平原淺厚砂層沉樁方法探討

李星

【摘要】目前國內風電有平原、山地、海上三種類型，其中平原風電的風功率較好，適宜風機的運行，發電，且施工難度相對較低。但是大多風機機位的位置屬于曾經的黃河古河道，經歷過幾千年的變化，形成了如今的平原，則風機基礎沉樁是將會面臨長達數米的砂層，導致管樁無法到達設計要求，需要采取特別的方案，使得沉樁滿足設計要求，為風機的承載，抗拉、抗拔提供有力的保障，杜絕因地質的原因而造成施工的停滯及風機運行產生的事故。

【關鍵詞】風機基礎、管樁、沉樁施工。

引言

風機基礎樁基沉樁是風機安全組立、運行的最大保證。面對不同的地質條件，使得管樁的沉樁滿足設計的要求是一個重要的問題，如何在遇見特殊地質依然能夠達到設計標高，保證風機基礎的質量和安全，縮短工期是本次研究的主要研究方向。

目的和意義：

1.解決面對不同地質情況下管樁沉樁滿足設計標高;

2.針對沉樁方案進行優化，降低施工難度、工程造價、和節省沉樁時間，提高人員和沉樁機械的工作及使用效率。

1.概述

2.工程簡況

工程位于河南省新鄉市獲嘉縣西南部徐營鎮境內，場址中心距離河南省獲嘉縣城直線距離約13km，本期工程裝機容量為40MW，由14臺2.2MW風機+4臺2.3MW風機組成。

風機是安裝金鳳GW31-2200-140風電機組，風葉葉輪直徑131m，輪轂高度125m，其基礎設計級別為1級，結構安全等級為二級，混凝土環境類別為二b類，設計使用年限50年。

根據地質勘探報告，各機位應采用樁基礎，基礎形式為板式承臺+預制預應力管樁，其中與上部塔筒連接采用預應力錨栓組合件。

3.氣象水文條件

氣象條件

本工程廠址所在地屬暖溫帶大陸性季風氣候。1986-2004年年均氣溫14.6°C，年均無霜期221.2天，年均降雨量557.2毫米，年均降雪日14.1天，年均日照2058.4小時。年平均風速1.9/s，主導風向為東北風（ENE），風向頻率9%。有相應觀測記錄以來，獲嘉氣象站極端高溫42.9℃，極端低溫-19.4℃，最大風速為24.7m/s，極大風速為25.8m/s。

水文條件

地下水埋深為8～14 m，豐水期地下水埋深5～10 m。地下水對混凝土結構具微腐蝕性。在長期浸水條件下，地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性;在干濕交替的情況下，地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕性。場址周邊無大江大河，也無洪水影響。

4.地震、地址條件

場區場地避開了大型斷裂和活動斷裂構造，場地相對穩定，適宜建場。場址區地基土由第四系沖洪積形成的粉土、粉質黏土與粉細砂組成。擬建場地地震動峰值加速度為0.20g，反應譜特征周期為0.40s，相應的地震基本烈度為Ⅶ度。擬建場地場地土類型為中軟場地土，建筑場地類別為Ⅲ類，因存在液化土層，場地處于對建筑抗震不利地段。地震動峰值加速度應做調整，調整后場地地震動峰值加速度為0.23g。 ?擬建場地層②中的粉土、層③中局部混的粉土及層④中局部為液化土層，液化最大深度18m，液化等級為輕微～中等。

5.風機基礎沉樁問題分析

風機機位點位于為黃河沖積平原，地層巖性主要為第四系全新統沖積粉土、粉質黏 土和粉細砂，土層均勻性較差，性質變化較大。按照國標《巖土工程勘察規范》 （GB50021-2001）（2009 年版）和行標《陸地和海上風電場工程地質勘察規范》 （NB/T31030-2012）規定，地基等級為二級地基（中等復雜地基）。

綜合工程重要性等級、場地復雜程度等級和地基復雜程度等級，按照國標《巖 土工程勘察規范》（GB50021-2001）（2009 年版）規定，擬建工程巖土工程勘察 等級為乙級。

此次分析主要針對18#風機機位地質進行延伸探討，其初次沉樁有效長度不足7m，引孔之后的有效長度也不滿足設計院設計沉樁有效長度，達不到設計標高;因此項目部正對18#風機機位基礎提出地質重新勘探，重新設計，根據勘察鉆孔成果分析，場區地層主要為第四系全新統沖積層（Q4al）， 巖性主要為粉土、粉質黏土和粉細砂。根據鉆探成果把場址區勘探范圍內 地層自上而下大致分為以下 5 層，分述如下：

1粉土：黃褐、灰褐色，稍密，稍濕，含鐵錳質斑紋，干強度低，韌 性低，無光澤，搖振反應迅速，揭露厚度為 2.20m。

2粉砂：黃褐色，中密～密實，稍濕，主要成分為石英、長石、云母

等，層頂埋深 2.20m，揭露厚度為 6.30m。

3細砂：黃褐色，密實狀，地下水位以下飽和，主要礦物成分為石英、 長石和云母，顆粒級配較均勻。層頂埋深 8.50m，揭露厚度為 1.80m。

4粉質黏土：黃褐色，硬塑狀，含鐵錳質斑紋和鈣質結核，干強度中 等，韌性中等，切面較光滑。層頂埋深為 10.30m，揭露厚度為 2.10m。

5細砂：黃褐色，密實，地下水位以下飽和，主要礦物成分為石英、 長石和云母，顆粒級配較均勻，局部含中砂透鏡體。層頂埋深為 12.40m， 揭露厚度大于 27.60m。

根據上述地勘資料顯示，18#機位細砂層厚度大，沉樁過程中管樁阻力大，貫入度不足，導致初次沉樁有效長度達不到設計要求。

6.風機基礎管樁布置方案優化

7.管樁布置方案對比

初次管樁布置方案

根據設計院初次提供的18#風機機位管樁布置要求，風機基礎外圈半價8，5m布置30根，內圈半徑6.75m布置24根，共計54根，設計樁長10m，建議引孔。

二次管樁布置方案

依照18#風機機位二次地勘鉆孔資料，設計院在原設計的情況下在半徑5m位置增加了6根管樁，共計60根，設計樁長10m，建議引孔。二次沉樁所提供的數據如下表3.1.2-1所示：

如表所示風機基礎管樁沉樁有效長度還是不足以滿足設計有效長度，設計院在此有效長度下風機基礎整體抬高2m，才足以滿足有效長度10m。

管樁布置方案比較

兩次管樁的布置方案綜合考慮，第二次更加適合當時的地質，也為風機的運轉提供了更大的安全性，同時也增加了相應的工程造價，加大了施工投入的工期、人力和機械，提高了施工的難度性;同時相比采用灌注樁保證了安全性，降低了工程造價，投入工期、人力、機械和施工的難度性。

8.沉樁方案的技術、經濟分析

9.技術分析

預制樁（預應力管樁）是通過打入或壓入地基內達到所需的深度，在沉樁過程中，周圍土體受到樁體的擠壓作用，導致短期內孔隙水壓力上升，使土體隆起并向側向擠壓，使應力影響范圍內的已有建（構）筑物及道路等產生變形，甚至破壞。同時還會對已施工完畢的工程樁產生擠壓，使之產生偏移、上浮等現象。

灌注樁（鉆孔灌注樁）采用干作業法或泥漿護壁法成孔，在成孔與成樁的過程中對周圍的樁間土沒有擠壓作用，不會引起土體中超孔隙水壓力的增長，因而樁的施工不會不會危及周圍相鄰建（構）筑物及道路的安全。因此，鉆孔灌注樁相比預應力管樁具有無振動、無擠土影響、對周圍建筑物影響小等特點，但樁身混凝土強度較低，沉降量較大。

預制樁（預應力管樁）的施工工藝為：測量定位→樁機就位、對中→壓樁→接樁→送樁或截樁→靜壓樁到設計高程。

（1）測量定位：施工前放好軸線和每一個樁位，并涂上油漆使標志明顯。

（2）樁機就位、對中：通過壓樁機啟動縱向和橫向行走油缸，將樁尖對準樁位。開動壓樁油缸將樁壓入土中，待樁下沉達到穩定狀態后，調正樁在兩個方向的垂直度。

（3）壓樁：通過夾持油缸將樁夾緊，然后使壓樁油缸伸程，將壓力施加到樁上。

（4）接樁：樁的單節長度應根據設備條件和施工工藝確定。當樁貫穿的土層中夾有薄層砂土時，確定單節樁的長度時應避免樁端停在砂土層中進行接樁。當下一節樁壓到露出地面0.8～1.0m時，便可接上一節樁。

（5）送樁或截樁：如果樁頂接近地面，而壓樁力尚未達到規定值，可以送樁。如果樁頂高出地面一段距離，而壓樁力已達到規定值時則要截樁，以便壓樁機移位。

（6）壓樁結束：當壓力表讀數達到預先規定值時，便可停止壓樁。

灌注樁（鉆孔灌注樁）的施工工藝為：樁位放樣→鋼護筒埋設→泥漿系統布置→樁機就位→鉆孔→清孔→裝吊鋼筋骨架→灌注水下砼→樁基施工完畢、拆卸鉆機。

（1）樁位放樣：采用丈量法進行樁位測放，在施工期內對測量基線予以保護及定期復核，以保證測量控制精度符合設計要求。

（2）鋼護筒埋設：根據樁位，使護筒中心和樁中心重合，偏差小于50mm。護筒與坑壁之間用粘性土填實，確保護筒位置的準確及穩定，再次校正護筒中心偏差，并用水平尺校核護筒的垂直度，使護筒達到水平牢固。

（3）泥漿循環系統布置：配備沉淀池、循環池進行泥漿凈化后流回孔內，確保終孔后灌注前孔內泥漿各項指標的要求。

（4）鉆機就位：鉆機就位底座應墊牢，用水平尺對機座底架進行水平調整，直至鉆架垂直地面，天車吊輪、回鉆盤和鉆頭與樁位四點中心到同一鉛垂線上。

（5）鉆孔：成孔施工時，鉆具（鉆頭、主動鉆桿和副鉆桿）要保證垂直度、同心度和連接時整合可靠，以防止孔斜和鉆具脫落的事故發生。鉆進到設計標高終孔時，應保持鉆機空轉不進尺10分鐘，直至泥漿指標達到一次清孔要求。

（6）清孔：除去孔底沉淀的鉆渣和泥漿，以保證灌注的鋼筋混凝土質量，確保樁的承載力。

（7）裝吊鋼筋骨架：鋼筋籠在吊運過程中，由于其在縱向抗彎能力較差，必要時在籠內加支撐，以提高籠的剛性。當籠吊至孔口時，使籠中心對準樁位中心，扶正后并緩緩勻速下入孔內，嚴禁擺動碰撞孔壁，邊下鋼筋籠邊裝上保護塊。當最后吊筋下至孔口時，固定在孔口的定位架上，將鋼籠臨時吊于孔口。

（8）灌注水下砼：灌注前料斗下覆隔水蓋板。開始灌注時，開啟料斗，并立即連續供料，使首批砼一起壓住隔水蓋板迅速落下。隨著砼連續不斷地灌入，孔內砼面不斷上升，導管的埋深也在不斷增加，需要定時測量砼面的上升情況。在灌注中要不斷上下提動導管，以防止速度過快而產生空洞及混凝土不能流動鋼籠外側。

參考文獻：

[1] 《樁基設計規范》（jgj94-2018）

[2] 《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》（gb50202-2018）