淺談風機地基基礎選型比較

呂首琦

【摘 要】 對風力發電廠風機基礎設計進行了分析，從上部荷載取值、基礎尺寸、樁基布置等方面進行了論述，提供了風機基礎樁基設計的方法。

【關鍵詞】 地基基礎 風機基礎 無張力灌注樁 復合地基

1 項目概況

某風電廠風場一期（49.5MW）工程位于陜西省定邊縣東南約25km處，海拔1650m～1860m，占地約35km2，為黃土高原北部的黃土低崗斜坡，場地開闊。

2 巖土工程條件概況

2.1 地形地貌及不良地質作用

該風電場場址區域地貌主要以特有的黃土塬、梁、峁地形為特征。場址區地勢較平緩，地表水系不發育，地下水埋深較深，滑坡、泥石流不發育。但黃土塬和梁的邊緣多有陡坎，坡面直立，高度可達20m，隨著雨水沖刷，可形成坍塌等破壞，在風機布置時建議與黃土塬或梁的邊緣保持一定的安全距離，防止邊坡失穩或者累進性坍塌破壞影響基礎穩定。

2.2 地層巖性分布特征

根據勘探資料，場址區地層以第四系松散堆積物為主，主要由風積的壤土、黃土狀粉土、粉質黏土及黃土層組成。

①層，全新統風積（Q4eol）壤土，淺黃色，干燥，結構松散，以風成次生黃土及砂質粉土為主，含植物根系和腐殖質，地表廣泛分布，黃土梁、峁、丘頂部厚度較薄，一般幾十厘米不等，主要為耕地或荒山的表層土。

②層，黃土狀土（Q41），淺黃色，稍濕，可塑，土質均勻，以粉粒為主，不具有層理結構，大孔發育，含有植物根系腐敗后形成的空洞和蟲孔，發育有鈣質斑點和結核，以粉土為主。本組地層較為發育，場區均有分布，厚度16.1m～19.6m，平均厚度17.8m。

③層，中更新統（Q2eol），粉質黏土，黃褐色，稍濕，可塑，土質均勻，發育有鈣質結核，土體新鮮面上可見鐵錳質斑點，主要以粉質黏土為主，本組地層連續分布，厚度變化較大，厚度0.9m～6.4m，平均厚度4.2m，層頂埋深為17.3m～19.8m，平均埋深為18.4m。

④層，中更新統離石組（Q2l），老黃土，黃色～黃褐色，稍濕，可塑，土質均勻，主要成分為粉土，含少量粉砂。不具有層理結構，土體新鮮面上有鐵錳質斑點，有少量氣孔發育，主要以粉土為主，該層主要分布在梁、峁的中部，鉆孔未揭穿該層。

2.3 地基土物理力學參數

根據現場標貫試驗和室內土工試驗成果，該風電場工程地基土物理力學參數建議值。

2.4 地基土濕陷性評價

場地屬自重濕陷性場地，為中等濕陷性，濕陷性深度一般約18m，總濕陷量83.1mm～187mm，平均值131mm，總自重濕陷量76.6mm～159mm，平均值109mm，濕陷等級主要為Ⅱ。本場地主要濕陷性地層為②層，其中③層上部具輕微～中等濕陷性，下部為非濕陷性。

3 風電機組基礎方案選型

3.1 風機荷載

3.2 風機基礎及地基處理方案比選

由于風電場所在區域為自重濕陷性場地，地基土的濕陷等級為Ⅱ級，且厚度較厚，采用天然地基將不能滿足風機基礎對承載力及地基變形的要求，風電機組基礎下地基必須處理或采用樁基礎。擬對P&H無張力灌注樁基礎方案、混凝土灌注樁基方案、復合地基方案進行比選，論證確定適合本風電場的風電機組基礎形式。

（1） P&H無張力灌注樁基礎

P&H無張力灌注樁基礎為支持大型風機基礎的專利技術。P&H 無張力灌注樁基礎不使用基礎環進行基礎和風機塔筒連接，而是通過塔筒下法蘭的螺栓孔使用高強螺桿將基礎同塔筒連接。連接用高強螺桿數量為110根（暫定，根據塔筒底法蘭孔數決定）。電纜線可以從承臺底部穿越，穿越高強螺桿之間的空隙，在基礎深1.5m處。風機廠家的下法蘭不需要做任何的更改。基礎主要由混凝土、預應力高強螺桿和兩個CMP（波紋筒）筒構成。根據可研階段的地勘報告和風機荷載數據，確定設計參數。P&H風機基礎主要設計參數如下：

基坑開挖上口直徑9.5m，下口6m，基坑深10.5m。基礎承臺直徑為5.1m，承臺高度為0.5m，高強螺桿豎向放置于兩個CMP筒之間，兩筒之間0.8m，之間澆筑C40混凝土，CMP外筒直徑為4.8m長10.5m。內筒直徑為3.2m長10.5m。CMP內外筒均為壁厚3mm，波深5cm，波距15cm。CMP外筒和基坑之間澆筑C15混凝土。CMP內筒底部澆筑1mC40混凝土，回填土至上筒口。M42高強螺桿長度為11m。每個機位用110根（暫定）。

由于風電場所在區域為自重濕陷性場地，地基土的濕陷等級為Ⅱ級，且厚度較厚，P&H無張力灌注樁基在如何抵消濕陷性黃土負摩阻力、是否對風機基礎有變形影響等問題上應當進一步研究。

（2）樁基

本方案風機基礎采用干作業法擴底灌注樁（端承摩擦樁）

1）鋼筋混凝土灌注樁的計算方法及內容：

根據《濕陷性黃土地區建筑規范》GB50025-2004第5.7.2條規定樁端應穿透濕陷性黃土層，且應支承在可靠的土層中。

本方案考慮濕陷性黃土負摩阻力影響，計算取樁頂以下12米樁長范圍存在負摩阻力。

2） 參數及布置

經計算擬定樁基礎的布置為：承臺底部為直徑16.0m，高1.1m的圓柱；上部為頂面直徑6.2m，高1m的圓柱；中間為高0.8m的圓臺。承臺底部布置混凝土擴底灌注樁20根，樁長20m，樁身直徑1.0m，擴底直徑2.0m。擴底灌注樁及承臺具體布置見圖1。

（3）復合地基

灰土擠密樁法地基處理方案，目的是消除濕陷性，提高地基承載力、減小不均勻沉降，風機基礎采用擴展基礎，基礎體型為圓板形。

灰土擠密樁復合地基方案是通過向樁孔內夯實2：8灰土的方法對灰土樁進行擠密夯擴，從而達到擠密地基土、消除濕陷性、減少沉降的目的。

灰土擠密樁的地基處理深度以濕陷土層15.0m考慮，基礎底部采用擠密樁進行地基處理，擠密樁成孔直徑0.4m，成樁直徑≥0.55m，有效樁長為14m，等邊三角形布置，樁間距1.1m，樁身平均壓實系數不小于0.97，擠密后樁間土的擠密系數不小于0.88，平均擠密系數不小于0.93。處理深度將根據場地的土質情況、工程要求和成孔及夯實設備等綜合因素確定，處理范圍為超出基礎底面外緣寬度宜大于處理土層厚度的1/2，并不應小于2.0m，故處理范圍應為直徑35.0m的圓，預計布樁929根，處理后的地基承載力特征值應達到220kPa，樁頂標高以上應設置0.5m厚的灰土墊層，一方面扣除樁頂松動層的影響，另一方面有利于改善應力擴散，調整樁土的應力比，并對減小樁身應力集中有良好作用。擴展基礎的體型為：承臺底部為直徑21m，高1.1m的圓柱；上部為頂面直徑6m，高1m的圓柱；中間為高0.9m的圓臺。

（4）防濕陷措施

以上各種處理方案在風機安裝完畢后，在地面基坑范圍內做散水，做法為填土夯實300mm厚灰土墊層，鋪防水土工布膜，100mm厚C20素混凝土墊層。

（5）投資及施工技術條件比較

P&H無張力灌注樁的優點是施工周期短，造價低，但未穿透濕陷性土層，且如何控制地基變形應進一步深入研究，且預應力螺栓質量控制不易保證，部分工地存在拉斷現象，該樁為專利技術，施工單位單一，施工精度要求高，施工質量控制要求較高，樁基檢測復雜。

樁基方案的優點是穿透濕陷性土層，全部消除地基土的濕陷性，施工、檢測周期較短，地基變形的均勻性好，不均勻沉降較小。擴底樁增加一道工序，但采用機械鉆孔結合人工擴底很容易解決。造價稍高但施工隊伍較多，可選擇余地較大，且混凝土灌注樁施工質量較容易控制。

灰土擠密樁復合地基可以消除地基濕陷性，有效提高地基承載力，減小不均勻沉降，本工程場地濕陷性土層較厚，灰土擠密樁較長，造價較高，施工較復雜。

4 結論

根據以上比較，擴底混凝土灌注樁方案為首推方案。其次是P&H無張力灌注樁，但應與專利方進行充分溝通其存在的不確定因素，另風力發電機組屬高聳建筑物，對基礎不均勻沉降要求較嚴格，混凝土灌注樁施工簡便，質量易于保證，安全可靠，有利于減少地基不均勻沉降，是本風場的較為適宜方案，待中標后將結合詳勘資料對每個機位的地基處理與樁基方案綜合比選，對基礎進行優化設計確定合適的地基方案。

參考文獻

[1] 《風電場機組地基基礎設計規定》（試行）FD003-2007

[2] 《建筑樁基技術規范》JGJ-94-2008

[3] 《高聳結構設計規范》（GB50135-2006）

[4] 《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）