風(fēng)電場(chǎng)單樁豎向極限承載力估算方法對(duì)比分析

梁 海,趙志祥,胡向陽(yáng),韓建軍,楊 飛

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065;2.內(nèi)蒙古察哈爾新能源有限公司,內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

0 前 言

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電建設(shè)發(fā)展迅速。風(fēng)資源較大的海河湖畔、漫灘階地、沖積平原等地區(qū)是投資風(fēng)電場(chǎng)的理想場(chǎng)地。但該地區(qū)往往具有土質(zhì)松軟、地下水埋深淺等特點(diǎn)，地質(zhì)條件較復(fù)雜，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)需要進(jìn)行地基處理，風(fēng)機(jī)地基處理方法通常采用樁基礎(chǔ)。而樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)最重要的依據(jù)就是單樁豎向極限承載力[1-3]。

單樁豎向極限承載力估算國(guó)內(nèi)常用的方法是JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》給出的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法和靜力觸探法。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法是根據(jù)土的類別、狀態(tài)與承載力之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，查相關(guān)表格取值后進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果經(jīng)單樁靜力載荷試驗(yàn)驗(yàn)證基本滿足要求，但計(jì)算結(jié)果往往偏低。靜力觸探法一般多采用精確度較高的雙橋靜力觸探試驗(yàn)，其作用機(jī)理與樁的作用機(jī)理類似，相當(dāng)于沉樁的模擬試驗(yàn)，雙橋靜探試驗(yàn)國(guó)內(nèi)已經(jīng)積累30多年經(jīng)驗(yàn)，但在山東沖積平原地區(qū)應(yīng)用較少。本文以平原風(fēng)電場(chǎng)為例，對(duì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法和雙橋靜探法兩種方法估算單樁豎向極限承載力的成果進(jìn)行對(duì)比分析，為同地區(qū)類似風(fēng)電場(chǎng)勘察設(shè)計(jì)提供借鑒[4-6]。

1 單樁豎向極限承載力估算方法原理

本文根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.3節(jié)中的估算公式，闡述估算方法基本原理[7-9]。

1.1 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算原理

當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，宜按公式(1)估算。

Quk=Qsk+Qqk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中:Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值,kN；Qsk、Qpk分別為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值,kN；u為樁身周長(zhǎng),m；li為樁周第i層土的厚度,m；Ap為樁端面積,m2；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可按JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》表5.3.5-1取值；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可按JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》表5.3.5-2取值。

1.2 雙橋靜探法估算原理

當(dāng)根據(jù)雙橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，對(duì)于黏性土、粉土和砂土，如無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)可按公式(2)計(jì)算。

Quk=Qsk+Qqk=u∑li·βi·fsi+α·qc·Ap

(2)

式中：fsi為第 i 層土的探頭平均側(cè)阻力,kPa；qc為樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上 4d(d為樁的直徑或邊長(zhǎng))范圍內(nèi)按土層厚度的探頭阻力加權(quán)平均值,kPa，然后再和樁端平面以下 1d范圍內(nèi)的探頭阻力進(jìn)行平均；α為樁端阻力修正系數(shù)，對(duì)于黏性土、粉土取 2/3，飽和砂土取 1/2；β為第i層土樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)，黏性土、粉土：βi=10.04(fsi)-0.55；砂土：βi=5.05(fsi)-0.45；Quk、Qsk、Qpk、u、li、Ap意義同公式(1)。其中雙橋探頭的圓錐底面積為15cm2，錐角60°，摩擦套筒高21.85cm，側(cè)面積300cm2。

2 風(fēng)電場(chǎng)工程地質(zhì)條件

平原風(fēng)電場(chǎng)位于山東平原縣境內(nèi)，為黃河沖積平原地貌，海拔約18～20m，地形平緩開(kāi)闊(見(jiàn)圖1、2)。地下水類型為第四系孔隙潛水，埋深為1.8～3.5m，調(diào)查水位年變幅2m。地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖積軟塑～可塑狀粉質(zhì)黏土和松散～稍密的粉土、粉砂等，單層地層厚度一般3～7m，層內(nèi)富含透鏡體，地層總體上呈互層狀。地基土力學(xué)性質(zhì)較差，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不能采用天然地基，設(shè)計(jì)方案采用樁基礎(chǔ)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)鉆探和標(biāo)貫試驗(yàn)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)雙橋靜探試驗(yàn)

3 單樁豎向承載力成果對(duì)比分析

本文選用具有典型地層特征的ZK8和ZK20為代表性鉆孔進(jìn)行兩種試驗(yàn)估算成果分析。為方便計(jì)算單樁豎向極限承載力，本文樁基設(shè)計(jì)采用承臺(tái)高度3m，樁長(zhǎng)23m、樁徑0.6m的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。承臺(tái)以下樁長(zhǎng)范圍內(nèi)地層厚度和標(biāo)貫擊數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

3.1 土體力學(xué)參數(shù)選取

經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算單樁豎向極限承載力所采取的樁基力學(xué)參數(shù)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察中土的性狀、土工試驗(yàn)成果以及標(biāo)貫試驗(yàn)成果進(jìn)行綜合判斷，然后按JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》表5.3.5-1和表5.3.5-2查取相應(yīng)土體力學(xué)參數(shù)值。靜力觸探法是用靜力將探頭以一定的速率壓人土中，利用探頭內(nèi)的力傳感器，經(jīng)過(guò)自動(dòng)記錄儀來(lái)存儲(chǔ)貫入整個(gè)過(guò)程所得到的各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了土的類型、物理性質(zhì)、力學(xué)強(qiáng)度等地質(zhì)數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，再通過(guò)地質(zhì)數(shù)據(jù)與承載力的定量關(guān)系式計(jì)算單樁豎向極限承載力。

表1 地層厚度和標(biāo)貫擊數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)對(duì)平原風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)資料、土工試驗(yàn)成果以及標(biāo)貫試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)(見(jiàn)圖3、4)成果分析，估算單樁豎向極限承載力的樁基土體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 樁基土體力學(xué)參數(shù)值

3.2 估算結(jié)果對(duì)比分析

單樁豎向極限承載力是風(fēng)電場(chǎng)樁基設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。估算單樁豎向極限承載力目的是為樁基設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)樁型選擇、樁基設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法主要是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫試驗(yàn)、土的性狀等依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察經(jīng)驗(yàn)查表確定，由于人為因素影響較多，估算結(jié)果誤差較大。雙橋靜探法主要是儀器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，以原始數(shù)據(jù)作為估算參數(shù)，相對(duì)來(lái)說(shuō)精確度高。如果以雙橋靜探法估算成果為主要設(shè)計(jì)依據(jù)，可大大減少工程浪費(fèi)，節(jié)約工程投資。

但從表3兩種方法估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可以看出，雙橋靜探法估算結(jié)果平均值比經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法多1 580.6kN，約52.1%。雖然雙橋靜探法更適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)環(huán)境，能較好地反映沉樁情況，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算結(jié)果偏于保守，各地區(qū)均存在經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法比靜探法估算結(jié)果偏小的現(xiàn)象，有資料顯示廣西某地區(qū)靜探法比經(jīng)驗(yàn)法估算結(jié)果約15%[9]，昆明某地區(qū)靜探法比經(jīng)驗(yàn)法估算結(jié)果約34%[2]，但該場(chǎng)地卻約52.1%，差異較大，估算結(jié)果有待驗(yàn)證。

圖3 ZK8雙橋靜探試驗(yàn)成果曲線

3.3 估算結(jié)果差異性原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料以及上述估算結(jié)果分析，估算單樁豎向極限承載力的差異性主要為地質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取方式和精確度。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土層性狀結(jié)合土工試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)等獲取地質(zhì)數(shù)據(jù)，然后采用規(guī)范查表法確定樁基力學(xué)參數(shù)。地下水豐富的平原地區(qū)一般都采用泥漿護(hù)壁鉆探方法，該鉆探方法存在以下問(wèn)題：

圖4 ZK20 雙橋靜探試驗(yàn)成果曲線

(1) 軟弱地層鉆探中砂層塌孔、軟黏土縮孔等現(xiàn)象很常見(jiàn)，這些現(xiàn)象往往造成孔內(nèi)沉渣厚度大。雖然標(biāo)貫試驗(yàn)和取樣前多次清孔，但器具仍舊很難放入孔底，導(dǎo)致標(biāo)貫擊數(shù)一定程度偏小；而標(biāo)貫試驗(yàn)時(shí)鉆桿傾斜、鉆桿貼緊孔壁這些人為操作因素往往使標(biāo)貫數(shù)據(jù)偏大。同時(shí)，取樣、地層劃分也存在一定誤差。

表3 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法和雙橋靜探法估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果對(duì)比

(2) 標(biāo)貫擊數(shù)和樁基力學(xué)參數(shù)沒(méi)有直接建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是通過(guò)標(biāo)貫擊數(shù)確定地基土狀態(tài)，然后查數(shù)據(jù)區(qū)間表，以至于樁基力學(xué)參數(shù)選取往往準(zhǔn)確度差。

綜合以上原因，飽和軟弱土地區(qū)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法在確定樁基力學(xué)參數(shù)時(shí)存在較大誤差。

雙橋靜探法則是采用靜探探頭連續(xù)壓入地層，由自動(dòng)記錄儀記錄土層隨深度的貫入阻力變化情況，并以曲線的方式自動(dòng)繪圖。該方法獲取的是原始地質(zhì)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以劃分土類、確定土類性狀、估算單樁豎向極限承載力等，地質(zhì)數(shù)據(jù)和樁基力學(xué)參數(shù)已根據(jù)大量工程實(shí)踐建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，成果精確度高。雙橋靜探試驗(yàn)可以看作是一小直徑樁的現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，實(shí)踐結(jié)果表明，用雙橋靜探成果估算單樁豎向極限承載力是行之有效的。但JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中的估算公式(2)是針對(duì)全國(guó)的，全國(guó)各地區(qū)土層成因、類型、狀態(tài)各有不同，現(xiàn)在已見(jiàn)有資料提出靜探法在樁端持力層砂土密實(shí)度及樁端進(jìn)入持力層深度等方面某些情況中存在不完善的地方[10]，公式(2)的適應(yīng)性還需要根據(jù)地區(qū)靜載荷試驗(yàn)驗(yàn)證和修正。大量靜載荷試驗(yàn)驗(yàn)證和修正可使估算成果更符合當(dāng)?shù)貙?shí)際，使之取代風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)試樁成為可能，這將大幅降低工程建設(shè)投資成本。

4 結(jié) 論

(1) 在飽和軟弱地基土中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法和雙橋靜探法估算單樁豎向極限承載力成果的差異，雙橋靜探法獲取地質(zhì)數(shù)據(jù)精確度高，估算成果較為準(zhǔn)確可靠，且估算成果大于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算成果誤差較大且偏于保守。

(2) 本文推薦雙橋靜探法作為飽和軟弱土估算單樁豎向極限承載力的主要方法，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算成果可作為輔助參考。

(3)JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中的估算公式是針對(duì)全國(guó)的，全國(guó)各地區(qū)土層成因、類型、狀態(tài)各有不同，估算公式的適應(yīng)性還需要根據(jù)地區(qū)靜載荷試驗(yàn)驗(yàn)證和修正。

(4) 基于當(dāng)?shù)卮罅快o載荷試驗(yàn)分析驗(yàn)證和修正，雙橋靜探法估算單樁豎向極限承載力成果將更符合當(dāng)?shù)貙?shí)際,取代風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)試樁將成為可能,并大幅降低工程建設(shè)投資成本。