1、 建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 21 期 2023 年 11 月Vol.54 No.21 Nov.20232595在全球低碳经济与能源革命的大趋势下，国家对于能源安全和生态环境等领域日益重视。风电作为技术成熟、环境友好的可再生能源，已在全球范围内实现大规模的开发应用，并成为我国未来电力的重要发展方向。我国沿海地区地理优势独特，更加适合发展风电。但沿海地区分布着不同类型的软土，地基承载力较低，荷载作用下变形较大，因此软土地基处理成为风机基础设计中极其重要的一环。随着我国风电技术不断发展与进步，越来越多的风机设备需要建在有较厚软土的地基上，为此需要采
2、用一些地基处理的方法来对地基进行加固。高压旋喷桩作为地基处理的一种方法，被越来越多的应用在各种工程实践当中，并取得了良好的效果，创造了较大的社会效益。与此同时，国内许多专家学者针对其承载机理、加固效果、施工工法等问题展开了一些研究工作。朱德良等1介绍了利用旋喷桩加固有较深建筑杂填土的地基，试验结果表明该方法在满足上部结构对于承载力的要求基础上，可以减少部分工程费用。朱兴旺等2通过三维有限元模型对比与分析，认为旋喷桩复合地基随着加固厚度的增加，围护结构的侧向位移呈指数衰减。冯国俊等3通过有限元软件模型分析认为采用正四边形布置的高压旋喷桩复合地基沉降量小于采用正三角高压旋喷桩对风机基础设计的影响研
3、究周全林1，孙大勇1，申宇峰2（1.华东新华能源投资有限公司，225000，江苏扬州；2.上海华城工程建设管理有限公司，200233，上海）摘要：高压旋喷桩复合地基适用于处理淤泥、淤泥质土、素填土等软土地基，对于高灵敏度土的加固效果显著。结合连云港某风机基础实例，通过复合地基荷载试验和单桩竖向荷载试验，确定经过高压旋喷桩处理后的地基基床系数和高压旋喷桩竖向抗压刚度，并采用 PKPM 计算软件研究二者对于风机基础设计中灌注桩的竖向受力和桩基沉降的影响。研究结果表明：考虑高压旋喷桩地基处理后的基床系数会使得灌注桩实际承担的最大压力减少 16.8%，最大拔力减少 4.7%，桩基整体沉降降低 45.5
4、%。考虑旋喷桩竖向抗压刚度会使得灌注桩实际承担的最大压力减少 4.5%，但对于桩基整体沉降影响有限。关键词：高压旋喷桩；复合地基；基床系数；荷载试验；抗压刚度中图分类号：TU 74 文献标志码：A 文章编号：10004726(2023)21259504research on the influence of high pressure Jet grouting pile on the Design of winD turbine founDation ZhOu Quan-lin1,SuN Da-yong1,ShEN Yu-feng2(1.East China Xinhua Energy Inv
5、estment Co.，Ltd.,225000,Yangzhou,Jiangsu,China;2.Shanghai Huacheng Engineering Construction Supervision Co.,Ltd.,200233,Shanghai,China)abstract:Composite foundation with high pressure jet grouting pile is suitable for treating soft soil foundation such as silt,muddy soil,plain fill,etc.which has sig
6、nificant reinforcement effect on highly sensitive soil.Combined with a wind turbine foundation in Lianyungang,proved by load test on composite foundation and load test on single pile,the subgrade reaction coefficient and vertical compressive stiffness of high-pressure jet grouting pile were proposed
7、.PKPM software was used to research the influence of both on the vertical stress of cast-in-place pile and pile settlement in the design of wind turbine foundation.The research results show when the subgrade reaction coefficient of the high-pressure jet grouting pile foundation treatment is consider
8、ed,the maximum pressure of the cast-in-place pile will be reduced by 16.8%,the maximum pulling force will be reduced by 4.7%,and the settlement of the pile foundation will be reduced by 45.5%.When the vertical compressive stiffness of jet grouting pile is considered,the maximum pressure of the cast-
9、in-place pile will be reduced by 4.5%,but it has only a limited impact on the settlement of the pile foundation.Keywords:high pressure jet grouting pile;composite foundation;degrade reaction coefficient;load test;compressive stiffness收稿日期：20230925作者简介：周全林（1982），男，甘肃天水人，工程师，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 21
10、期2596形布置的。李洁如等4通过现场监测数据统计认为经旋喷桩处理后的地基在 4 个月后沉降速率会大幅降低。安关峰等5利用有限元方法对高压旋喷桩复合地基的承载力进行了研究，认为旋喷桩的排布对其承载力的影响不大。谭峰屹等6则认为荷载和桩长对于柔性多桩复合地基桩体承担的荷载影响不大。张帅7通过 CFG 桩和高压旋喷桩 2 种加固方案的对比，认为在卵石层用高压旋喷桩可以更好地 控制变形。目前，对于风机基础的研究大多集中在 PHC 桩或灌注桩上，对复合地基研究较少。为此，依托灌云四队陆上风电场项目，从复合地基基床系数和旋喷桩抗压刚度两个方面研究高压旋喷桩复合地基对于风机基础设计的影响。1 工程概况灌云
11、四队陆上风电场项目位于连云港市灌云县四队镇图河乡境内，共包含 25 台风力发电机组。拟建场地表层以下勘探深度范围内的地基土主要物理力学指标见表 1。第一土层：耕土，平均层厚 0.48 m。第二土层：粘土，平均层厚仅 1.63 m。第三土层：高灵敏度的淤泥，平均层厚高达 11.74 m。表 1 地基土主要物理力学指标参数土层名称土的重度/（kN/m）土体压缩模量Es12/MPa地基承载力特征值fak/kPa各土层与桩的摩擦阻力标准值qsik/kPa粘土17.692.957015淤泥16.101.63408粉质粘土19.095.7313033粘土19.085.9915045粉质粘土18.685.1
12、813035粉质粘土19.426.49150501粉质粘土18.985.7215048粉质粘土19.055.9222075粉质粘土19.075.73160401粉质粘土19.065.6215050粉质粘土19.516.5414055粉质粘土19.416.4218065粉质粘土19.446.3919070采用传统的天然地基或在处理后的复合地基上设计钢筋混凝土独立基础已不能满足风机建设和运行的安全。经多方论证，最终决定采用钻孔灌注桩加高压旋喷桩的地基处理方法来满足风机基础的 要求。拟建风电场依据 GB 502232008建筑工程抗震设防分类标准，抗震设防类别为标准设防类（丙类），风机基础采用高压旋
13、喷桩地基处理加灌注桩。整个基础直径 18 m，面积为 254.34 m2，基础混凝土的强度等级为 C40，垫层为 C20 聚合物水泥混凝土。基础底面钢筋保护层厚度为 100 mm。桩平面布置如图 1 所示。基础下面共设置 53 根高压旋喷桩和 33 根灌注桩。灌注桩直径 800 mm，桩长为44.5 m，持力层为12粉质粘土层，14D22 通长布置，混凝土强度等级为 C35，抗渗等级 P8，其单桩抗压承载力特征值为 2 100 kN，单桩抗拔承载力特征值为 900 kN。高压旋喷桩地基处理，桩长为 5 m基础范围自外面内依次为 28/16/6/3 根中圈灌注桩，10 根均布内圈灌注桩，3 根均
14、布外圈灌注桩，20 根均布图 1 灌注桩与高压旋喷桩平面布置示意高压旋喷桩的桩端持力层为淤泥层，有效桩长为 5 m，桩径 600 mm，单桩竖向抗压承载力特征值为 80 kN，桩身材料采用强度等级为 PO 42.5 级的普通硅酸盐水泥，水灰比为 1.0。高压旋喷桩的施工参数见表 2。表 2 高压旋喷桩施工参数高压水射流压力/MPa低压水泥浆液流压力/MPa喷射流量/L提升速度/（m/min）201.0700.10.22 复合地基对灌注桩竖向受力的影响分析2.1 复合地基的基床系数的分析天然地基经过高压旋喷桩处理后，其基床系数会发生变化，从而影响桩的实际受力情况。目前，国家相关规范只给出了天然地
15、基基床系数的试验方法，对复合地基并没有明确规定。本文从基床系数的定义出发，通过现场荷载试验确定复合地基的基床系数，并采用 PKPM 软件分析其对桩受力的影响。为此，在试验场地中选取 6 个试验点，根据现场荷载试验结果绘制出复合地基的荷载 沉降曲线，如图 2 所示。2597周全林，等：高压旋喷桩对风机基础设计的影响研究荷载/kN0 24 48 72 96 120 144481216202428沉降/mm4 号试点5 号试点6 号试点1 号试点2 号试点3 号试点图 2 复合地基荷载试验荷载 沉降曲线由图 2 可知，6 个试验点所得的荷载 沉降曲线变化形态基本接近，荷载与对应的沉降量近似呈线性关系
16、。在荷载 位移曲线的近似直线段上取相应的沉降量，按式（1）计算基床系数。Ks=(P2P1)/(S2S1)（1）式中：P1、P2分别为选取的计算点的压力强度，kPa；S1、S2分别为对应 P1、P2处的稳定沉降量，m。图 2 中，加载前期曲线以弹性变形为主，加载后期曲线的斜率逐渐增大。基于以上规律且复合地基承载力特征值为 60 kPa，确定出高压旋喷桩复合地基的基床系数计算结果见表 3。表 3 K 值计算结果 km/m3基床系数K1K2K3K4K5K6计算结果5 2205 1895 3666 0236 1545 908整个复合地基的基床系数取 6 个试验点的平均值（6 个点的极差均未超过平均值的
17、 30%）K=（K1+K2+K3+K4+K5+K6）/6=5 477 km/m3基 础 计 算 时，分 别 按 100%、75%、50%、25%考虑复合地基的基床系数，计算出复合地基实际承受的最大压力见表 4。表 4 复合地基基床系数与最大压力的关系复合地基基床系数利用率/%100 75 5025复合地基最大压力/kPa93755429由表 4 可知，当按 100%和 75%考虑复合地基的基床系数时，计算出复合地基最大压力分别超出复合地基承载力特征值的 55%和 25%，当按 50%考虑复合地基的基床系数时，计算出复合地基最大压力计算值为其承载力特征值的 90%，此时较充分地利用了复合地基的承
18、载力，而当按 25%考虑复合地基的基床系数时，计算出复合地基最大压力计算值为其承载力特征值的 48.3%，显然此时复合地基的承载力并未得到充分发挥。依据上述计算结果，基础设计按 50%考虑复合地基的基床系数。2.2 高压旋喷桩的抗压刚度的分析风机基础设计时，一是考虑高压旋喷桩复合地基的影响，二是考虑高压旋喷桩的抗压刚度。首先需通过旋喷桩竖向抗压静载试验确定其抗压刚度，为此选取了 3 根高压旋喷桩作为试验桩，编号分别为 PZ1、PZ2 和 PZ3。通过试验获得相应的数据，以此数据绘制出 3 根高压旋喷试验桩的荷载 沉降曲线，如图 3 所示。PZ1PZ2PZ3荷载/kN0 24 48 72 96
19、120 144 168 1924812162024283236沉降/mm图 3 三根高压旋喷试验桩的荷载 沉降曲线由图 3 可知，根据 3 根试验桩现场试验所得的荷载 沉降曲线变化形态基本接近，荷载与对应的沉降量近似呈线性关系。高压旋喷桩的抗压承载力特征值为 80 kN，根据极限抗压荷载 P=160 kN 及对应的沉降量 s，按式（2）计算出 3 根试验桩的抗压刚度 I 及平均值，见表 5。I=P/S（2）表 5 I 值的计算结果 kN/m抗压刚度I1I2I3I4计算结果5 8016 2927 1366 410取 3 根试验桩的平均值作为高压旋喷桩的抗压刚度，3 根试验桩的极差均未超过平均值的
20、 30%。基础计算时，分别按 100%、75%、50%、25%考虑高压旋喷桩的抗压刚度，计算出高压旋喷桩实际承受的最大压力见表 6，按 25%考虑高压旋喷桩的抗压刚度时，计算出高压旋喷桩最大压力为其承载力特征值的 95%，此时高压旋喷桩承载力已充分利用。依据上述计算结果，基础设计时按基床系数的 25%考虑。表 6 高压旋喷桩刚度与压力的关系高压旋喷桩抗压刚度利用率/%100755025高压旋喷桩最大压力/kPa265207145762.3 桩竖向受力的分析上部结构机组塔架传到下部基础的荷载见表7。建 筑 技 术第 54 卷第 21 期2598表 7 上部机组塔架荷载Fx/kNFz/kNMxy/
21、（kNm）Mz/（kNm）高压旋喷桩最大压力/kPa265207145根据基础平面布置采用 PKPM 软件进行基础建模，计算出不考虑高压旋喷桩复合地基处理作用时灌注桩受力情况，如图 4 所示。由图 4 可知，灌注桩所承担的最大压力为最大拔力；桩的承载率在一定程度上可以反映出桩的“出力”程度以及“富裕”程度，其计算公式定义为：桩的承载率=桩实际受力/单桩承载力，如图 5 所示，此时灌注桩的最大抗压承载率达到 0.96，最大抗拔承载率达到 0.94，灌注桩的抗压及抗拔承载力利用率已达到较高水平，“富裕”程度有限。784602318923377347531 0241 0241 2981 1311 4
22、901 7751 6361 9582 0201 6361 7751 4901 2981 131734753337318924284286027842780.870.870.670.670.350.350.480.480.100.160.160.100.130.490.490.35 0.360.350.360.540.620.710.540.620.710.780.780.850.850.960.930.930.94图 4 桩受力图/kN图 5 桩承载率示意当计算考虑旋喷桩复合地基基床系数时，桩的最大压力与最大拔力见表 8。表 8 3 种工况下的 Nkmax和 Nbmax kN工况NkmaxNb
23、max不考虑复合地基作用2 020847考虑复合地基的基床系数1 681807考虑旋喷桩的抗压刚度1 929840由表 8 可知，考虑复合地基的基床系数时，灌注桩的最大压力比不考虑旋喷桩复合地基作用时减少 16.8%，最大拔力则减少 4.7%。灌注桩的最大抗压承载率为 0.80，最大抗拔承载率为 0.90。此时，桩的总反力、土的总反力、桩分担荷载比例为81%，复合地基分担荷载比例为 19%，即桩土荷载分担比例约为 4 1。由此可见，考虑复合地基基床系数使得复合地基也承担了一部分荷载，灌注桩实际承担的压力与拔力均有不同程度的降低。考虑高压旋喷桩的抗压刚度时，灌注桩的最大压力比不考虑旋喷桩复合地基
24、作用时减少 4.5%，最大拔力与未考虑旋喷桩复合地基作用一致，由于高压旋喷桩不考虑其抗拔刚度，故基础的抗拔荷载全部由灌注桩承担。此时，灌注桩的最大抗压承载率为 0.92，最大抗拔承载率为0.93，高压旋喷桩的最大抗压承载率也达到0.95，说明高压旋喷桩的抗压承载能力已得到充分利用。3 复合地基对桩基沉降的影响分析沉降计算在风机基础设计中也是至关重要的一项，研究高压旋喷桩复合地基对风机基础沉降的影响也是必要的。风机基础灌注桩的承载力由桩的侧阻和端阻组成，在高压旋喷桩施工过程中，喷射出的水泥浆会进入土体中，对其周围土体形成挤土效应。桩身在竖向荷载作用下会产生向下位移，桩侧受到土体向上的侧摩阻力，挤
25、土效应会使侧摩阻力增大，这样桩承受的荷载就通过侧摩阻力传递到桩周土层中。复合地基对土体的加固作用使得桩的侧摩阻力进一步增强。影响桩基沉降的因素很多，包括桩类型、桩体尺寸、桩间距、桩长、桩周土及持力层土的物理特性等。目前工程上常采用分层总和法计算结构沉降量。对于本工程，灌注桩的桩中心距不大于6倍桩径，可采用等效分层总和法计算桩基最终沉降量。桩端平面以下的地基中由基桩引起的附加应力，按考虑桩径影响的明德林应力公式计算确定8。3.1 不考虑高压旋喷桩复合地基影响风机基础剖面示意如图 6 所示，灌注桩的持力层为12粉质粘土层，按等效分层总和法计算桩基沉降时，当不考虑旋喷桩复合地基作用时，在计算深度范围
26、内算出桩基变形最大沉降量为 17.39 mm，对应每根灌注桩的沉降量如图 7 所示。旋喷桩钻孔灌注桩0.100图 6 基础剖面示意3.2 考虑复合地基基床系数时桩基沉降分析考虑复合地基基床系数时，计算深度范围内桩2599周全林，等：高压旋喷桩对风机基础设计的影响研究0.200.210.210.230.230.280.270.270.281.270.510.511.260.945.635.623.88 3.696.123.683.896.137.317.288.339.389.408.3310.0816.8517.3916.7610.04图 7 不考虑复合地基作用时灌注桩沉降量基最大沉降量为9.
27、48 mm，与不考虑高压旋喷桩复合地基影响时相比，沉降量减少45.5%。另外，75.75%的灌注桩沉降减少20%30%，15.15%的灌注桩沉降减少40%50%，其余灌注桩沉降减少50%以上，如图8所示。由此可见，考虑复合地基基床系数时，对于桩基沉降影响较显著。75.8%20%30%40%50%50%60%60%以上15.2%6.1%3%图 8 桩基沉降降低百分比3.3 考虑高压旋喷桩的抗压刚度时桩基沉降分析考虑旋喷桩的竖向抗压刚度时，在计算深度范围内桩基最大沉降量为 17.60 mm。将不考虑高压旋喷桩复合地基影响定义为工况 1，考虑复合地基基床系数为工况 2，考虑高压旋喷桩的抗压刚度为工况
28、 3，3 种工况下 7 根典型灌注桩沉降对比如图 9 所示。工况 1工况 2工况 3桩 1 桩 2 桩 3 桩 4 桩 5 桩 6 桩 720181614121086420沉降/mm图 9 3 种工况下典型灌注桩沉降对比由图 9 可知，当通过考虑复合地基基床系数来考虑旋喷桩复合地基的作用时，计算深度范围内灌注桩沉降量明显小于另外 2 种工况，当通过考虑旋喷桩的竖向抗压刚度来考虑旋喷桩复合地基的作用时，灌注桩沉降量与不考虑旋喷桩复合地基作用时的结果并未表现出较大变化。主要原因是单独考虑高压旋喷桩时，由于其桩长较短，且持力层仍为淤泥层，单桩竖向抗压承载力较低，与灌注桩相比，分担的荷载相对有限，故其
29、对于桩基整体沉降并未产生较大影响。4 结论结合连云港某风机基础实例，根据复合地基荷载试验和单桩竖向荷载试验数据，确定经过高压旋喷桩处理后的地基的基床系数和高压旋喷桩竖向抗压刚度，并研究二者对于风机基础设计中灌注桩的竖向受力和桩基沉降的影响。研究结果如下。（1）考虑高压旋喷桩地基处理后的基床系数会使得灌注桩实际承担的最大压力减少 16.8%，最大拔力减少 4.7%；考虑旋喷桩竖向抗压刚度会使得灌注桩实际承担的最大压力减少 4.5%，可以一定程度上减少工程造价。（2）考虑高压旋喷桩地基处理后的基床系数会使得桩基最大沉降降低 45.5%，75.75%的灌注桩沉降减少 20%30%，15.15%的灌注
30、桩沉降减少40%50%；考虑旋喷桩竖向抗压刚度对于桩基整体沉降影响有限。（3）当基于旋喷桩的竖向抗压刚度来考虑旋喷桩复合地基的作用时，由于旋喷桩长度及其持力层的影响，单独考虑旋喷桩抗压承载能力时，与灌注桩相比分担荷载较少，故在计算深度范围内算出的基础变形最大沉降量与不考虑旋喷桩复合地基作用时结果相差不大。参考文献1 朱德良,王文军,谢新宇,等.深厚建筑垃圾杂填土地基高压旋喷桩加固实例 J.建筑结构,2020,50(17):116120,125.2 朱兴旺,史景革,李春秀.高压旋喷桩在深基坑地基处理中的应用研究 J.土工基础,2022,36(2):127130.3 冯国俊,刘诗净,王荣.低强高压旋喷桩复合地基承载的影响因素 J.水运工程,2017,12(34):185203.4 李洁如,王宽君,汪明元,等.高压旋喷桩加固沿海滩涂风电场高灵敏软土地基原位试验研究 J.太阳能学报,2021,42(11):287291.5 安关峰,张洪彬,刘添俊.旋喷群桩复合地基承载特性的数值分析 J.岩土力学,2012,33(3):906912.6 谭峰屹,汪稔,赵丽.柔性桩复合地基承载力数值计算 J.岩土力学,2011,32(1):288292.7 张帅.CFG 桩与高压旋喷桩复合地基加固效果分析 J.山西交通科技,2021,5(272):4042.8 建筑桩基技术规范:JGJ 942008 S.
