風電場單樁豎向極限承載力估算方法對比分析

梁 海,趙志祥,胡向陽,韓建軍,楊 飛

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.內蒙古察哈爾新能源有限公司,內蒙古 烏蘭察布 012000)

0 前 言

近年來，風力發電建設發展迅速。風資源較大的海河湖畔、漫灘階地、沖積平原等地區是投資風電場的理想場地。但該地區往往具有土質松軟、地下水埋深淺等特點，地質條件較復雜，進行風電場建設需要進行地基處理，風機地基處理方法通常采用樁基礎。而樁基礎設計最重要的依據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內常用的方法是JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》給出的經驗參數法和靜力觸探法。經驗參數法是根據土的類別、狀態與承載力之間的經驗關系，查相關表格取值后進行計算，其計算結果經單樁靜力載荷試驗驗證基本滿足要求，但計算結果往往偏低。靜力觸探法一般多采用精確度較高的雙橋靜力觸探試驗，其作用機理與樁的作用機理類似，相當于沉樁的模擬試驗，雙橋靜探試驗國內已經積累30多年經驗，但在山東沖積平原地區應用較少。本文以平原風電場為例，對經驗參數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行對比分析，為同地區類似風電場勘察設計提供借鑒[4-6]。

1 單樁豎向極限承載力估算方法原理

本文根據JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》5.3節中的估算公式，闡述估算方法基本原理[7-9]。

1.1 經驗參數法估算原理

當根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定單樁豎向極限承載力標準值時，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準值,kN；Qsk、Qpk分別為總極限側阻力標準值和總極限端阻力標準值,kN；u為樁身周長,m；li為樁周第i層土的厚度,m；Ap為樁端面積,m2；qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值，可按JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》表5.3.5-1取值；qpk為極限端阻力標準值，可按JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》表5.3.5-2取值。

1.2 雙橋靜探法估算原理

當根據雙橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預制樁單樁豎向極限承載力標準值時，對于黏性土、粉土和砂土，如無當地經驗時可按公式(2)計算。

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)范圍內按土層厚度的探頭阻力加權平均值,kPa，然后再和樁端平面以下 1d范圍內的探頭阻力進行平均；α為樁端阻力修正系數，對于黏性土、粉土取 2/3，飽和砂土取 1/2；β為第i層土樁側阻力綜合修正系數，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，側面積300cm2。

2 風電場工程地質條件

平原風電場位于山東平原縣境內，為黃河沖積平原地貌，海拔約18～20m，地形平緩開闊(見圖1、2)。地下水類型為第四系孔隙潛水，埋深為1.8～3.5m，調查水位年變幅2m。地層巖性主要為第四系全新統沖積軟塑～可塑狀粉質黏土和松散～稍密的粉土、粉砂等，單層地層厚度一般3～7m，層內富含透鏡體，地層總體上呈互層狀。地基土力學性質較差，風機基礎不能采用天然地基，設計方案采用樁基礎。

圖1 現場鉆探和標貫試驗

圖2 現場雙橋靜探試驗

3 單樁豎向承載力成果對比分析

本文選用具有典型地層特征的ZK8和ZK20為代表性鉆孔進行兩種試驗估算成果分析。為方便計算單樁豎向極限承載力，本文樁基設計采用承臺高度3m，樁長23m、樁徑0.6m的預應力混凝土管樁。承臺以下樁長范圍內地層厚度和標貫擊數統計見表1。

3.1 土體力學參數選取

經驗參數法估算單樁豎向極限承載力所采取的樁基力學參數是根據現場勘察中土的性狀、土工試驗成果以及標貫試驗成果進行綜合判斷，然后按JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》表5.3.5-1和表5.3.5-2查取相應土體力學參數值。靜力觸探法是用靜力將探頭以一定的速率壓人土中，利用探頭內的力傳感器，經過自動記錄儀來存儲貫入整個過程所得到的各種數據，這些數據反映了土的類型、物理性質、力學強度等地質數據，然后對數據統計分析，再通過地質數據與承載力的定量關系式計算單樁豎向極限承載力。

表1 地層厚度和標貫擊數統計

根據對平原風電場地質資料、土工試驗成果以及標貫試驗、靜力觸探試驗(見圖3、4)成果分析，估算單樁豎向極限承載力的樁基土體力學參數見表2。

表2 樁基土體力學參數值

3.2 估算結果對比分析

單樁豎向極限承載力是風電場樁基設計的重要依據。估算單樁豎向極限承載力目的是為樁基設計提供設計數據，對樁型選擇、樁基設計方案優化提供數據支撐。經驗參數法主要是結合現場標貫試驗、土的性狀等依據現場勘察經驗查表確定，由于人為因素影響較多，估算結果誤差較大。雙橋靜探法主要是儀器自動采集數據，以原始數據作為估算參數，相對來說精確度高。如果以雙橋靜探法估算成果為主要設計依據，可大大減少工程浪費，節約工程投資。

但從表3兩種方法估算單樁豎向極限承載力標準值可以看出，雙橋靜探法估算結果平均值比經驗參數法多1 580.6kN，約52.1%。雖然雙橋靜探法更適應現場的地質環境，能較好地反映沉樁情況，經驗參數法估算結果偏于保守，各地區均存在經驗參數法比靜探法估算結果偏小的現象，有資料顯示廣西某地區靜探法比經驗法估算結果約15%[9]，昆明某地區靜探法比經驗法估算結果約34%[2]，但該場地卻約52.1%，差異較大，估算結果有待驗證。

圖3 ZK8雙橋靜探試驗成果曲線

3.3 估算結果差異性原因分析

根據現場資料以及上述估算結果分析，估算單樁豎向極限承載力的差異性主要為地質數據的獲取方式和精確度。經驗參數法是根據現場土層性狀結合土工試驗、標貫試驗等獲取地質數據，然后采用規范查表法確定樁基力學參數。地下水豐富的平原地區一般都采用泥漿護壁鉆探方法，該鉆探方法存在以下問題：

圖4 ZK20 雙橋靜探試驗成果曲線

(1) 軟弱地層鉆探中砂層塌孔、軟黏土縮孔等現象很常見，這些現象往往造成孔內沉渣厚度大。雖然標貫試驗和取樣前多次清孔，但器具仍舊很難放入孔底，導致標貫擊數一定程度偏小；而標貫試驗時鉆桿傾斜、鉆桿貼緊孔壁這些人為操作因素往往使標貫數據偏大。同時，取樣、地層劃分也存在一定誤差。

表3 經驗參數法和雙橋靜探法估算單樁豎向極限承載力標準值結果對比

(2) 標貫擊數和樁基力學參數沒有直接建立一一對應關系，而是通過標貫擊數確定地基土狀態，然后查數據區間表，以至于樁基力學參數選取往往準確度差。

綜合以上原因，飽和軟弱土地區經驗參數法在確定樁基力學參數時存在較大誤差。

雙橋靜探法則是采用靜探探頭連續壓入地層，由自動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繪圖。該方法獲取的是原始地質數據，根據這些數據可以劃分土類、確定土類性狀、估算單樁豎向極限承載力等，地質數據和樁基力學參數已根據大量工程實踐建立了對應關系，成果精確度高。雙橋靜探試驗可以看作是一小直徑樁的現場載荷試驗，實踐結果表明，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《建筑樁基技術規范》中的估算公式(2)是針對全國的，全國各地區土層成因、類型、狀態各有不同，現在已見有資料提出靜探法在樁端持力層砂土密實度及樁端進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)的適應性還需要根據地區靜載荷試驗驗證和修正。大量靜載荷試驗驗證和修正可使估算成果更符合當地實際，使之取代風機基礎試樁成為可能，這將大幅降低工程建設投資成本。

4 結 論

(1) 在飽和軟弱地基土中，根據經驗參數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數據精確度高，估算成果較為準確可靠，且估算成果大于經驗參數法，經驗參數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，經驗參數法估算成果可作為輔助參考。

(3)JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》中的估算公式是針對全國的，全國各地區土層成因、類型、狀態各有不同，估算公式的適應性還需要根據地區靜載荷試驗驗證和修正。

(4) 基于當地大量靜載荷試驗分析驗證和修正，雙橋靜探法估算單樁豎向極限承載力成果將更符合當地實際,取代風機基礎試樁將成為可能,并大幅降低工程建設投資成本。