正值4500kN。其中桩基设计受抗压承载力控制，在竖向抗拔和水平承载力静载试验中承载力远超设计值，变形量很小，试验未进行破坏性验证，均采用保守值。

根据上部荷载，风机基础采用桩筏基础模型建模，每个基础含14根有效桩长为20米的长螺旋灌注桩（CFA），桩配筋长度为16米（参数如试桩No.13），用有限元软件校核不同工况组合下单桩荷载效应最大设计值。根据Eurocode7和IEC61400-1规范中规定的桩基承载力计算原则，同时运用设计方法1（DA1，C1和DA2，C2）和设计方法2（DA2）的分项系数计算组合效应，并考虑相对应的桩抗力分项系数（R1和R4）分别校核桩基承载力，取受控组合汇总如表2。经计算桩在设计拉力荷载作用下的应变分析，在桩长9米左右处桩侧摩阻力抵消设计拉力。

表2 单桩设计承载力校核

结论

在本设计的桩筏基础模型中采用20米有效桩长的长螺旋钻孔灌注桩，不全长配筋，配筋长度为16米，满足设计要求。与传统的桩基相比，长螺旋钻孔压灌注桩（CFA）具有施工简洁、无泥浆污染、噪声小、施工效率高、承载力较高、不受地下水影响、成桩质量稳定等优点，在国外平原地带的风能项目中应用非常普遍。相比国内的勘测设计单位，国外尤其欧洲的设计单位积累了很多CFA设计经验，其设计理念值得借鉴和学习。

不同于中国规范关于桩基设计中采用较为保守的安全系数法，欧洲标准作为当前较新的设计标准采用分项系数法，分项系数可选择多个路径，并可根据试桩情况调整分析系数的数值，设计方法先进。欧洲各国对设计路径和分项系数的选择有各自的规定和习惯，尤其值得国际总承包设计和管理人员注意，不仅应熟悉欧洲规范中的设计理念，且应结合所在国及业主第三方设计监理的设计习惯开展工作，才能做到安全经济的统一，确保项目效益。