烏克蘭風(fēng)電項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)承載力分析

中國(guó)電力技術(shù)裝備有限公司 張江宏

佐菲亞風(fēng)電項(xiàng)目位于烏克蘭扎波羅熱州，計(jì)劃裝機(jī)總?cè)萘?87.5兆瓦，共計(jì)安裝175臺(tái)風(fēng)機(jī)渦輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)和烏克蘭國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)主聘請(qǐng)法國(guó)咨詢公司CTE作為設(shè)計(jì)監(jiān)理負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)圖紙審批工作。

場(chǎng)址區(qū)為近亞速海平原地區(qū)，地勢(shì)較為平坦，址區(qū)主要勘探深度范圍內(nèi)揭露出的地基土層根據(jù)區(qū)域不同主要有兩大類，a類從上至下主要為近代含腐殖物的黑土層、第四紀(jì)粉粘質(zhì)黃壤土層、硬塑性砂質(zhì)壤土層、較深處新近紀(jì)層相間有細(xì)砂層，b類從上至下主要近代含腐殖物的黑土層、第四紀(jì)的粉或砂粘質(zhì)黃壤土層、硬塑性砂質(zhì)壤土層和水飽和細(xì)砂層、較深為新近紀(jì)的粉質(zhì)黏土層，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)各風(fēng)機(jī)點(diǎn)位處分布厚度及深度略有差異，但是地質(zhì)類型大體一致，礦物質(zhì)類型為鈉鎂硫酸鹽及氯離子。根據(jù)地質(zhì)條件和附近類似風(fēng)電工程的經(jīng)驗(yàn)，兩個(gè)區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分別擬采用長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁（CFA）和全護(hù)筒鉆孔灌注樁，樁基承載力均通過(guò)靜載試驗(yàn)確定。

試樁方案設(shè)計(jì)

試樁目的。確定單樁承載力特征值，確定有效樁長(zhǎng)和樁身配筋長(zhǎng)度；確定成樁工藝和成樁設(shè)備的可行性以及施工參數(shù)。

根據(jù)廠家提資基礎(chǔ)荷載、地勘報(bào)告以及以往工程經(jīng)驗(yàn)，選定在a類區(qū)域具有典型地質(zhì)條件的WTG B25風(fēng)機(jī)樁號(hào)上進(jìn)行試樁，試樁類型為長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁（CFA），共需施工試樁7根，樁徑為0.82米，有效樁長(zhǎng)為16米和20米，配筋長(zhǎng)度均為16米，采用抗硫酸鹽混凝土，強(qiáng)度為C30/35。出于對(duì)工期和成本的綜合考慮，靜載試驗(yàn)采用錨樁法，根據(jù)附近類似工程實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)論證，做抗壓靜載試驗(yàn)時(shí)采用工程樁（樁號(hào)為No.11和No.12）做為錨樁。分別在No.13，No.14和No.17試驗(yàn)樁上完成豎向抗壓、水平和豎向抗拔靜載試驗(yàn)后，因未獲得極限抗壓承載力特征值，法國(guó)咨詢公司CTE堅(jiān)持要求做抗壓靜載破壞驗(yàn)證，經(jīng)論證溝通，后選取No.15樁加載至破壞。

表1 試樁統(tǒng)計(jì)

試樁施工和試驗(yàn)全過(guò)程應(yīng)由業(yè)主和設(shè)計(jì)監(jiān)理見(jiàn)證，全部試樁均應(yīng)按要求留置混凝土試塊，成樁工藝和質(zhì)量控制應(yīng)與工程樁一致。試樁前全部樁基應(yīng)進(jìn)行低應(yīng)變法或聲波透射法檢測(cè)樁身完整性，靜載試驗(yàn)應(yīng)在最后澆筑完成的一根樁混凝土齡期達(dá)21天后進(jìn)行。工程樁作為錨樁時(shí)應(yīng)監(jiān)測(cè)工程樁的上拔量。

靜載試驗(yàn)時(shí)通過(guò)連接在錨樁上的反力梁裝置提供反力，用液壓千斤頂直接作用在試驗(yàn)樁進(jìn)行逐步加載。加載應(yīng)逐級(jí)進(jìn)行、每級(jí)加載時(shí)間不應(yīng)小于1小時(shí)，卸載也應(yīng)逐級(jí)進(jìn)行、每級(jí)時(shí)間不小于25分鐘，其中豎向抗壓和抗拔靜載加載每級(jí)50t、分別加載至750t和450t，水平靜載加載每級(jí)6t、加載至72t。豎向抗壓靜載試驗(yàn)沉降量應(yīng)不大于80mm（根據(jù)歐洲樁檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，最大沉降量為樁直徑的0.1），豎向抗拔和水平靜載試驗(yàn)位移量應(yīng)不大于40mm，如樁身破壞、樁側(cè)土體破壞或沉降（位移）速率陡變等時(shí)也應(yīng)終止加載。其中No.15樁抗壓靜載每級(jí)加載120t，直至試樁破壞。

試驗(yàn)結(jié)果及樁設(shè)計(jì)承載力的校核

根據(jù)加載試驗(yàn)記錄整理數(shù)據(jù)，各各試樁試驗(yàn)類型、有效樁長(zhǎng)、最大加載、沉降（位移）及結(jié)果分別為：No.13：抗壓靜載/20m/750t/8mm/未破壞；No.17：抗拔靜載/16m/400t/9mm/未破壞；No.14：水平靜載/20m/80t/25mm/未破壞；No.15：抗壓靜載/16m/630t/45mm，進(jìn)一步加載沉降急劇增大/土體破壞。同時(shí)分別繪制Q~S及S~t曲線，U~Δ及Δ~t曲線和H~Y0及Y0~t曲線。

其中No.15（有效樁長(zhǎng)16米）在豎向抗壓靜載試驗(yàn)中加載到630t時(shí)土體破壞失效，為了獲得No.13（有效樁長(zhǎng)20米）的極限抗壓承載力特征值以便設(shè)計(jì)對(duì)比，根據(jù)No.15樁加載試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)的曲線特征，對(duì)No.13的抗壓靜載Q~S曲線進(jìn)行擬合。從圖5可看出，在各級(jí)荷載作用下不同樁長(zhǎng)的沉降曲線反映出了摩擦型樁的特點(diǎn)，逐步加載后樁下部的樁側(cè)阻力才發(fā)揮出來(lái)，樁長(zhǎng)20米的樁能夠承受比樁長(zhǎng)16米的樁更高的荷載，極限抗壓承載力特征值約為850t。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果和靜載曲線圖，基于試驗(yàn)樁數(shù)的局部安全系數(shù)ξ進(jìn)行較為保守的評(píng)價(jià)，得到的單樁承載力特征值，其中有效樁長(zhǎng)20m的豎向抗壓修正值6071kN、水平修正值514kN；有效樁長(zhǎng)16m豎向抗拔修正值2857kN、豎向抗壓修正值4500kN。其中樁基設(shè)計(jì)受抗壓承載力控制，在豎向抗拔和水平承載力靜載試驗(yàn)中承載力遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，變形量很小，試驗(yàn)未進(jìn)行破壞性驗(yàn)證，均采用保守值。

根據(jù)上部荷載，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)模型建模，每個(gè)基礎(chǔ)含14根有效樁長(zhǎng)為20米的長(zhǎng)螺旋灌注樁（CFA），樁配筋長(zhǎng)度為16米（參數(shù)如試樁No.13），用有限元軟件校核不同工況組合下單樁荷載效應(yīng)最大設(shè)計(jì)值。根據(jù)Eurocode7和IEC61400-1規(guī)范中規(guī)定的樁基承載力計(jì)算原則，同時(shí)運(yùn)用設(shè)計(jì)方法1（DA1，C1和DA2，C2）和設(shè)計(jì)方法2（DA2）的分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算組合效應(yīng)，并考慮相對(duì)應(yīng)的樁抗力分項(xiàng)系數(shù)（R1和R4）分別校核樁基承載力，取受控組合匯總?cè)绫?。經(jīng)計(jì)算樁在設(shè)計(jì)拉力荷載作用下的應(yīng)變分析，在樁長(zhǎng)9米左右處樁側(cè)摩阻力抵消設(shè)計(jì)拉力。

表2 單樁設(shè)計(jì)承載力校核

結(jié)論

在本設(shè)計(jì)的樁筏基礎(chǔ)模型中采用20米有效樁長(zhǎng)的長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁，不全長(zhǎng)配筋，配筋長(zhǎng)度為16米，滿足設(shè)計(jì)要求。與傳統(tǒng)的樁基相比，長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌注樁（CFA）具有施工簡(jiǎn)潔、無(wú)泥漿污染、噪聲小、施工效率高、承載力較高、不受地下水影響、成樁質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外平原地帶的風(fēng)能項(xiàng)目中應(yīng)用非常普遍。相比國(guó)內(nèi)的勘測(cè)設(shè)計(jì)單位，國(guó)外尤其歐洲的設(shè)計(jì)單位積累了很多CFA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)理念值得借鑒和學(xué)習(xí)。

不同于中國(guó)規(guī)范關(guān)于樁基設(shè)計(jì)中采用較為保守的安全系數(shù)法，歐洲標(biāo)準(zhǔn)作為當(dāng)前較新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用分項(xiàng)系數(shù)法，分項(xiàng)系數(shù)可選擇多個(gè)路徑，并可根據(jù)試樁情況調(diào)整分析系數(shù)的數(shù)值，設(shè)計(jì)方法先進(jìn)。歐洲各國(guó)對(duì)設(shè)計(jì)路徑和分項(xiàng)系數(shù)的選擇有各自的規(guī)定和習(xí)慣，尤其值得國(guó)際總承包設(shè)計(jì)和管理人員注意，不僅應(yīng)熟悉歐洲規(guī)范中的設(shè)計(jì)理念，且應(yīng)結(jié)合所在國(guó)及業(yè)主第三方設(shè)計(jì)監(jiān)理的設(shè)計(jì)習(xí)慣開(kāi)展工作，才能做到安全經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一，確保項(xiàng)目效益。