土工袋在平原风电场吊装平台施工中的应用研究
时间：2023-01-17 21:50:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王亚辉 刘斯宏 邓联勇
(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司,长沙 410014;2.河海大学 水利水电学院,南京 210098)
在“碳达峰、碳中和”双碳目标的战略背景下,当前我国正处于能源绿色低碳转型发展的关键时期,风力发电是能源转型的主力,未来风力发电的发展方向是平原地区高塔和海上风电[1].平原地区风力发电建设面临的一大难题是吊装施工平台的软基处理.对于起重量大、起吊高度高的风力发电机组的吊装所使用的起吊设备是超大吨位的起重机,目前常用的是600 t级以上的履带式起重机.大吨位的起吊设备起吊作业的前提是提供满足承载力条件的吊装作业平台.由于吊装平台是临时作业平台,施工完成后需恢复原貌,吊装平台的复垦、施工进度和成本也是考虑的重点因素.对于平原风电场深层淤泥质软弱地基,采用换填砂石或建筑废弃砖渣等颗粒料[2-4]的传统施工方法效率低、成本高,不利于整体进度和成本控制,有待寻求一种更为经济高效的施工方法或技术.
将土石材料装入一定规格与性能的土工编织袋形成的土工袋,长期以来被应用于防洪抢险或一些临时性的挡土建筑物.近年来,刘斯宏等[5-11]对土工袋的力学加固机理、强度变形、减隔震等工程特性开展了系统深入的研究,将土工袋发展成为一项地基处理新技术,已逐渐开始作为一种永久或半永久性的材料用于房屋基础、挡墙、边坡、渠坡等土木水利工程中.鉴于土工袋已成功应用于许多永久工程中,在吊装平台这种临时工程中更有应用价值,不仅可以利用土工袋抗压强度高的优势,解决吊装平台地基承载力的问题,而且可以充分利用现场开挖土料,降低建设成本,施工完后易于恢复地基原状,具有重要的经济意义和环保意义.为此,本文结合某平原风电场建设,开展土工袋技术在吊装平台软基处理中的应用研究.
本文依托的风电场工程位于苏北平原,规划总装机容量97.5 MW,共装机39台2.5 MW 分片式混塔机型风力发电机组.混塔型风机基础采用桩基础与空腔承台,通过12束锚索张拉连接上部塔筒和基础,风机塔架由4段混塔和3节钢塔筒组成,风机轮毂中心高度140 m,叶轮直径146 m.混塔吊装单段最大质量为291 t.本项目主吊作业站位区域尺寸为20 m×35 m,拟选用中联ZCC9800Z 型起重机作为安装主吊,主吊作业区示意图如图1所示.
图1 主吊作业区示意图
根据设备参数、性能、吊装技术方案,能够计算得到起重机进行吊装作业时平台主吊作业区域地基受到的平均压力值,要求主吊作业区域地基承载力不小于250 kPa,地基极限承载力fu按地基承载力特征值fak乘以安全系数(Fs=2.0)计算[11],此处吊装平台的主吊作业区域地基极限承载力必须满足fu≥500 kPa.
风电场区域地貌属于里下河浅洼平原区,地形整体较平坦,地势开阔.项目所在区域地质表层为素填土或淤泥质土,其下为可塑-硬可塑状黏土、粉质黏土、粉土层,地基承载力较低.多数机位点处于湖泊沉积部位和河沟边,淤泥层较厚,部分超过6 m 深.为了满足施工吊装平台场地的地基承载力,目前设计的施工方法是换填,将原有软弱层和淤泥挖除,然后换填砂石或砖渣等建筑废料分层压实,并铺设钢板夹层.对于软弱层厚度较小的机位点采用这种方法施工比较简单,但如果软弱层较厚,则换填量太大,施工工效很低,成本也会随之增加,工期也没有保证.因项目风机机位点较多,多个机位点同步施工,砖渣消耗量大,实际施工中周边市场的砖渣等建筑废料不能满足施工需求,施工进度也受到回填料料源的影响.为此,本项目部分机位点拟采用土工袋技术对其风机吊装平台场地进行处理,以减少砖渣用量,提高地基承载力,满足现场的吊装施工要求.
土工袋是指将土石材料装入具有一定规格与材料特性的编织袋中形成的袋装体.根据研究[5-8]表明:土工袋受到外力作用后,袋体发生压缩变形,引起袋子伸长,从而在袋子中产生张力T;同时张力T会对袋内土体产生约束作用,使得袋内土颗粒间的接触力增大,袋内土体的抗剪强度也随之增大.将其作为加固层布置于靠近基础的土层,能够大大提高地基承载力.根据Mohr-Coulomb强度破坏准则,极限状态下袋内土体的大、小主应力关系可以表示为[5]:
式中:σ1f、σ3f为外荷载;c为土工袋内部土体黏聚力;T为袋子张力;B、L、H分别为土工袋的长、宽、高;Kp=(1+sinφ)/(1-sinφ),相当于袋内土体的被动土压力系数;cT为土工袋张力引起的附加黏聚力.
从式(2)可知,土工袋张力引起的附加黏聚力cT是袋内土体强度、袋体强度(张力T)及袋体形状(长度B、高度H)综合作用的结果.袋内土体强度对附加黏聚力cT的影响是通过被动土压力系数Kp间接反映的,如果袋内土体的强度较低,黏聚力cT可通过调整土工袋尺寸大小或提高袋体强度的方式达到一个较大值,使土工袋具有较高的强度,因此对土工袋内的土体不作严格限制,可以是各类现场开挖土、建筑垃圾、甚至淤泥土等.
将高强度的土工袋堆叠在地基中,若干层后形成了一个整体,相当于在软土层表面形成了一个硬壳层,其强度和刚度均大于其下软弱土层,对于上部荷载所产生的应力具有明显的扩散作用,使得地基承载力提高、沉降变形减小.
3.1 试验场地条件
为验证土工袋处理吊装平台地基的可行性,选择地质条件较差的T30 机位点进行现场试验.试验场地的地层情况及相应的力学指标见表1.可见,该风机吊装平台场地各土层的承载力特征值均低于要求的地基承载力(fak=250 kPa),尤其是接近场地表层的素填土和淤泥土层承载力特征值甚至小于100 kPa,远不能够满足作为风机主吊平台场地的地基承载力特征值要求.
表1 试验场地地层力学指标
3.2 土工袋设计
理论上讲,土工袋越小,强度越高,但装袋工效低.综合考虑试验点的土质情况与施工工效,拟选用尺寸为2.0 m×1.0 m×0.5 m 的大型土工袋,每个土工袋装土量约1.0 m3.袋体材料为聚丙烯(PP),单位面积质量230 g,经、纬向拉伸强度分别为40 k N/m 与30 k N/m,经、纬向伸长率≤18%,颜色为黑色,抗紫外线老化(II型荧光紫外灯照射150 h)强度保持率不小于75%.为了提高袋体的拉伸强度,并便于吊装铺设,袋体采用加筋带加强兼吊装用.
根据现场实际情况,可能用于装袋的材料为粉土或素土掺适量的砖渣.如果袋内装填粉土,则采用的土工袋强度为558.8 kPa;如果袋内装填素土掺适量的砖渣,其强度指标为φ=30°,c=32 kPa,则采用的土工袋强度计算值为614.9 kPa.土工袋本身的强度大于现场吊装平台极限承载力500 kPa,因此土工袋可以替代砖渣,用于提升现场吊装平台地基承载力的材料.
3.3 土工袋布置
试验在一个平面尺寸为6 m×6 m、深1.5m 的试坑内进行,试坑基面为淤泥土层.根据以往经验,考虑土工袋加固层厚度的影响,试验共设置4层与5层土工袋两个方案.图2为5层土工袋方案的示意图,在试坑基面及每层土工袋间布置了一定数量的土压力计.
图2 土工袋铺设(5层)及土压力计布置示意图
假定土工袋处理层按加筋土垫层考虑,参照《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)[12],根据双层地基理论[13],使用应力扩散角法(如图3所示)预估地基承载力特征值.
图3 应力扩散法计算示意图
式中:D为加固层厚度;B为条形基础宽度;N c和N q为承载力系数,与土的内摩擦角相关;φ和c为土层内摩擦角和黏聚力;q为基础两侧超载;α为应力扩散角.应力扩散角的取值是应力扩散法计算精度的关键,应力扩散角的取值一般可通过试验取得.根据土工袋技术已有的试验研究,取应力扩散角40°.
地基容许承载力fak(也称特征值)一般取地基极限承载力fu的一半.《建筑地基基础设计规范》(DB 33/T1136—2017)5.2.4[14]规定,当基础宽度大于3 m 或埋置深度大于0.5 m 时,从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值,尚应按下式修正:
式中:fa为修正后的地基承载力特征值;ηb、ηd为基础宽度和埋置深度的地基承载力修正系数,按基础底下土的类别查表取值,淤泥土的地基承载力修正系数ηb为0、ηd为1.0;γ为基础底下土的重度;γm为基础地面以上土的加权平均重度.
5层土工袋碾压前厚度为2.5 m,假定碾压后的厚度为2.4 m,根据表1 的土层力学参数,按公式(3)～(7)计算得到土工袋加固后的地基承载力特征值约为282.8 kPa,可达到设计要求的250 kPa.
3.4 试验概况
图4为土工袋现场施工流程.试坑开挖完成后将淤泥土整平,然后直接在淤泥土层铺填土工袋.考虑到在淤泥土上原位装填土工袋存在施工人员与机械操作困难等问题,因此土工袋事先在选定的堆土场地提前装填制作好,然后吊运到试坑内集中铺设.为了充分发挥土工袋的张力作用,土工袋采用层间纵横十字交错排列方式[15]进行铺设,每层土工袋铺设完成后,用挖机将表面拍打平整.全部土工袋铺设完成后使用素土填平试坑,采用20 t的振动碾在试坑表面进行碾压.
图4 土工袋加固地基施工流程
碾压完成后,开展平板载荷试验,如图4(d)所示.平板载荷试验承压板为边长100 cm、厚2 cm 的正方形钢板,分8级加载,每级加载后间隔10、10、10、15、15 min测读一次沉降量,以后每隔半小时测读一次沉降量,当连续2 h 内,每小时的沉降量小于0.1 mm 时,则认为已趋稳定,可施加下一级荷载.在载荷试验的不同阶段监测土工袋层间土压力.
3.5 试验结果与分析
1)p-s曲线
表2为4层与5层土工袋试验方案的平板载荷试验每级荷载对应的累积沉降量.以累计沉降量s为横轴,竖向荷载p为纵轴,绘制得到的p-s曲线如图5所示.
表2 平板载荷试验累计沉降量 (单位:mm)
图5 不同工况下土工袋加固地基的p-s 曲线
根据规范[13]规定,4层土工袋方案累计沉降60 mm 时对应的竖向荷载约470 kPa,取极限荷载的一半即235 kPa为承载力特征值,略小于设计要求的250 kPa,但在试验过程中,荷载板沉降位移至最后一级荷载施加始终是缓慢增长,地基稳定,未达到极限破坏状态;5层土工袋方案累计沉降60 mm 时对应的竖向荷载约为520 kPa,取极限荷载的一半即260 kPa为承载力特征值,满足设计要求250 kPa,同时与前述将土工袋处理层按加筋土垫层考虑计算得到的承载力特征值基本接近.
2)土压力分布
图6为5层土工袋方案试验测得的承压板中心点以下土工袋加固层内土压力沿深度方向的变化.可以看出,土压力随深度呈现出逐渐减小的趋势,在场地表层的土压力最大.随着竖向荷载的增大,土工袋张力的发挥更为明显,加固层的刚度增大,土压力随深度的衰减变得更为显著.
图6 5层土工袋方案承压板中心点以下土压力沿深度的变化
图7(a)为5层土工袋方案深度1.5 m 处试验测得的土压力沿水平方向的分布.可以看出,在同一深度、同一竖向荷载作用下,承压板下的土压力最大,随着距承压板中心距离的增大,土压力逐渐减小,在距离承压板1.8 m 处测点的土压力随竖向荷载的变化较小.测点的土压力包括两部分,一部分是上部土体的自重应力,另一部分由竖向荷载引起的附加应力.土工袋加固层的重度按17 k N/m3考虑,1.5 m 深度处的自重应力为25.5 kPa,扣除自重应力后的土压力即为竖向荷载引起的附加应力,其分布如图7(b)所示.可见,在距离承压板1.8 m 处测点附加应力值基本为零,按此计算土工袋加固层的应力扩散角为40.9°.
图7 深度1.5 m 处测点土压力沿水平向的变化
土工袋加固方案与常规的建筑废料换填方案可以从以下几个方面进行对比.
1)施工效率与成本方面:开挖换填方案需要将淤泥等软弱土层全部挖除,淤泥层较深的机位开挖量大,开挖形成的基坑需要做支护,施工难度加大,并且回填料需要外购,施工完成后需要将回填料挖除进行外运,施工成本较高;而土工袋能够利用风机吊装平台场地开挖的大量弃土就地取材直接装袋,可以采用专用机械预先制作,回填、碾压能够同步进行,施工进度快、成本小.
2)复垦及环保性方面:开挖换填方案采用的建筑废渣容易嵌入原有地基土中,施工完成后进行挖除复垦时容易将部分残渣留在地基土中,复垦难度大,环保性较差;土工袋加固方案能够在施工结束后直接吊出,并在类似的吊装平台基坑或其它工程中重复使用,复垦难度小,有利于施工场地的环境保护.
3)加固效果方面:开挖换填法的场地承载力受回填料和压实密度影响较大,特别是对于软弱层较厚的部位效果更差;土工袋加固方案则主要通过袋子发挥张力约束袋内土体,加固层的承载能力受袋内材料影响并不显著,分层铺设厚度均匀,特别是对于深淤泥部位优势更为明显.
总之,相较于常规的开挖换填方案,土工袋加固方案除了能够满足施工场地的地基承载力要求外,还具有能就地取材、施工效率高、复垦容易、成本低、环保性好等诸多优势.
本文结合江苏某平原风电场建设,通过理论分析与现场试验,研究了土工袋技术在吊装平台软基处理中应用的可行性,得到了以下主要结论:
1)土工袋的强度提高源于在外力作用下袋子张力产生的附加黏聚力,且附加黏聚力是袋子张力、袋体尺寸与袋内土体强度综合作用的结果.袋内土体强度对附加黏聚力的影响通过被动土压力系数Kp间接反映,因此现场开挖的低强度淤泥质土可以直接用于装袋.
2)土工袋加固层能够显著提升吊装平台软基的承载力.对于本试验点较深的淤泥土层,采用5层土工袋加固,地基承载力特征值达到260 kPa,能够满足风机主吊平台场地的地基承载力特征值要求.
3)土工袋加固层具有较高的抗压强度和刚度,按加筋土垫层考虑,采用应力扩散的方法计算地基承载力是可行的.试验得到的土工袋加固层应力扩散角约为40°.
4)相较于常规的开挖换填方案,土工袋加固方案除了能够满足施工场地的地基承载力要求外,还具有能就地取材、施工效率高、复垦容易、成本低、环保性好等诸多优势,在临湖平原风电场厚淤泥等软弱地质条件下的吊装平台施工中具有很好的应用前景.
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