咬合桩工艺在风场中的应用

陈西平

摘 要：咬合樁是桩与桩之间形成相互咬合排列的一种基坑围护结构；
施工时先施工A桩，后施工B桩，在A桩混凝土初凝后、终凝前切割A桩相交部分的混凝土，在浇筑B桩从而实现咬合。新型钻孔咬合桩筒型基础结构创新地将桩基础与基坑支护墙技术结合组成大直径筒型结构，形成土体-筒形结构-小承台结构-锚笼的组合体系，从而形成大直径筒型基础结构。

关键词：咬合桩；
筒型基础；
桩墙

中图分类号：TU753.3                            文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）02-0107-03

0 引言

钻孔咬合桩采用机械钻孔施工，桩与桩之间相互咬合排列。施工主要采用“套管钻机+普通混凝土”方案。钻孔咬合桩的排列方式采用，第一序桩素混凝土（A桩）和第二序钢筋混凝土桩（B桩）间隔，先施工A桩，后施工B桩，B桩施工时，利用套管钻机的切割能力切割掉相邻A桩的部分混凝土，则实现了咬合。

1 咬合桩设计

华能通榆200万kW风电平价上网项目位于白城市通榆县开通镇、什花道乡和八面乡境内，距离通榆县约15 km左右，距离长春市约240 km。位于东经123°18"（风电场中心），北纬44°48"（风电场中心），海拔高度约为135～155 m；
此次实验样机选取EN-156/3.3机型机位的基础进行设计及计算。

新型基础结构承台直径14 m，高3.5 m，桩长12.5 m，底部基础采用新型钻孔咬合桩筒型基础结构。

1.1 风机荷载

本项目实验样机拟选用远景EN-156/3.3机型[1]，经统计后，选取计算中用到的风机荷载标准值见表1。

1.2 检算内容

依据《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》[2]规定，风电机组地基基础设计及检算应进行地基承载力验算、抗滑移稳定验算、抗倾覆稳定验算、沉降及变形验算等有关基础安全的其他验算。

1.3 基于规范的工程算法

1.3.1 计算依据

新型钻孔咬合桩筒型基础没有完全一致的既有基础结构设计规范可直接套用，但其承载和受力机理上与《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》[2]较为一致，因此拟将新型钻孔咬合桩筒型基础进行等效处理后，依据此进行计算分析。

1.3.2 地基计算

1.3.2.1 地基承载力特征值

地基承载力特征值可由荷载试验或其他原位测试，公式计算及工程类比等方法综合确定，根据地勘报告，采用荷载试验与公式计算两种方法计算[2]。

由于机位处地下水位埋深在2.2 m左右，此次计算中土体重度及加权平均重度，均取浮重度作为有效重度进行计算。按照等效计算筒型基础尺寸及土质参数取值，计算得到筒型基础修正后土体地基承载力特征值fa=301.73 kPa（其中⑦粉质粘土的c及φ取场区地勘报告中的均值）。

1.3.2.2 基底压力

承受轴心荷载的计算如式（1）。

Pk ≤  fa                                                                    （1）

式中：Pk为荷载效应标准组合下，基础底面处平均压力单位kPa 。

经计算：

Pk=113.74 kPa

式中：
fa1、fa2为修正的地基承载力，fa1取394.82 kPa，fa2取301.73 kPa。所以Pk< fa1，Pk

1.3.2.3 预应力筒型基础按刚性基础计算

地基土体按照线弹性假定，筒型基础地基计算如式（2）、（3）所示。

基础侧面横向压应力应满足下列要求：

（2）

（3）

依据上述要求进行计算，得到以下两个结果。

①深度h/3处为粉砂，c、φ值取地勘报告中的经验值c=2.0 kPa，φ=35°。按照地基土体线弹性假定，此h/3处基础侧面横向压力值为：

σh/3=63.94 kPa＜γh/3（ηKp－Ka）+2c（η        +        ）

=147.12 kPa

σh/3满足要求。

②深度h处为粉质粘土，c、φ值取地勘报告中的经验值c=37.5 kPa，φ=11.7°。按照地基土体线弹性假定，此h处基础侧面横向压力值为：

σh/3=205.77 kPa＜γh（ηKp-Ka）+2c（η        +        ）

=251.86 kPa

σh/3满足要求。

1.3.2.4 基础水平变形和基础转角

预应力筒型基础按《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》[2]中刚性基础计算。地基土体按照线弹性假定，筒型基础地基计算应符合式（4）、（5）的规定：

基础顶面水平变形和基础转角应满足下列要求：

y0·tanω≤0.020                                                       （4）

ω≤0.004                                                             （5）

筒型基础的倾斜变形参考基础变形控制，转角按照0.004控制，顶面水平位移根据工程经验按20 mm控制。经计算，筒型基础顶面水平变形和基础转角为：

y0·tanω=3.37e-5≤0.020

ω=0.00018≤0.004

满足要求。

1.3.2.5 抗倾覆稳定验算

筒型基础抗倾覆承载模式如图1所示，在基础顶面弯矩的作用下，基础可能围绕底面上垂直于ab的某一条弦发生转动，即导致基础倾覆。因此应找到基础最有可能产生倾覆的轴线位置，进行抗倾稳定性验算。如图1所示，在图示荷载作用下，假设基础有可能绕断面mn发生倾覆，因此设该断面与ab的交点为x。

将荷载及筒体、筒内土体自重换算到筒底中心处，得：

竖向力V=4 358.90 kN

横向力H=894 kN

弯矩M=96673.7 kN·m

迭代计算确定基础的最危险旋转轴位置：

ox=7 m

MV=VλR=300 549.79 kN·m

水平荷载导致的倾覆力矩为：

MH=3 307.8 kN·m

筒型基础的总抗倾力矩为：

MR=MV=30 0549.79 kN·m

筒型基础受到的倾覆力矩为：

Mq=MH+M=9 9981.50 kN·m

筒型基础的抗倾安全系数为：

SFt=MR/Mq=300 549.79/9 9981.5=3.01  满足要求。

1.3.2.6 抗滑稳定性验算

抗滑移稳定验算应按照《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》[2]正常运行荷载工况基本组合、极端荷载工况基本组合、罕遇地震工况基本组合分别验算，并求取对应内容的荷载分项系数。

基于以上荷载计算，进一步经折算后得到基础底部、极端荷载工况基本组合（荷载分项系数为1.0）为：

Mk= 96 673.70 kN·m

Nk= 15 926.29 kN

Fk= 894 kN

计算得到基础底面抗滑力为：

FR=μ·Nk=4 777.89 kN

其中，基礎底部与地基摩擦系数取0.3。

因此，FR/FS=5.34＞1.3 ，满足要求。

1.3.2.7 沉降计算

在计算地基沉降变形时，为了便于计算，将基础圆形截面按面积等效成矩形截面，其边长D计算如公式（6）

D=        =12.4 m                                                   （6）

d为筒型基础直径，d取14 m。

地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论假定。

经计算，可得POK=103.5 kPa。

桩基沉降计算深度 Zn应按应力比法确定，即计算深度处的附加应力σ计算[3]如式（7），深度取23 m，沉降计算见表2。

σz=0.2σc                                                                                                                （7）

假定Zn=23 m，σz=103.5 kPa≤0.2，σc=132.4 kPa，需要对得出的最终沉降进行修正，修正系数根据地区变形观测资料及经验确定，无地区经验时可Es=18.2 MPa。

最终计算各工况下的最终沉降值s=35.2 mm。

轮毂高度90 m

2 咬合桩检测

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）第4.6.16条的规定：咬合桩基础的检测应采用声波透射法对墙体混凝土质量进行检测，检测墙段数量不宜少于同条件下总墙段数的20%，且不少于3幅墙段。本工程咬合桩基础总桩数为70个，本次检测拟对该工程抽取3处采用声波透射法进行墙身结构质量检测，其余准备2个槽段备用。

2.1 仪器设备

拟采用北京市康科瑞工程檢测技术有限公司生产的NM-4A非金属超声检测分析仪（出厂编号：NM-4A-685）。

2.2 现场检测前准备工作

具体有以下6点：①采用标定法确定仪器系统延迟时间。②计算声测管及耦合水层声时修正值。③在咬合桩基础顶测量相应声测管外壁间净距离。④将各声测管内注满清水，检查声测管畅通情况，换能器应能在全程范围内升降顺畅。⑤检测前需收集地质勘察报告、咬合桩基础相关图纸及施工记录等资料。⑥将伸出墙顶的声测管切割到同一标高，测量管口标高，作为计算各测点高程的基准，并向管内注入清水，封口待检。

2.3 声测管埋设要求

具体有以下8点：①声测管应具有一定的强度、韧性及刚度，宜采用内径为50 mm的钢管，接头宜采用螺纹连接。②声测管的管道应畅通，管中间不能有阻塞，以保证换能器能顺利升降。③测管应焊接或绑扎在钢筋内侧，声测管应顺直且平行。④声测管应密封，在底部和接口处要做到密封不漏水，在顶部加盖（测试时打开）。⑤混凝土浇筑前管内注满清水。⑥声测管底部应与检测构件底部齐平，管的顶部应高出检测工作面300 mm以上。⑦单个直槽段中的声测管埋置数量根据槽段长度确定，声测管间距不大于2.0 m，声测管距咬合桩基础端头不小于0.5 m，呈平行四边形布置。对于转角槽段，拐角处声测管埋设数量设为3根，对于长边根据实际情况按照声测管间距不大于2.0 m的原则进行增加埋设声测管。

3 结语

通过基于国内现行规程规范的工程算法和有限元数值模拟计算结果，可以得到以下3点结论。

第一，新型钻孔咬合桩筒型基础整体方案的地基承载力、倾斜率、变形、稳定性满足地基计算要求。

第二，基础结构受力及初步配筋满足基础计算要求。

第三，新型钻孔咬合桩筒型基础初设体型与常规基础对比，其承台C40混凝土用量减少129 m3（减少26.88%），桩基C30混凝土用量增加40 m3（多12.05%），混凝土整体用量减少114.3 m3（减少13.6%）。咬合桩与常规基础对比如表3所示。

参考文献

[1] 远景风力发电机组 EN33_EN156_110HH-基础载荷报告[R].

[2] NB/T 10311-2019 陆上风电场工程风电机组基础设计规范[S]

[3] JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S].