CN116657643B - 适用于沙漠地质的管桩类风机基础及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了适用于沙漠地质的管桩类风机基础及施工方法，适用于风力发电工程建设中风机基础持力层为沙漠区域典型细砂层的情形，也可适用于类似的砂性地质条件。在钢筋混凝土扩展基座的下部设置预应力管桩群桩，并在二者之间设置褥垫层，以形成分离式构造衔接同时组成复合受力结构，对风机扩展基础持力砂层进行复合地基处理加强，避免了高代价的长桩穿透细砂层的设计，能成功解决沙漠地区风力发电机基础的设计和施工技术问题。

Description

适用于沙漠地质的管桩类风机基础及施工方法

技术领域

本发明属于风机基础施工领域，具体涉及适用于沙漠地质的管桩类风机基础及施工方法。

背景技术

风机已遍及全国各地的山岭、平原、高原、戈壁、近海，甚至沙漠及边缘地区。在国家政策鼓励以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点，加快推进大型风电基地建设的大背景下，风力发电工程项目建设已愈来愈近的向沙漠及边缘地区扩展。然而，相比其它环境，沙漠地区虽然风资源丰富，但工程建设环境恶劣，需面临特殊的气象条件、地质特性和沙害等不利因素。

例如某沙漠地区的环境是低山丘陵、山前倾斜戈壁平原、半固定沙丘及平缓沙地等，特征是气候干燥、风沙大、降雨量稀少、地表植被稀疏、低矮或无植被，地层主要为第四系风积砂层，厚10-30m，中密-密实。对于风力发电项目，风机基础是最核心的建筑物，也是风力发电场最重要的土建工程，承担着上部风力发电机和风机塔筒传递下来的各类荷载。然而沙漠边缘地带典型机位地层自上而下分布有细砂、中细砂和砾砂等，稳定性、粘结性和承载力等力学性能较差，对于建造风机基础很不利。

建设沙漠区域的风力发电工程时，根据地质勘察钻芯取样数据和力学性能试验分析，风机基础底部将不可避免的位于力学性能较差的细砂层上。风机扩展基础底部持力层坐落在细中砂层上时，如何对风机基础进行方案设计和研究合适的施工技术方案，全局考虑设计方案的合理性和施工的可行性，以确保风机基础和上部结构的稳定性，是开展沙漠地区预应力管桩复合地基设计施工关键技术研究应用的关键。

按传统的风机基础设计理念，将常规的风机扩展基础底部持力层直接坐落在细砂层上不能确保风机基础的安全性和稳定性。须在基础底部设计凝土灌注桩群桩基础，桩基穿透细砂层，打入下部基岩或其它适宜作为持力层的土层中。然而，沙漠地区往往砂层很厚（厚度10～30m不等），灌注桩穿透至下部可持力地层的工程造价太高，经济性差。

发明内容

本发明目的在于提供适用于沙漠地质的管桩类风机基础及施工方法，以克服上述技术缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了适用于沙漠地质的管桩类风机基础的施工方法，包括：

确定具有沙漠地质的区域为目标作业区；

基坑开挖；

对预应力管桩群桩的桩位放线；

在桩位所在位置实施分级灌水引孔；

将预应力管桩群桩锤击沉桩；

褥垫层施工；

基础垫层施工；

锚栓组合件安装；

钢筋混凝土扩展基座施工；

基础回填；

碎石盖重施工。

在桩位所在位置实施分级灌水引孔，具体包括：

步骤1，对桩位所在位置提前1小时浸水；

步骤2，取长螺旋钻机在桩位处钻I级引孔；

步骤3，向I级引孔内灌水形成护壁；

步骤4，在I级引孔内继续下钻，形成II级引孔；

步骤5，向II级引孔内灌水形成护壁；

重复步骤4-5，直至完成分级灌水引孔。

褥垫层施工包括：在预应力管桩群桩的露头端铺设褥垫层，褥垫层覆盖所有预应力管桩群桩。

基础垫层施工包括：取电缆穿管，将电缆穿管向下穿过褥垫层后再自预应力管桩群桩的孔隙穿过，最终电缆穿管向上穿出褥垫层，在褥垫层的表面浇筑基础垫层。

锚栓组合件安装包括：在基础垫层内预埋下锚板支撑埋件，在下锚板支撑埋件上焊接固定下锚板支撑，在下锚板支撑上套装下锚板，取高强预应力锚栓贯穿下锚板，在高强预应力锚栓的顶端套装上锚板，紧固所有连接件。

钢筋混凝土扩展基座施工，基础回填，碎石盖重施工，具体包括：在基础垫层上浇筑混凝土，浇筑完成后进行保温和养护，直至形成钢筋混凝土扩展基座，当钢筋混凝土扩展基座的强度达到规定强度时，在钢筋混凝土扩展基座的围绕区域铺设基础回填层，在基础回填层的表面铺设碎石盖重。

本发明还提供了适用于沙漠地质的管桩类风机基础，包括埋设在沙漠地质的地下的预应力管桩群桩，在预应力管桩群桩的桩顶铺设有褥垫层，在褥垫层的表面浇筑有基础垫层，在基础垫层的表面安装有锚栓组合件；

在基础垫层的表面浇筑有钢筋混凝土扩展基座；

钢筋混凝土扩展基座的围绕区域铺设有基础回填层；

在基础回填层的表面铺设有碎石盖重。

锚栓组合件包括：在基础垫层内预埋有下锚板支撑埋件，在下锚板支撑埋件上焊接固定有下锚板支撑，在下锚板支撑上套装有下锚板，下锚板上贯穿有高强预应力锚栓，在高强预应力锚栓的顶端套装有上锚板；

所有组合件紧固连接。

本发明的有益效果如下：

（1）在钢筋混凝土扩展基座的下部设置预应力管桩群桩，并在二者之间设置褥垫层，以形成分离式构造衔接同时组成复合受力结构，只承受上部基础传递的下压力不传递上拔力，从而能够更有利的利于预应力管桩群桩的优异受压性能，避免其承受不利的拉力被拉断或者拔出。

（2）根据沙漠地质特征，采用分级灌水引孔护壁和预钻引孔，避免了复杂的泥浆护壁工艺和设置，巧妙的解决了预制管桩在沙漠砂层中沉桩问题，同时还适用于类似地质条件下风力发电机基础的设计施工。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是分级灌水护壁钻孔打桩的施工流程图。

图2是管桩类风机基础的剖视图。

图3是锚栓组合件的结构示意图。

图4是预应力管桩群桩的布置图。

图5是分级灌水引孔的作业流程图。

附图标记说明：

100.预应力管桩群桩；200.褥垫层；300.基础垫层；400.基础回填层；500.钢筋混凝土扩展基座；610.下锚板支撑埋件；620.高强预应力锚栓；630.上锚板；640.下锚板支撑；650.下锚板；700.碎石盖重；800.电缆穿管；900.开挖线。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

需说明的是，在本发明中，图中的上、下、左、右即视为本说明书中所述的适用于沙漠地质的管桩类风机基础的施工方法的上、下、左、右。

现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本实施方式涉及适用于沙漠地质的管桩类风机基础的施工方法，包括：

（1）确定具有沙漠地质的区域为目标作业区。

这里的沙漠地质不仅仅指沙漠地区，也可以是类似地质条件的区域。

即管桩类风机基础的施工方法适用于风力发电工程建设中风机基础持力层为沙漠区域典型细砂层的情形，也可适用于类似的砂性地质条件。

（2）基坑开挖。

基坑开挖至钢筋混凝土扩展基座500的基底高程，开挖线900参照图2。

（3）对预应力管桩群桩的桩位放线。

预应力管桩群桩100，即高强预应力混凝土管桩，一般依据国家建筑标准设计图集10G409标准在工厂预制而成后运抵现场安装，一般采用PHC系列预制管桩。

例如图4所示在风机基础底部呈梅花形布置40根预应力管桩群桩100。

相比采用混凝土灌注桩的型式，预制管桩强度高、质量易保证、施工方便、施工周期短，能够避免现场大规模的混凝土灌注桩现场浇筑，更有利于环境保护和节约资源，更适宜沙漠地区的施工环境。

（4）在桩位所在位置实施分级灌水引孔。

请按照图中箭头所示参阅图5：

步骤1，对桩位所在位置提前1小时浸水，如图5上排第一幅图所示；

步骤2，取长螺旋钻机在桩位处钻I级引孔，如图5上排第二幅图所示；

步骤3，向I级引孔内灌水形成护壁，如图5上排第三幅图所示；

步骤4，在I级引孔内继续下钻，形成II级引孔，如图5下排右起第一幅图所示；

步骤5，向II级引孔内灌水护壁并继续下钻形成Ⅲ级引孔，如图5下排右起第二幅图所示；

重复步骤4-5，直至完成分级灌水引孔，如图5下排右起第三幅图所示。

综合考虑砂层的力学特性，对打桩施工工艺增加预钻孔沉桩的辅助措施，预钻孔直径取350mm（比桩径小50mm），采用清水护壁，长螺旋钻机钻孔，当钻孔提前1h浸水有效护壁深度约4m，钻孔至4m深度后，灌水10min再往下钻，可以有效避免塌孔。

采用分级（每级2m）灌水引孔时，成孔效果最佳。

对长螺旋钻进行改装，5节2m钻杆（1根备用），外径350mm，护筒1个，木质盖板1个，长螺旋钻钻孔，提升后反转弃土，盖板和护筒可以有效防止弃土滑落钻孔。

关于分级灌水护壁钻孔打桩施工，可以参见图1，先定位放线以确定桩位→对桩位所在位置提前1h浸水→移动长螺旋钻机就位→长螺旋钻机钻孔至4m，注意孔深孔径控制→向孔内灌水10min，注意时间控制→继续钻孔至6m，同样注意孔深孔径控制→清孔→测量孔深及孔径，完成后钻机移至下一孔位，重复上述动作直至完成所有钻孔。

继续参阅图1，在每个孔位钻孔完成后，测量孔深及孔径→采用锤击沉桩方式，柴油锤就位→吊桩→打桩，注意垂直度控制→送桩，同时进行施工记录→停锤→测量桩顶标高→试验和设计校核→下一机位施工。

从图1可以看出，停锤后桩机移位，再回到柴油锤就位的步骤，其意为不断重复直至完成预应力管桩群桩100的所有桩的打桩。

（5）将预应力管桩群桩锤击沉桩。

该步骤与图1的部分内容有所重叠，可参考图1。

如对图5所示的40根预应力管桩群桩100呈梅花形布置，预应力管桩群桩100的沉桩顺序按附图编号（1#～40#）的原则由内向外依次开展，可逆时针也可顺时针依次向外扩展，直至所有桩基沉桩到位。

长螺旋钻机+多级灌水引孔+锤击”的桩基施工方案，通过采用多级灌水引孔护壁和预钻孔，避免了复杂的泥浆护壁工艺和设置，巧妙的解决了预制管桩在沙漠砂层中沉桩问题，特别适用于基于密实砂层的沙漠地质。

以下内容可参考图2：

（6）褥垫层施工。

预应力管桩群桩100在沉桩完成后，进行褥垫层200的施工，即在预应力管桩群桩100的露头端铺设褥垫层200，褥垫层200覆盖所有预应力管桩群桩100。

褥垫层200可选用中砂、粗砂和级配砂石等，褥垫层200的最大粒径不宜大于20mm，夯填度不应大于0.9，厚度100~300mm左右，也可采用其它类似材料，满足衔接构造要求即可。

根据图2可知，褥垫层200的下方是预应力管桩群桩100，上方是钢筋混凝土扩展基座500，也就是说，褥垫层200使钢筋混凝土扩展基座500和预应力管桩群桩100组成了分离式构造衔接，而褥垫层200主要由砂石组成，因此形成了由扩展基础+预应力管桩+砂层组成的复合受力结构，以预应力管桩复合地基处理加强砂层的思路，避免了高代价的长桩穿透细砂层的设计，成功解决沙漠地区风力发电机基础的设计和施工技术问题。

具体地说，本实施方式将预应力管桩群桩100与钢筋混凝土扩展基座500进行了分离式设计，预应力管桩群桩100与砂层（即褥垫层200）形成的复合受力结构只承受上部基础传递的下压力不传递上拔力，从而能够更有利的利于高强度管桩的优异的受压性能，避免其承受不利的拉力被拉断或者拔出，风机基础的各类倾覆工况，仍依靠基础自身重量及覆土重来维持稳定。

另外，以褥垫层200衔接的分离式设计能够简化施工过程，避免了复杂的管桩与扩展式混凝土风机基础之间配筋连接构造，也有利于大体积混凝土各类不利应力的释放，对整体结构安全和稳定性有利。

（7）基础垫层施工。

取电缆穿管800，将电缆穿管800向下穿过褥垫层200后再自预应力管桩群桩100的孔隙穿过，最终电缆穿管800向上穿出褥垫层200，在褥垫层200的表面浇筑基础垫层300。

换句话说，预埋电缆穿管800，浇筑基础垫层300，开始上部基础结构施工。

电缆穿管800，主要材质为PVC管，需要在基础垫层施工前提前预埋，主要完成风机出口侧至箱变的高压电缆穿管功能，也可根据需要自定义形状和材料，满足穿管要求即可。

基础垫层300，为素混凝土结构，起基础底部调平作用。

（8）锚栓组合件安装。

请参照图3，在基础垫层300内预埋下锚板支撑埋件610，在下锚板支撑埋件610上焊接固定下锚板支撑640，在下锚板支撑640上套装下锚板650，取高强预应力锚栓620贯穿下锚板650，在高强预应力锚栓620的顶端套装上锚板630，紧固所有连接件。

简单来说，依次安装下锚板支撑640、下锚板650、高强预应力锚栓620、上锚板630，调整尺寸和位置后，紧固连接件。

下锚板支撑埋件610，为圆环形结构，预埋在基础垫层300中，方便上部下锚板支撑640结构的安装。

高强预应力锚栓620，为高强度预应力锚栓结构，从上到下依次连接上部钢制塔筒结构的底部法兰面、上锚板630和下锚板650结构。

上锚板630，为圆环形法兰面结构，根据高强预应力锚栓620群布设参数设置环向螺栓通孔，通过高强预应力锚栓620群与上部钢制塔筒结构的底部法兰面、上锚板630连接。

下锚板支撑640，为普通螺栓群支撑调节结构，下部与下锚板支撑埋件610焊接固定，上部通过螺栓群连接下锚板650，起连接和调平作用。

下锚板650，为圆环形法兰面结构，根据高强预应力锚栓620群布设参数设置环向螺栓通孔，通过高强预应力锚栓620群与上部钢制塔筒结构的底部法兰面、上锚板630连接。

（9）钢筋混凝土扩展基座施工，基础回填，碎石盖重施工。

在基础垫层300上浇筑混凝土，浇筑完成后进行保温和养护，直至形成钢筋混凝土扩展基座500，当钢筋混凝土扩展基座500的强度达到规定强度时，在钢筋混凝土扩展基座500的围绕区域铺设基础回填层400，在基础回填层400的表面铺设碎石盖重700。

具体地说，进行钢筋混凝土扩展基座500的施工，形成钢筋网和浇筑混凝土，浇筑完成后进行保温和养护；钢筋混凝土扩展基座500的强度达到规定要求后，进行基础上部回填，铺设碎石盖重700；基础混凝土强度满足要求后，就位上部钢塔筒，将上部钢制塔筒的底部法兰面与基础顶面通过高强预应力锚栓群连接、调平、施加预应力和灌浆后实施完成。

基础回填层400，采用原地基砂晾晒回填压实，依靠其覆盖重量辅助基础稳定，要求最小干容重大于18千牛每立方米。

碎石盖重700，材料可选用级配碎石等，厚度200~500mm左右，起覆盖和防风沙作用。

在实施管桩类风机基础施工时，需要形成适用于沙漠地质的管桩类风机基础，如图2所示，包括埋设在沙漠地质的地下的预应力管桩群桩100，在预应力管桩群桩100的桩顶铺设有褥垫层200，在褥垫层200的表面浇筑有基础垫层300，在基础垫层300的表面安装有锚栓组合件。

还包括在基础垫层300的表面浇筑有钢筋混凝土扩展基座500，钢筋混凝土扩展基座500的围绕区域铺设有基础回填层400，在基础回填层400的表面铺设有碎石盖重700。

以及在电缆穿管800，电缆穿管800的一端部向下穿过基础回填层400、褥垫层200到达预应力管桩群桩100，然后自各个预应力管桩间的缝隙穿过后再向上穿过褥垫层200、基础垫层300，最终自钢筋混凝土扩展基座500的表面穿出。

本发明避免了高代价的长桩穿透细砂层的设计或者大规模的地基换填处理，规避了现场大规模的混凝土灌注桩现场浇筑，建立了预钻孔和分级灌水护壁的沙漠区风机基础管桩沉桩方法，避免了复杂的泥浆护壁工艺和设置，巧妙的解决了预制管桩在沙漠砂层中沉桩问题。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (1)

1.适用于沙漠地质的管桩类风机基础的施工方法，用于风力发电工程建设中风机基础持力层为沙漠区域典型细砂层的情形，其特征在于，包括：

确定具有沙漠地质的区域为目标作业区；

基坑开挖；

对预应力管桩群桩的桩位放线；

在所述桩位所在位置实施分级灌水引孔；

将所述预应力管桩群桩锤击沉桩；

褥垫层施工；

基础垫层施工；

锚栓组合件安装；

钢筋混凝土扩展基座施工；

基础回填；

碎石盖重施工；

在所述桩位所在位置实施分级灌水引孔，具体包括：

步骤1，对所述桩位所在位置提前1小时浸水；

步骤2，取长螺旋钻机在所述桩位处钻I级引孔；

步骤3，向所述I级引孔内灌水形成护壁；

步骤4，在所述I级引孔内继续下钻，形成II级引孔；

步骤5，向所述II级引孔内灌水形成护壁；

重复步骤4-5，直至完成分级灌水引孔；

所述褥垫层施工包括：在所述预应力管桩群桩（100）的露头端铺设所述褥垫层（200），所述褥垫层（200）覆盖所有预应力管桩群桩（100）；

所述基础垫层施工包括：取电缆穿管（800），将所述电缆穿管（800）向下穿过所述褥垫层（200）后再自所述预应力管桩群桩（100）的孔隙穿过，最终所述电缆穿管（800）向上穿出所述褥垫层（200），在所述褥垫层（200）的表面浇筑基础垫层（300）；

所述锚栓组合件安装包括：在所述基础垫层（300）内预埋下锚板支撑埋件（610），在所述下锚板支撑埋件（610）上焊接固定下锚板支撑（640），在所述下锚板支撑（640）上套装下锚板（650），取高强预应力锚栓（620）贯穿所述下锚板（650），在所述高强预应力锚栓（620）的顶端套装上锚板（630），紧固所有连接件；

所述钢筋混凝土扩展基座施工，基础回填，碎石盖重施工，具体包括：在所述基础垫层（300）上浇筑混凝土，浇筑完成后进行保温和养护，直至形成钢筋混凝土扩展基座（500），当所述钢筋混凝土扩展基座（500）的强度达到规定强度时，在所述钢筋混凝土扩展基座（500）的围绕区域铺设基础回填层（400），在所述基础回填层（400）的表面铺设碎石盖重（700）；

将预应力管桩群桩（100）与钢筋混凝土扩展基座（500）进行了分离式设计，预应力管桩群桩（100）与褥垫层（200）形成的复合受力结构只承受上部基础传递的下压力不传递上拔力；

适用于沙漠地质的管桩类风机基础包括埋设在沙漠地质的地下的预应力管桩群桩（100），在所述预应力管桩群桩（100）的桩顶铺设有褥垫层（200），在所述褥垫层（200）的表面浇筑有基础垫层（300），在所述基础垫层（300）的表面安装有锚栓组合件；

在所述基础垫层（300）的表面浇筑有钢筋混凝土扩展基座（500）；

所述钢筋混凝土扩展基座（500）的围绕区域铺设有基础回填层（400）；

在所述基础回填层（400）的表面铺设有碎石盖重（700）；

所述锚栓组合件包括：在所述基础垫层（300）内预埋有下锚板支撑埋件（610），在所述下锚板支撑埋件（610）上焊接固定有下锚板支撑（640），在所述下锚板支撑（640）上套装有下锚板（650），所述下锚板（650）上贯穿有高强预应力锚栓（620），在所述高强预应力锚栓（620）的顶端套装有上锚板（630）；

所有组合件紧固连接。