王亞輝 劉斯宏 鄧聯(lián)勇

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,長(zhǎng)沙 410014;2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京 210098)

在“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)的戰(zhàn)略背景下,當(dāng)前我國(guó)正處于能源綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,風(fēng)力發(fā)電是能源轉(zhuǎn)型的主力,未來(lái)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向是平原地區(qū)高塔和海上風(fēng)電[1].平原地區(qū)風(fēng)力發(fā)電建設(shè)面臨的一大難題是吊裝施工平臺(tái)的軟基處理.對(duì)于起重量大、起吊高度高的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的吊裝所使用的起吊設(shè)備是超大噸位的起重機(jī),目前常用的是600 t級(jí)以上的履帶式起重機(jī).大噸位的起吊設(shè)備起吊作業(yè)的前提是提供滿足承載力條件的吊裝作業(yè)平臺(tái).由于吊裝平臺(tái)是臨時(shí)作業(yè)平臺(tái),施工完成后需恢復(fù)原貌,吊裝平臺(tái)的復(fù)墾、施工進(jìn)度和成本也是考慮的重點(diǎn)因素.對(duì)于平原風(fēng)電場(chǎng)深層淤泥質(zhì)軟弱地基,采用換填砂石或建筑廢棄磚渣等顆粒料[2-4]的傳統(tǒng)施工方法效率低、成本高,不利于整體進(jìn)度和成本控制,有待尋求一種更為經(jīng)濟(jì)高效的施工方法或技術(shù).

將土石材料裝入一定規(guī)格與性能的土工編織袋形成的土工袋,長(zhǎng)期以來(lái)被應(yīng)用于防洪搶險(xiǎn)或一些臨時(shí)性的擋土建筑物.近年來(lái),劉斯宏等[5-11]對(duì)土工袋的力學(xué)加固機(jī)理、強(qiáng)度變形、減隔震等工程特性開展了系統(tǒng)深入的研究,將土工袋發(fā)展成為一項(xiàng)地基處理新技術(shù),已逐漸開始作為一種永久或半永久性的材料用于房屋基礎(chǔ)、擋墻、邊坡、渠坡等土木水利工程中.鑒于土工袋已成功應(yīng)用于許多永久工程中,在吊裝平臺(tái)這種臨時(shí)工程中更有應(yīng)用價(jià)值,不僅可以利用土工袋抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì),解決吊裝平臺(tái)地基承載力的問(wèn)題,而且可以充分利用現(xiàn)場(chǎng)開挖土料,降低建設(shè)成本,施工完后易于恢復(fù)地基原狀,具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)保意義.為此,本文結(jié)合某平原風(fēng)電場(chǎng)建設(shè),開展土工袋技術(shù)在吊裝平臺(tái)軟基處理中的應(yīng)用研究.

1 項(xiàng)目背景

本文依托的風(fēng)電場(chǎng)工程位于蘇北平原,規(guī)劃總裝機(jī)容量97.5 MW,共裝機(jī)39臺(tái)2.5 MW 分片式混塔機(jī)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組.混塔型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)與空腔承臺(tái),通過(guò)12束錨索張拉連接上部塔筒和基礎(chǔ),風(fēng)機(jī)塔架由4段混塔和3節(jié)鋼塔筒組成,風(fēng)機(jī)輪轂中心高度140 m,葉輪直徑146 m.混塔吊裝單段最大質(zhì)量為291 t.本項(xiàng)目主吊作業(yè)站位區(qū)域尺寸為20 m×35 m,擬選用中聯(lián)ZCC9800Z 型起重機(jī)作為安裝主吊,主吊作業(yè)區(qū)示意圖如圖1所示.

圖1 主吊作業(yè)區(qū)示意圖

根據(jù)設(shè)備參數(shù)、性能、吊裝技術(shù)方案,能夠計(jì)算得到起重機(jī)進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí)平臺(tái)主吊作業(yè)區(qū)域地基受到的平均壓力值,要求主吊作業(yè)區(qū)域地基承載力不小于250 kPa,地基極限承載力fu按地基承載力特征值fak乘以安全系數(shù)(Fs=2.0)計(jì)算[11],此處吊裝平臺(tái)的主吊作業(yè)區(qū)域地基極限承載力必須滿足fu≥500 kPa.

風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域地貌屬于里下河淺洼平原區(qū),地形整體較平坦,地勢(shì)開闊.項(xiàng)目所在區(qū)域地質(zhì)表層為素填土或淤泥質(zhì)土,其下為可塑-硬可塑狀黏土、粉質(zhì)黏土、粉土層,地基承載力較低.多數(shù)機(jī)位點(diǎn)處于湖泊沉積部位和河溝邊,淤泥層較厚,部分超過(guò)6 m 深.為了滿足施工吊裝平臺(tái)場(chǎng)地的地基承載力,目前設(shè)計(jì)的施工方法是換填,將原有軟弱層和淤泥挖除,然后換填砂石或磚渣等建筑廢料分層壓實(shí),并鋪設(shè)鋼板夾層.對(duì)于軟弱層厚度較小的機(jī)位點(diǎn)采用這種方法施工比較簡(jiǎn)單,但如果軟弱層較厚,則換填量太大,施工工效很低,成本也會(huì)隨之增加,工期也沒(méi)有保證.因項(xiàng)目風(fēng)機(jī)機(jī)位點(diǎn)較多,多個(gè)機(jī)位點(diǎn)同步施工,磚渣消耗量大,實(shí)際施工中周邊市場(chǎng)的磚渣等建筑廢料不能滿足施工需求,施工進(jìn)度也受到回填料料源的影響.為此,本項(xiàng)目部分機(jī)位點(diǎn)擬采用土工袋技術(shù)對(duì)其風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)場(chǎng)地進(jìn)行處理,以減少磚渣用量,提高地基承載力,滿足現(xiàn)場(chǎng)的吊裝施工要求.

2 土工袋技術(shù)原理

土工袋是指將土石材料裝入具有一定規(guī)格與材料特性的編織袋中形成的袋裝體.根據(jù)研究[5-8]表明:土工袋受到外力作用后,袋體發(fā)生壓縮變形,引起袋子伸長(zhǎng),從而在袋子中產(chǎn)生張力T;同時(shí)張力T會(huì)對(duì)袋內(nèi)土體產(chǎn)生約束作用,使得袋內(nèi)土顆粒間的接觸力增大,袋內(nèi)土體的抗剪強(qiáng)度也隨之增大.將其作為加固層布置于靠近基礎(chǔ)的土層,能夠大大提高地基承載力.根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則,極限狀態(tài)下袋內(nèi)土體的大、小主應(yīng)力關(guān)系可以表示為[5]:

式中:σ1f、σ3f為外荷載;c為土工袋內(nèi)部土體黏聚力;T為袋子張力;B、L、H分別為土工袋的長(zhǎng)、寬、高;Kp=(1+sinφ)/(1-sinφ),相當(dāng)于袋內(nèi)土體的被動(dòng)土壓力系數(shù);cT為土工袋張力引起的附加黏聚力.

從式(2)可知,土工袋張力引起的附加黏聚力cT是袋內(nèi)土體強(qiáng)度、袋體強(qiáng)度(張力T)及袋體形狀(長(zhǎng)度B、高度H)綜合作用的結(jié)果.袋內(nèi)土體強(qiáng)度對(duì)附加黏聚力cT的影響是通過(guò)被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp間接反映的,如果袋內(nèi)土體的強(qiáng)度較低,黏聚力cT可通過(guò)調(diào)整土工袋尺寸大小或提高袋體強(qiáng)度的方式達(dá)到一個(gè)較大值,使土工袋具有較高的強(qiáng)度,因此對(duì)土工袋內(nèi)的土體不作嚴(yán)格限制,可以是各類現(xiàn)場(chǎng)開挖土、建筑垃圾、甚至淤泥土等.

將高強(qiáng)度的土工袋堆疊在地基中,若干層后形成了一個(gè)整體,相當(dāng)于在軟土層表面形成了一個(gè)硬殼層,其強(qiáng)度和剛度均大于其下軟弱土層,對(duì)于上部荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力具有明顯的擴(kuò)散作用,使得地基承載力提高、沉降變形減小.

3 土工袋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地條件

為驗(yàn)證土工袋處理吊裝平臺(tái)地基的可行性,選擇地質(zhì)條件較差的T30 機(jī)位點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn).試驗(yàn)場(chǎng)地的地層情況及相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)見表1.可見,該風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)場(chǎng)地各土層的承載力特征值均低于要求的地基承載力(fak=250 kPa),尤其是接近場(chǎng)地表層的素填土和淤泥土層承載力特征值甚至小于100 kPa,遠(yuǎn)不能夠滿足作為風(fēng)機(jī)主吊平臺(tái)場(chǎng)地的地基承載力特征值要求.

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地地層力學(xué)指標(biāo)

3.2 土工袋設(shè)計(jì)

理論上講,土工袋越小,強(qiáng)度越高,但裝袋工效低.綜合考慮試驗(yàn)點(diǎn)的土質(zhì)情況與施工工效,擬選用尺寸為2.0 m×1.0 m×0.5 m 的大型土工袋,每個(gè)土工袋裝土量約1.0 m3.袋體材料為聚丙烯(PP),單位面積質(zhì)量230 g,經(jīng)、緯向拉伸強(qiáng)度分別為40 k N/m 與30 k N/m,經(jīng)、緯向伸長(zhǎng)率≤18%,顏色為黑色,抗紫外線老化(II型熒光紫外燈照射150 h)強(qiáng)度保持率不小于75%.為了提高袋體的拉伸強(qiáng)度,并便于吊裝鋪設(shè),袋體采用加筋帶加強(qiáng)兼吊裝用.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,可能用于裝袋的材料為粉土或素土摻適量的磚渣.如果袋內(nèi)裝填粉土,則采用的土工袋強(qiáng)度為558.8 kPa;如果袋內(nèi)裝填素土摻適量的磚渣,其強(qiáng)度指標(biāo)為φ=30°,c=32 kPa,則采用的土工袋強(qiáng)度計(jì)算值為614.9 kPa.土工袋本身的強(qiáng)度大于現(xiàn)場(chǎng)吊裝平臺(tái)極限承載力500 kPa,因此土工袋可以替代磚渣,用于提升現(xiàn)場(chǎng)吊裝平臺(tái)地基承載力的材料.

3.3 土工袋布置

試驗(yàn)在一個(gè)平面尺寸為6 m×6 m、深1.5m 的試坑內(nèi)進(jìn)行,試坑基面為淤泥土層.根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),考慮土工袋加固層厚度的影響,試驗(yàn)共設(shè)置4層與5層土工袋兩個(gè)方案.圖2為5層土工袋方案的示意圖,在試坑基面及每層土工袋間布置了一定數(shù)量的土壓力計(jì).

圖2 土工袋鋪設(shè)(5層)及土壓力計(jì)布置示意圖

假定土工袋處理層按加筋土墊層考慮,參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)[12],根據(jù)雙層地基理論[13],使用應(yīng)力擴(kuò)散角法(如圖3所示)預(yù)估地基承載力特征值.

圖3 應(yīng)力擴(kuò)散法計(jì)算示意圖

式中:D為加固層厚度;B為條形基礎(chǔ)寬度;N c和N q為承載力系數(shù),與土的內(nèi)摩擦角相關(guān);φ和c為土層內(nèi)摩擦角和黏聚力;q為基礎(chǔ)兩側(cè)超載;α為應(yīng)力擴(kuò)散角.應(yīng)力擴(kuò)散角的取值是應(yīng)力擴(kuò)散法計(jì)算精度的關(guān)鍵,應(yīng)力擴(kuò)散角的取值一般可通過(guò)試驗(yàn)取得.根據(jù)土工袋技術(shù)已有的試驗(yàn)研究,取應(yīng)力擴(kuò)散角40°.

地基容許承載力fak(也稱特征值)一般取地基極限承載力fu的一半.《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB 33/T1136—2017)5.2.4[14]規(guī)定,當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3 m 或埋置深度大于0.5 m 時(shí),從載荷試驗(yàn)或其他原位測(cè)試、經(jīng)驗(yàn)值等方法確定的地基承載力特征值,尚應(yīng)按下式修正:

式中:fa為修正后的地基承載力特征值;ηb、ηd為基礎(chǔ)寬度和埋置深度的地基承載力修正系數(shù),按基礎(chǔ)底下土的類別查表取值,淤泥土的地基承載力修正系數(shù)ηb為0、ηd為1.0;γ為基礎(chǔ)底下土的重度;γm為基礎(chǔ)地面以上土的加權(quán)平均重度.

5層土工袋碾壓前厚度為2.5 m,假定碾壓后的厚度為2.4 m,根據(jù)表1 的土層力學(xué)參數(shù),按公式(3)～(7)計(jì)算得到土工袋加固后的地基承載力特征值約為282.8 kPa,可達(dá)到設(shè)計(jì)要求的250 kPa.

3.4 試驗(yàn)概況

圖4為土工袋現(xiàn)場(chǎng)施工流程.試坑開挖完成后將淤泥土整平,然后直接在淤泥土層鋪填土工袋.考慮到在淤泥土上原位裝填土工袋存在施工人員與機(jī)械操作困難等問(wèn)題,因此土工袋事先在選定的堆土場(chǎng)地提前裝填制作好,然后吊運(yùn)到試坑內(nèi)集中鋪設(shè).為了充分發(fā)揮土工袋的張力作用,土工袋采用層間縱橫十字交錯(cuò)排列方式[15]進(jìn)行鋪設(shè),每層土工袋鋪設(shè)完成后,用挖機(jī)將表面拍打平整.全部土工袋鋪設(shè)完成后使用素土填平試坑,采用20 t的振動(dòng)碾在試坑表面進(jìn)行碾壓.

圖4 土工袋加固地基施工流程

碾壓完成后,開展平板載荷試驗(yàn),如圖4(d)所示.平板載荷試驗(yàn)承壓板為邊長(zhǎng)100 cm、厚2 cm 的正方形鋼板,分8級(jí)加載,每級(jí)加載后間隔10、10、10、15、15 min測(cè)讀一次沉降量,以后每隔半小時(shí)測(cè)讀一次沉降量,當(dāng)連續(xù)2 h 內(nèi),每小時(shí)的沉降量小于0.1 mm 時(shí),則認(rèn)為已趨穩(wěn)定,可施加下一級(jí)荷載.在載荷試驗(yàn)的不同階段監(jiān)測(cè)土工袋層間土壓力.

3.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)p-s曲線

表2為4層與5層土工袋試驗(yàn)方案的平板載荷試驗(yàn)每級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的累積沉降量.以累計(jì)沉降量s為橫軸,豎向荷載p為縱軸,繪制得到的p-s曲線如圖5所示.

表2 平板載荷試驗(yàn)累計(jì)沉降量 (單位:mm)

圖5 不同工況下土工袋加固地基的p-s 曲線

根據(jù)規(guī)范[13]規(guī)定,4層土工袋方案累計(jì)沉降60 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的豎向荷載約470 kPa,取極限荷載的一半即235 kPa為承載力特征值,略小于設(shè)計(jì)要求的250 kPa,但在試驗(yàn)過(guò)程中,荷載板沉降位移至最后一級(jí)荷載施加始終是緩慢增長(zhǎng),地基穩(wěn)定,未達(dá)到極限破壞狀態(tài);5層土工袋方案累計(jì)沉降60 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的豎向荷載約為520 kPa,取極限荷載的一半即260 kPa為承載力特征值,滿足設(shè)計(jì)要求250 kPa,同時(shí)與前述將土工袋處理層按加筋土墊層考慮計(jì)算得到的承載力特征值基本接近.

2)土壓力分布

圖6為5層土工袋方案試驗(yàn)測(cè)得的承壓板中心點(diǎn)以下土工袋加固層內(nèi)土壓力沿深度方向的變化.可以看出,土壓力隨深度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì),在場(chǎng)地表層的土壓力最大.隨著豎向荷載的增大,土工袋張力的發(fā)揮更為明顯,加固層的剛度增大,土壓力隨深度的衰減變得更為顯著.

圖6 5層土工袋方案承壓板中心點(diǎn)以下土壓力沿深度的變化

圖7(a)為5層土工袋方案深度1.5 m 處試驗(yàn)測(cè)得的土壓力沿水平方向的分布.可以看出,在同一深度、同一豎向荷載作用下,承壓板下的土壓力最大,隨著距承壓板中心距離的增大,土壓力逐漸減小,在距離承壓板1.8 m 處測(cè)點(diǎn)的土壓力隨豎向荷載的變化較小.測(cè)點(diǎn)的土壓力包括兩部分,一部分是上部土體的自重應(yīng)力,另一部分由豎向荷載引起的附加應(yīng)力.土工袋加固層的重度按17 k N/m3考慮,1.5 m 深度處的自重應(yīng)力為25.5 kPa,扣除自重應(yīng)力后的土壓力即為豎向荷載引起的附加應(yīng)力,其分布如圖7(b)所示.可見,在距離承壓板1.8 m 處測(cè)點(diǎn)附加應(yīng)力值基本為零,按此計(jì)算土工袋加固層的應(yīng)力擴(kuò)散角為40.9°.

圖7 深度1.5 m 處測(cè)點(diǎn)土壓力沿水平向的變化

4 與常規(guī)換填方案的比較分析

土工袋加固方案與常規(guī)的建筑廢料換填方案可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比.

1)施工效率與成本方面:開挖換填方案需要將淤泥等軟弱土層全部挖除,淤泥層較深的機(jī)位開挖量大,開挖形成的基坑需要做支護(hù),施工難度加大,并且回填料需要外購(gòu),施工完成后需要將回填料挖除進(jìn)行外運(yùn),施工成本較高;而土工袋能夠利用風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)場(chǎng)地開挖的大量棄土就地取材直接裝袋,可以采用專用機(jī)械預(yù)先制作,回填、碾壓能夠同步進(jìn)行,施工進(jìn)度快、成本小.

2)復(fù)墾及環(huán)保性方面:開挖換填方案采用的建筑廢渣容易嵌入原有地基土中,施工完成后進(jìn)行挖除復(fù)墾時(shí)容易將部分殘?jiān)粼诘鼗林?復(fù)墾難度大,環(huán)保性較差;土工袋加固方案能夠在施工結(jié)束后直接吊出,并在類似的吊裝平臺(tái)基坑或其它工程中重復(fù)使用,復(fù)墾難度小,有利于施工場(chǎng)地的環(huán)境保護(hù).

3)加固效果方面:開挖換填法的場(chǎng)地承載力受回填料和壓實(shí)密度影響較大,特別是對(duì)于軟弱層較厚的部位效果更差;土工袋加固方案則主要通過(guò)袋子發(fā)揮張力約束袋內(nèi)土體,加固層的承載能力受袋內(nèi)材料影響并不顯著,分層鋪設(shè)厚度均勻,特別是對(duì)于深淤泥部位優(yōu)勢(shì)更為明顯.

總之,相較于常規(guī)的開挖換填方案,土工袋加固方案除了能夠滿足施工場(chǎng)地的地基承載力要求外,還具有能就地取材、施工效率高、復(fù)墾容易、成本低、環(huán)保性好等諸多優(yōu)勢(shì).

5 結(jié)論

本文結(jié)合江蘇某平原風(fēng)電場(chǎng)建設(shè),通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了土工袋技術(shù)在吊裝平臺(tái)軟基處理中應(yīng)用的可行性,得到了以下主要結(jié)論:

1)土工袋的強(qiáng)度提高源于在外力作用下袋子張力產(chǎn)生的附加黏聚力,且附加黏聚力是袋子張力、袋體尺寸與袋內(nèi)土體強(qiáng)度綜合作用的結(jié)果.袋內(nèi)土體強(qiáng)度對(duì)附加黏聚力的影響通過(guò)被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp間接反映,因此現(xiàn)場(chǎng)開挖的低強(qiáng)度淤泥質(zhì)土可以直接用于裝袋.

2)土工袋加固層能夠顯著提升吊裝平臺(tái)軟基的承載力.對(duì)于本試驗(yàn)點(diǎn)較深的淤泥土層,采用5層土工袋加固,地基承載力特征值達(dá)到260 kPa,能夠滿足風(fēng)機(jī)主吊平臺(tái)場(chǎng)地的地基承載力特征值要求.

3)土工袋加固層具有較高的抗壓強(qiáng)度和剛度,按加筋土墊層考慮,采用應(yīng)力擴(kuò)散的方法計(jì)算地基承載力是可行的.試驗(yàn)得到的土工袋加固層應(yīng)力擴(kuò)散角約為40°.

4)相較于常規(guī)的開挖換填方案,土工袋加固方案除了能夠滿足施工場(chǎng)地的地基承載力要求外,還具有能就地取材、施工效率高、復(fù)墾容易、成本低、環(huán)保性好等諸多優(yōu)勢(shì),在臨湖平原風(fēng)電場(chǎng)厚淤泥等軟弱地質(zhì)條件下的吊裝平臺(tái)施工中具有很好的應(yīng)用前景.