风电场单桩竖向极限承载力估算方法对比分析

梁 海,赵志祥,胡向阳,韩建军,杨 飞

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065;2.内蒙古察哈尔新能源有限公司,内蒙古 乌兰察布 012000)

0 前 言

近年来，风力发电建设发展迅速。风资源较大的海河湖畔、漫滩阶地、冲积平原等地区是投资风电场的理想场地。但该地区往往具有土质松软、地下水埋深浅等特点，地质条件较复杂，进行风电场建设需要进行地基处理，风机地基处理方法通常采用桩基础。而桩基础设计最重要的依据就是单桩竖向极限承载力[1-3]。

单桩竖向极限承载力估算国内常用的方法是JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》给出的经验参数法和静力触探法。经验参数法是根据土的类别、状态与承载力之间的经验关系，查相关表格取值后进行计算，其计算结果经单桩静力载荷试验验证基本满足要求，但计算结果往往偏低。静力触探法一般多采用精确度较高的双桥静力触探试验，其作用机理与桩的作用机理类似，相当于沉桩的模拟试验，双桥静探试验国内已经积累30多年经验，但在山东冲积平原地区应用较少。本文以平原风电场为例，对经验参数法和双桥静探法两种方法估算单桩竖向极限承载力的成果进行对比分析，为同地区类似风电场勘察设计提供借鉴[4-6]。

1 单桩竖向极限承载力估算方法原理

本文根据JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》5.3节中的估算公式，阐述估算方法基本原理[7-9]。

1.1 经验参数法估算原理

当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，宜按公式(1)估算。

Quk=Qsk+Qqk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中:Quk为单桩竖向极限承载力标准值,kN；Qsk、Qpk分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值,kN；u为桩身周长,m；li为桩周第i层土的厚度,m；Ap为桩端面积,m2；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，可按JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》表5.3.5-1取值；qpk为极限端阻力标准值，可按JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》表5.3.5-2取值。

1.2 双桥静探法估算原理

当根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时，对于黏性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按公式(2)计算。

Quk=Qsk+Qqk=u∑li·βi·fsi+α·qc·Ap

(2)

式中：fsi为第 i 层土的探头平均侧阻力,kPa；qc为桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上 4d(d为桩的直径或边长)范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值,kPa，然后再和桩端平面以下 1d范围内的探头阻力进行平均；α为桩端阻力修正系数，对于黏性土、粉土取 2/3，饱和砂土取 1/2；β为第i层土桩侧阻力综合修正系数，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意义同公式(1)。其中双桥探头的圆锥底面积为15cm2，锥角60°，摩擦套筒高21.85cm，侧面积300cm2。

2 风电场工程地质条件

平原风电场位于山东平原县境内，为黄河冲积平原地貌，海拔约18～20m，地形平缓开阔(见图1、2)。地下水类型为第四系孔隙潜水，埋深为1.8～3.5m，调查水位年变幅2m。地层岩性主要为第四系全新统冲积软塑～可塑状粉质黏土和松散～稍密的粉土、粉砂等，单层地层厚度一般3～7m，层内富含透镜体，地层总体上呈互层状。地基土力学性质较差，风机基础不能采用天然地基，设计方案采用桩基础。

图1 现场钻探和标贯试验

图2 现场双桥静探试验

3 单桩竖向承载力成果对比分析

本文选用具有典型地层特征的ZK8和ZK20为代表性钻孔进行两种试验估算成果分析。为方便计算单桩竖向极限承载力，本文桩基设计采用承台高度3m，桩长23m、桩径0.6m的预应力混凝土管桩。承台以下桩长范围内地层厚度和标贯击数统计见表1。

3.1 土体力学参数选取

经验参数法估算单桩竖向极限承载力所采取的桩基力学参数是根据现场勘察中土的性状、土工试验成果以及标贯试验成果进行综合判断，然后按JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》表5.3.5-1和表5.3.5-2查取相应土体力学参数值。静力触探法是用静力将探头以一定的速率压人土中，利用探头内的力传感器，经过自动记录仪来存储贯入整个过程所得到的各种数据，这些数据反映了土的类型、物理性质、力学强度等地质数据，然后对数据统计分析，再通过地质数据与承载力的定量关系式计算单桩竖向极限承载力。

表1 地层厚度和标贯击数统计

根据对平原风电场地质资料、土工试验成果以及标贯试验、静力触探试验(见图3、4)成果分析，估算单桩竖向极限承载力的桩基土体力学参数见表2。

表2 桩基土体力学参数值

3.2 估算结果对比分析

单桩竖向极限承载力是风电场桩基设计的重要依据。估算单桩竖向极限承载力目的是为桩基设计提供设计数据，对桩型选择、桩基设计方案优化提供数据支撑。经验参数法主要是结合现场标贯试验、土的性状等依据现场勘察经验查表确定，由于人为因素影响较多，估算结果误差较大。双桥静探法主要是仪器自动采集数据，以原始数据作为估算参数，相对来说精确度高。如果以双桥静探法估算成果为主要设计依据，可大大减少工程浪费，节约工程投资。

但从表3两种方法估算单桩竖向极限承载力标准值可以看出，双桥静探法估算结果平均值比经验参数法多1 580.6kN，约52.1%。虽然双桥静探法更适应现场的地质环境，能较好地反映沉桩情况，经验参数法估算结果偏于保守，各地区均存在经验参数法比静探法估算结果偏小的现象，有资料显示广西某地区静探法比经验法估算结果约15%[9]，昆明某地区静探法比经验法估算结果约34%[2]，但该场地却约52.1%，差异较大，估算结果有待验证。

图3 ZK8双桥静探试验成果曲线

3.3 估算结果差异性原因分析

根据现场资料以及上述估算结果分析，估算单桩竖向极限承载力的差异性主要为地质数据的获取方式和精确度。经验参数法是根据现场土层性状结合土工试验、标贯试验等获取地质数据，然后采用规范查表法确定桩基力学参数。地下水丰富的平原地区一般都采用泥浆护壁钻探方法，该钻探方法存在以下问题：

图4 ZK20 双桥静探试验成果曲线

(1) 软弱地层钻探中砂层塌孔、软黏土缩孔等现象很常见，这些现象往往造成孔内沉渣厚度大。虽然标贯试验和取样前多次清孔，但器具仍旧很难放入孔底，导致标贯击数一定程度偏小；而标贯试验时钻杆倾斜、钻杆贴紧孔壁这些人为操作因素往往使标贯数据偏大。同时，取样、地层划分也存在一定误差。

表3 经验参数法和双桥静探法估算单桩竖向极限承载力标准值结果对比

(2) 标贯击数和桩基力学参数没有直接建立一一对应关系，而是通过标贯击数确定地基土状态，然后查数据区间表，以至于桩基力学参数选取往往准确度差。

综合以上原因，饱和软弱土地区经验参数法在确定桩基力学参数时存在较大误差。

双桥静探法则是采用静探探头连续压入地层，由自动记录仪记录土层随深度的贯入阻力变化情况，并以曲线的方式自动绘图。该方法获取的是原始地质数据，根据这些数据可以划分土类、确定土类性状、估算单桩竖向极限承载力等，地质数据和桩基力学参数已根据大量工程实践建立了对应关系，成果精确度高。双桥静探试验可以看作是一小直径桩的现场载荷试验，实践结果表明，用双桥静探成果估算单桩竖向极限承载力是行之有效的。但JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》中的估算公式(2)是针对全国的，全国各地区土层成因、类型、状态各有不同，现在已见有资料提出静探法在桩端持力层砂土密实度及桩端进入持力层深度等方面某些情况中存在不完善的地方[10]，公式(2)的适应性还需要根据地区静载荷试验验证和修正。大量静载荷试验验证和修正可使估算成果更符合当地实际，使之取代风机基础试桩成为可能，这将大幅降低工程建设投资成本。

4 结 论

(1) 在饱和软弱地基土中，根据经验参数法和双桥静探法估算单桩竖向极限承载力成果的差异，双桥静探法获取地质数据精确度高，估算成果较为准确可靠，且估算成果大于经验参数法，经验参数法估算成果误差较大且偏于保守。

(2) 本文推荐双桥静探法作为饱和软弱土估算单桩竖向极限承载力的主要方法，经验参数法估算成果可作为辅助参考。

(3)JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》中的估算公式是针对全国的，全国各地区土层成因、类型、状态各有不同，估算公式的适应性还需要根据地区静载荷试验验证和修正。

(4) 基于当地大量静载荷试验分析验证和修正，双桥静探法估算单桩竖向极限承载力成果将更符合当地实际,取代风机基础试桩将成为可能,并大幅降低工程建设投资成本。