濕陷性黃土地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)單樁靜載浸水試驗(yàn)探討

劉 艷

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 甘肅 蘭州 730000)

近年來(lái)，隨著甘肅河西地區(qū)風(fēng)電外送壓力的增大，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)逐漸向風(fēng)資源及接入條件較好的中東部地區(qū)轉(zhuǎn)移，該地區(qū)也是濕陷性黃土的分布區(qū)域。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具有承受360°方向重復(fù)荷載和大偏心受力的特殊性，從而對(duì)地基的穩(wěn)定性、沉降變形提出了更高的要求。由于樁基礎(chǔ)在消除濕陷性方面安全性更高，施工質(zhì)量容易控制，經(jīng)濟(jì)可靠，因此在濕陷性黃土地區(qū)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)多采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，樁基豎向承載力的確定至關(guān)重要，目前樁基承載力確定較為可靠的方法就是單樁豎向承載力靜載浸水試驗(yàn)。

黃雪峰等[1]結(jié)合寧夏揚(yáng)黃灌溉泵站基礎(chǔ)工程，進(jìn)行了樁周樁端土體均浸水飽和狀態(tài)下的樁基靜載試驗(yàn)研究。張立英等[2]以陜北濕陷性黃土地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鉆孔灌注樁靜載浸水試驗(yàn)為例，進(jìn)行了連續(xù)浸水15 d，滲透深度7 m～8 m(約為濕陷土層厚度一半)狀態(tài)下的樁基承載力試驗(yàn)研究。以上兩種浸水狀態(tài)在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)行過(guò)程中均不會(huì)發(fā)生，若用以上研究成果指導(dǎo)設(shè)計(jì)，將會(huì)偏于保守。本文以甘肅某風(fēng)電場(chǎng)工程為實(shí)例，進(jìn)行不同浸水狀態(tài)下單樁豎向承載力靜載浸水試驗(yàn)研究，考慮地基受水浸濕可能性的大小，尋求更加符合風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方案，以便更好的檢驗(yàn)和指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

1 工程地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)概況

1.1 工程概況及地質(zhì)條件

甘肅某風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量200 MW，安裝100臺(tái)單機(jī)容量為2.0 MW的風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電機(jī)組呈帶狀零星分布在黃土梁峁頂部。場(chǎng)址區(qū)黃土層厚度大于40 m，濕陷土層厚度10 m～22 m。場(chǎng)地屬自重濕陷性場(chǎng)地，濕陷等級(jí)Ⅳ級(jí)(很?chē)?yán)重)。地層自上而下分別為：①第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層馬蘭黃土，厚度4 m～20 m，平均厚15 m，結(jié)構(gòu)稍密，有大孔隙，具有中等—強(qiáng)濕陷性；② 第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)壤土，厚度2 m～40 m，結(jié)構(gòu)中密，具有輕微—中等濕陷性；③ 第四系中更新統(tǒng)離石黃土，埋深大于40 m，土質(zhì)密實(shí)，無(wú)濕陷性，低壓縮性；④ 白堊系砂巖、砂礫巖夾砂質(zhì)泥巖，埋深22 m～30 m，表層強(qiáng)風(fēng)化。場(chǎng)址區(qū)地下水埋深大于40 m。

1.2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)概況

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用擴(kuò)底灌注樁[3]，樁端持力層位于非濕陷的粉質(zhì)壤土或砂巖、砂質(zhì)泥巖中?；A(chǔ)設(shè)計(jì)采用防排水兼顧的原則，基礎(chǔ)表層設(shè)置散水進(jìn)行防水，同時(shí)機(jī)位選址時(shí)選取地勢(shì)較高的地方以利于排水。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展平臺(tái)加鉆孔灌注樁的方案[4]。樁基承臺(tái)為臺(tái)柱體，采用C35混凝土，底部圓柱直徑18 m，高1.0 m，頂部圓柱直徑7.0 m，高1.2 m，中間用圓臺(tái)過(guò)渡，圓臺(tái)高1.5 m，樁基承臺(tái)埋深3.5 m。承臺(tái)底部布置20根C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑0.8 m，樁底采用機(jī)械擴(kuò)底至1.7 m，擴(kuò)底高度1.8 m。樁長(zhǎng)根據(jù)濕陷性土層厚度不同而變化，約為20 m～30 m。

單樁設(shè)計(jì)承載力為2 500 kN， 試樁機(jī)位樁基承臺(tái)中心點(diǎn)布置1根試樁，第1圈布置4根錨樁(錨樁兼做工程樁)，到承臺(tái)中心的距離為3.5 m，第2圈布置16根工程樁，到承臺(tái)中心的距離為7.5 m?；A(chǔ)頂面設(shè)置0.1 m厚的C15混凝土散水，散水處理范圍超出基底邊緣1.0 m。

2 原試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[5](GB 50025—2004)，單樁豎向承載力特征值應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)單樁豎向承載力靜載荷浸水試驗(yàn)測(cè)定。

2.1 大浸水狀態(tài)試驗(yàn)(方案1)

待試樁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，在試樁樁基周?chē)O(shè)置5 m×5 m的滲水坑，深度0.5 m，坑底鋪150 mm的砂石；沿樁周1 m均布4個(gè)直徑120 mm的滲水孔，深度與灌注樁等長(zhǎng)，砂礫石灌填，滲水孔布置見(jiàn)圖1。連續(xù)浸水10 d，在浸水期間坑內(nèi)水頭高度不小于0.3 m。當(dāng)樁身周?chē)蜆兜锥顺至觾?nèi)的土均達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，在繼續(xù)浸水條件下采用慢速維持荷載法進(jìn)行單樁豎向承載力試驗(yàn)。由于本項(xiàng)目工程樁兼做錨樁使用，不做破壞性試驗(yàn)，加載至設(shè)計(jì)極限荷載時(shí)逐級(jí)卸荷回彈，取最大加荷值為極限承載力。該方案共試樁2組，樁長(zhǎng)26 m～27 m。

圖1滲水孔布置圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

大浸水狀態(tài)試樁結(jié)果見(jiàn)圖2及表1。圖2中兩曲線均為陡降型Q-s曲線，該試樁的豎向極限承載力取Q-s曲線明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載，結(jié)合表1可見(jiàn)J1-12、J2-12的單樁豎向抗壓極限承載力分別為4 000 kN、3 000 kN，相應(yīng)的單樁豎向承載力特征值分別為2 000 kN、1 500 kN，均小于設(shè)計(jì)的單樁豎向承載力特征值2 500 kN。

表1 試樁方案1荷載-沉降量統(tǒng)計(jì)表

圖2試驗(yàn)方案1(大浸水狀態(tài)或樁周樁端均

飽和狀態(tài))Q-s曲線

該方案的試樁結(jié)果與設(shè)計(jì)值偏差較大的主要原因是浸水試驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)假定有差異。在進(jìn)行單樁豎向承載力設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，除在濕陷性黃土層的樁長(zhǎng)計(jì)負(fù)摩阻力外，持力層土體的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值采用天然狀態(tài)的值。而試驗(yàn)時(shí)，樁周及樁端土體均處于浸水飽和狀態(tài)，各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均有較大降低，導(dǎo)致單樁豎向承載力減小。其次采用機(jī)械成孔的擴(kuò)底灌注樁，會(huì)對(duì)樁端土體產(chǎn)生較大擾動(dòng)，樁端虛渣不易清理，若虛渣未清理干凈，將導(dǎo)致樁端阻力不能充分發(fā)揮，加之浸水飽和，從而使樁的承載力降低。

結(jié)合工程實(shí)際，所有風(fēng)電機(jī)組均布置在黃土梁峁頂部，該浸水方案的樁側(cè)樁端均飽和的浸水狀態(tài)在工程實(shí)際中不可能發(fā)生，若用該試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，將導(dǎo)致樁體加長(zhǎng)或樁基加密，同時(shí)有研究表明，當(dāng)樁長(zhǎng)徑比(L/d)超過(guò)40時(shí)，承載力的增加速率變慢，通過(guò)增加樁長(zhǎng)來(lái)提高單樁承載力的效果有限。無(wú)論采用那種提高樁基承載力的方法，都會(huì)使工程量增加、工期延長(zhǎng)、工程投資增大，工程的經(jīng)濟(jì)效益降低。因此需調(diào)整浸水狀態(tài)，使試驗(yàn)的浸水狀態(tài)盡可能接近工程實(shí)際，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)方案改進(jìn)

根據(jù)張煒等[6]和黃雪峰等[1]的研究成果：小荷載(小于極限荷載的30%)作用下，只有樁上部土層發(fā)揮側(cè)阻力作用；工作荷載(極限荷載的40%～60%)作用下，全部土層發(fā)揮側(cè)阻力作用，同時(shí)樁端也發(fā)揮作用，但是樁端阻力對(duì)樁基承載力的貢獻(xiàn)值較??；在極限荷載作用下，土層側(cè)阻力及樁端阻力均得到充分發(fā)揮，側(cè)、端阻力分配比例關(guān)系約為3∶1；當(dāng)加荷超過(guò)極限荷載時(shí)，樁與樁側(cè)土產(chǎn)生剪切破壞，端阻力受力加大，側(cè)、端阻力分配比例關(guān)系為2∶1。為研究樁基在不同浸水情況下的受力情況，擬定了以下三種方案。

3.1 中浸水狀態(tài)(方案2)

方案設(shè)計(jì)同方案1，只是將滲水孔深度設(shè)置改至濕陷性土層下限(一般大于10 m)，浸水使樁周濕陷土層深度內(nèi)的土體含水率達(dá)到飽和。該方案共試樁3組，樁長(zhǎng)25 m～29 m，平均樁長(zhǎng)27 m。

3.2 小浸水狀態(tài)(方案3)

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)氣象資料，場(chǎng)址區(qū)年降水量為240 mm，年蒸發(fā)量1 634 mm，蒸發(fā)量約為降水量的7倍，并且風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均坐落于地勢(shì)較高、排水便利的梁峁頂部，即便發(fā)生大暴雨，也不可能形成長(zhǎng)期積水，僅地表徑流的雨水無(wú)法浸透深厚的濕陷土層。結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，對(duì)浸水方案做如下改進(jìn)：場(chǎng)址區(qū)近30年日最大降雨量為65 mm，降雨集中的月份為7、8兩月，為充分模擬工程實(shí)際運(yùn)行情況同時(shí)考慮一定的安全系數(shù)，采用浸水總量為史上日最大降雨量的60倍(即假設(shè)降雨集中兩月連續(xù)降水，且日降水量均為史上日最大降雨量)的水量進(jìn)行浸水試驗(yàn)，即積水面積為5 m×5 m，計(jì)算浸水總量為100 m3，滲完為止。為加快試驗(yàn)進(jìn)度，設(shè)置4個(gè)3 m深的滲水孔。其他設(shè)計(jì)同方案1。該方案共試樁9組，樁長(zhǎng)20 m～28 m，平均樁長(zhǎng)26 m。

3.3 不浸水狀態(tài)(方案4)

為了對(duì)比分析不同浸水狀態(tài)與天然狀態(tài)下的樁基承載力及變形差異情況，進(jìn)行天然含水率狀態(tài)下樁基豎向承載力靜載試驗(yàn)。待試樁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，在天然含水率狀態(tài)下，采用慢速維持荷載法進(jìn)行單樁豎向承載力試驗(yàn)。該方案共試樁2組，樁長(zhǎng)分別為26 m、30 m，平均樁長(zhǎng)28 m。

3.4 含水率試驗(yàn)

為測(cè)定小浸水狀態(tài)實(shí)際的入滲深度，進(jìn)行含水率試驗(yàn)。滲水前取樁周不同位置、不同深度的土體測(cè)天然狀態(tài)含水率，滲水完成后再測(cè)相同位置處的土體含水率，通過(guò)對(duì)比滲水前后土體含水率的變化，判斷入滲深度。測(cè)試位置分別取滲水坑外0.5 m處，深度為1 m～2 m，每隔1 m取一組試樣；滲水坑內(nèi)，深度3 m～5 m，每隔0.5 m取一組試樣，共做一組試驗(yàn)(J1-10號(hào))，含水率實(shí)驗(yàn)取樣孔位置詳見(jiàn)圖1。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

浸水方案改進(jìn)后的荷載(Q)-沉降量(s)曲線見(jiàn)圖3。

4.1 單樁豎向極限承載力

從圖3可見(jiàn)，改進(jìn)后不同試驗(yàn)方案條件下各試樁的Q-s曲線光滑平順、無(wú)顯著拐點(diǎn)及陡降特征，說(shuō)明樁基礎(chǔ)在各級(jí)荷載作用下變形連續(xù)，且呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，樁基礎(chǔ)豎向變形隨荷載增大而增大，在三種試驗(yàn)方案下，各試樁的極限承載力均大于設(shè)計(jì)極限承載力。

圖3改進(jìn)方案Q-s曲線圖

4.2 單樁沉降量

從圖3(d)中可見(jiàn)在各級(jí)荷載作用下，隨著浸水量的增大，各試樁的樁頂沉降量也相應(yīng)增大。荷載小于3 500 kN時(shí)，方案2、方案3的Q-s曲線基本重合，樁頂沉降量一致，當(dāng)荷載再繼續(xù)增大時(shí)，兩曲線開(kāi)始分離。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在天然狀態(tài)下，當(dāng)樁頂荷載加載至設(shè)計(jì)載荷時(shí)，樁頂總沉降量與樁身彈性壓縮變形量基本一致，可見(jiàn)此時(shí)基本是樁側(cè)土層發(fā)揮側(cè)阻力，樁端阻力未發(fā)揮；當(dāng)樁頂荷載加載至設(shè)計(jì)極限載荷時(shí)，樁頂總沉降量略大于樁身彈性壓縮變形量，可見(jiàn)此時(shí)主要是樁側(cè)土層發(fā)揮側(cè)阻力，樁端阻力貢獻(xiàn)值較小。

在設(shè)計(jì)載荷、極限載荷作用下，樁基承載力主要由下部土層側(cè)阻力及端阻力承擔(dān)，不同浸水狀態(tài)樁周上部土層含水率有差異但樁下部及樁端土層狀態(tài)一致，因此兩種不同浸水狀態(tài)的樁基承載力及最終沉降量基本接近。

浸水狀態(tài)與天然狀態(tài)的樁頂沉降量差值為地基濕陷產(chǎn)生的樁頂附加沉降變形，雖然不同浸水狀態(tài)的濕陷影響深度不同，小浸水狀態(tài)僅表層土體濕陷，中浸水狀態(tài)為全部濕陷土層均濕陷，但是兩種浸水狀態(tài)產(chǎn)生的濕陷附加沉降變形基本一致，可見(jiàn)表層土體濕陷對(duì)樁頂沉降變形的影響較大，而中下部則影響較小。這是由于表層土體較為松散，濕陷量較大，越往下土層越密實(shí)，濕陷量也越小，土體濕陷對(duì)樁頂沉降變形的影響也是自上而下逐漸減小。

5 工程應(yīng)用情況

鑒于山地風(fēng)電場(chǎng)的特殊性(風(fēng)機(jī)零星布置于梁峁頂部或斜坡上，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用防排水兼顧的原則，機(jī)位附近排水便利通暢，基礎(chǔ)頂面設(shè)置散水)，以及滲透試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為全樁身和樁底端持力層內(nèi)的土均達(dá)到飽和狀態(tài)的工況在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)，按規(guī)范[5]中的浸水要求進(jìn)行單樁豎向承載力測(cè)定不符合工程實(shí)際，若按浸水方案一的結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)，將導(dǎo)致樁體加長(zhǎng)或樁基加密，無(wú)論采用那種提高樁基承載力的方法，都會(huì)使得工程量增加、工期延長(zhǎng)、工程投資增大。

最終采用方案3的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后樁長(zhǎng)比采用浸水方案1的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)減小20%～30%，樁長(zhǎng)顯著減小，從而減少工程量，縮短工期，節(jié)約工程投資。

工程自建成至今已運(yùn)行4年，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)狀況良好，未發(fā)生樁基整體沉降或不均勻沉降等現(xiàn)象。說(shuō)明風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁基設(shè)計(jì)合理，樁基設(shè)計(jì)采用靜載浸水試驗(yàn)方案3(小浸水狀態(tài)或自然入滲狀態(tài))的試驗(yàn)結(jié)果作為樁基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)也是合理的。

6 結(jié) 論

(1) 小浸水狀態(tài)(方案3)的實(shí)測(cè)入滲深度為3.5 m，該方案模擬的天然降雨入滲造成的濕陷影響僅發(fā)生在表層，且表層土體濕陷對(duì)樁基承載力影響不大。樁周中下部及樁端土體浸水飽和對(duì)樁基承載力及變形影響較大，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)防水、排水設(shè)計(jì)，采取設(shè)置散水，適當(dāng)抬高基礎(chǔ)高程等措施，避免風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)位于低洼處，盡量減小地基受水浸濕的可能性。

(2) 小浸水狀態(tài)的試驗(yàn)方案可減少試驗(yàn)用水量及縮短試驗(yàn)周期，利用小浸水狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的，優(yōu)化后樁長(zhǎng)顯著減小，從而減少工程量，縮短工期，節(jié)約工程投資。

(3) 根據(jù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)地基受水浸濕可能性的大小調(diào)整浸水量，采用模擬史上日最大降水量60倍的小浸水狀態(tài)進(jìn)行單樁豎向靜載浸水試驗(yàn)的方法，測(cè)得的樁基承載力及變形滿足設(shè)計(jì)要求。該方法與規(guī)范中要求的試驗(yàn)方法測(cè)得的樁基變形相差不大，該試驗(yàn)方法可為濕陷性黃土地區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)單樁豎向靜載浸水試驗(yàn)提供借鑒。