平原浅厚砂层沉桩方法探讨

李星

【摘要】目前国内风电有平原、山地、海上三种类型，其中平原风电的风功率较好，适宜风机的运行，发电，且施工难度相对较低。但是大多风机机位的位置属于曾经的黄河古河道，经历过几千年的变化，形成了如今的平原，则风机基础沉桩是将会面临长达数米的砂层，导致管桩无法到达设计要求，需要采取特别的方案，使得沉桩满足设计要求，为风机的承载，抗拉、抗拔提供有力的保障，杜绝因地质的原因而造成施工的停滞及风机运行产生的事故。

【关键词】风机基础、管桩、沉桩施工。

引言

风机基础桩基沉桩是风机安全组立、运行的最大保证。面对不同的地质条件，使得管桩的沉桩满足设计的要求是一个重要的问题，如何在遇见特殊地质依然能够达到设计标高，保证风机基础的质量和安全，缩短工期是本次研究的主要研究方向。

目的和意义：

1.解决面对不同地质情况下管桩沉桩满足设计标高;

2.针对沉桩方案进行优化，降低施工难度、工程造价、和节省沉桩时间，提高人员和沉桩机械的工作及使用效率。

1.概述

2.工程简况

工程位于河南省新乡市获嘉县西南部徐营镇境内，场址中心距离河南省获嘉县城直线距离约13km，本期工程装机容量为40MW，由14台2.2MW风机+4台2.3MW风机组成。

风机是安装金凤GW31-2200-140风电机组，风叶叶轮直径131m，轮毂高度125m，其基础设计级别为1级，结构安全等级为二级，混凝土环境类别为二b类，设计使用年限50年。

根据地质勘探报告，各机位应采用桩基础，基础形式为板式承台+预制预应力管桩，其中与上部塔筒连接采用预应力锚栓组合件。

3.气象水文条件

气象条件

本工程厂址所在地属暖温带大陆性季风气候。1986-2004年年均气温14.6°C，年均无霜期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小时。年平均风速1.9/s，主导风向为东北风（ENE），风向频率9%。有相应观测记录以来，获嘉气象站极端高温42.9℃，极端低温-19.4℃，最大风速为24.7m/s，极大风速为25.8m/s。

水文条件

地下水埋深为8～14 m，丰水期地下水埋深5～10 m。地下水对混凝土结构具微腐蚀性。在长期浸水条件下，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性;在干湿交替的情况下，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。场址周边无大江大河，也无洪水影响。

4.地震、地址条件

场区场地避开了大型断裂和活动断裂构造，场地相对稳定，适宜建场。场址区地基土由第四系冲洪积形成的粉土、粉质黏土与粉细砂组成。拟建场地地震动峰值加速度为0.20g，反应谱特征周期为0.40s，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。拟建场地场地土类型为中软场地土，建筑场地类别为Ⅲ类，因存在液化土层，场地处于对建筑抗震不利地段。地震动峰值加速度应做调整，调整后场地地震动峰值加速度为0.23g。  拟建场地层②中的粉土、层③中局部混的粉土及层④中局部为液化土层，液化最大深度18m，液化等级为轻微～中等。

5.风机基础沉桩问题分析

风机机位点位于为黄河冲积平原，地层岩性主要为第四系全新统冲积粉土、粉质黏 土和粉细砂，土层均匀性较差，性质变化较大。按照国标《岩土工程勘察规范》 （GB50021-2001）（2009 年版）和行标《陆地和海上风电场工程地质勘察规范》 （NB/T31030-2012）规定，地基等级为二级地基（中等复杂地基）。

综合工程重要性等级、场地复杂程度等级和地基复杂程度等级，按照国标《岩 土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009 年版）规定，拟建工程岩土工程勘察 等级为乙级。

此次分析主要针对18#风机机位地质进行延伸探讨，其初次沉桩有效长度不足7m，引孔之后的有效长度也不满足设计院设计沉桩有效长度，达不到设计标高;因此项目部正对18#风机机位基础提出地质重新勘探，重新设计，根据勘察钻孔成果分析，场区地层主要为第四系全新统冲积层（Q4al）， 岩性主要为粉土、粉质黏土和粉细砂。根据钻探成果把场址区勘探范围内 地层自上而下大致分为以下 5 层，分述如下：

1粉土：黄褐、灰褐色，稍密，稍湿，含铁锰质斑纹，干强度低，韧 性低，无光泽，摇振反应迅速，揭露厚度为 2.20m。

2粉砂：黄褐色，中密～密实，稍湿，主要成分为石英、长石、云母

等，层顶埋深 2.20m，揭露厚度为 6.30m。

3细砂：黄褐色，密实状，地下水位以下饱和，主要矿物成分为石英、 长石和云母，颗粒级配较均匀。层顶埋深 8.50m，揭露厚度为 1.80m。

4粉质黏土：黄褐色，硬塑状，含铁锰质斑纹和钙质结核，干强度中 等，韧性中等，切面较光滑。层顶埋深为 10.30m，揭露厚度为 2.10m。

5细砂：黄褐色，密实，地下水位以下饱和，主要矿物成分为石英、 长石和云母，颗粒级配较均匀，局部含中砂透镜体。层顶埋深为 12.40m， 揭露厚度大于 27.60m。

根据上述地勘资料显示，18#机位细砂层厚度大，沉桩过程中管桩阻力大，贯入度不足，导致初次沉桩有效长度达不到设计要求。

6.風机基础管桩布置方案优化

7.管桩布置方案对比

初次管桩布置方案

根据设计院初次提供的18#风机机位管桩布置要求，风机基础外圈半价8，5m布置30根，内圈半径6.75m布置24根，共计54根，设计桩长10m，建议引孔。

二次管桩布置方案

依照18#风机机位二次地勘钻孔资料，设计院在原设计的情况下在半径5m位置增加了6根管桩，共计60根，设计桩长10m，建议引孔。二次沉桩所提供的数据如下表3.1.2-1所示：

如表所示风机基础管桩沉桩有效长度还是不足以满足设计有效长度，设计院在此有效长度下风机基础整体抬高2m，才足以满足有效长度10m。

管桩布置方案比较

两次管桩的布置方案综合考虑，第二次更加适合当时的地质，也为风机的运转提供了更大的安全性，同时也增加了相应的工程造价，加大了施工投入的工期、人力和机械，提高了施工的难度性;同时相比采用灌注桩保证了安全性，降低了工程造价，投入工期、人力、机械和施工的难度性。

8.沉桩方案的技术、经济分析

9.技术分析

预制桩（预应力管桩）是通过打入或压入地基内达到所需的深度，在沉桩过程中，周围土体受到桩体的挤压作用，导致短期内孔隙水压力上升，使土体隆起并向侧向挤压，使应力影响范围内的已有建（构）筑物及道路等产生变形，甚至破坏。同时还会对已施工完毕的工程桩产生挤压，使之产生偏移、上浮等现象。

灌注桩（钻孔灌注桩）采用干作业法或泥浆护壁法成孔，在成孔与成桩的过程中对周围的桩间土没有挤压作用，不会引起土体中超孔隙水压力的增长，因而桩的施工不会不会危及周围相邻建（构）筑物及道路的安全。因此，钻孔灌注桩相比预应力管桩具有无振动、无挤土影响、对周围建筑物影响小等特点，但桩身混凝土强度较低，沉降量较大。

预制桩（预应力管桩）的施工工艺为：测量定位→桩机就位、对中→压桩→接桩→送桩或截桩→静压桩到设计高程。

（1）测量定位：施工前放好轴线和每一个桩位，并涂上油漆使标志明显。

（2）桩机就位、对中：通过压桩机启动纵向和横向行走油缸，将桩尖对准桩位。开动压桩油缸将桩压入土中，待桩下沉达到稳定状态后，调正桩在两个方向的垂直度。

（3）压桩：通过夹持油缸将桩夹紧，然后使压桩油缸伸程，将压力施加到桩上。

（4）接桩：桩的单节长度应根据设备条件和施工工艺确定。当桩贯穿的土层中夹有薄层砂土时，确定单节桩的长度时应避免桩端停在砂土层中进行接桩。当下一节桩压到露出地面0.8～1.0m时，便可接上一节桩。

（5）送桩或截桩：如果桩顶接近地面，而压桩力尚未达到规定值，可以送桩。如果桩顶高出地面一段距离，而压桩力已达到规定值时则要截桩，以便压桩机移位。

（6）压桩结束：当压力表读数达到预先规定值时，便可停止压桩。

灌注桩（钻孔灌注桩）的施工工艺为：桩位放样→钢护筒埋设→泥浆系统布置→桩机就位→钻孔→清孔→装吊钢筋骨架→灌注水下砼→桩基施工完毕、拆卸钻机。

（1）桩位放样：采用丈量法进行桩位测放，在施工期内对测量基线予以保护及定期复核，以保证测量控制精度符合设计要求。

（2）钢护筒埋设：根据桩位，使护筒中心和桩中心重合，偏差小于50mm。护筒与坑壁之间用粘性土填实，确保护筒位置的准确及稳定，再次校正护筒中心偏差，并用水平尺校核护筒的垂直度，使护筒达到水平牢固。

（3）泥浆循环系统布置：配备沉淀池、循环池进行泥浆净化后流回孔内，确保终孔后灌注前孔内泥浆各项指标的要求。

（4）钻机就位：钻机就位底座应垫牢，用水平尺对机座底架进行水平调整，直至钻架垂直地面，天车吊轮、回鉆盘和钻头与桩位四点中心到同一铅垂线上。

（5）钻孔：成孔施工时，钻具（钻头、主动钻杆和副钻杆）要保证垂直度、同心度和连接时整合可靠，以防止孔斜和钻具脱落的事故发生。钻进到设计标高终孔时，应保持钻机空转不进尺10分钟，直至泥浆指标达到一次清孔要求。

（6）清孔：除去孔底沉淀的钻渣和泥浆，以保证灌注的钢筋混凝土质量，确保桩的承载力。

（7）装吊钢筋骨架：钢筋笼在吊运过程中，由于其在纵向抗弯能力较差，必要时在笼内加支撑，以提高笼的刚性。当笼吊至孔口时，使笼中心对准桩位中心，扶正后并缓缓匀速下入孔内，严禁摆动碰撞孔壁，边下钢筋笼边装上保护块。当最后吊筋下至孔口时，固定在孔口的定位架上，将钢笼临时吊于孔口。

（8）灌注水下砼：灌注前料斗下覆隔水盖板。开始灌注时，开启料斗，并立即连续供料，使首批砼一起压住隔水盖板迅速落下。随着砼连续不断地灌入，孔内砼面不断上升，导管的埋深也在不断增加，需要定时测量砼面的上升情况。在灌注中要不断上下提动导管，以防止速度过快而产生空洞及混凝土不能流动钢笼外侧。

参考文献：

[1] 《桩基设计规范》（jgj94-2018）

[2] 《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（gb50202-2018）