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摘 要：在湿陷性黄土地区开展风电场建设，湿陷性黄土场地上的风力发电机组基础地基经过优化设计，选择适用的地基处理方法，达到工程量较小、投资较少、施工简便、易于保证质量、安全可靠的设计目的。
关键词：湿陷性黄土;地基处理;风机基础;桩基础
湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔和垂直节理，在天然湿度下，其压缩性较低，强度较高，但遇水浸湿时，土的强度显著降低，在附加压力或上覆土的自重压力下，引起的湿陷变形是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形，对建筑物危害性大。因此，在湿陷性黄土地区进行建设，应根据湿陷性黄土的特点和工程要求，因地制宜，宜采取以地基处理为主的综合措施，防止地基受水浸湿引起湿陷对建筑物产生危害。
1 湿陷性黄土场地风机基础设计
根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（以下简称黄土规范），在湿陷性黄土地区进行建设，应根据湿陷性黄土的特点和工程要求，因地制宜，采取以地基处理为主的综合措施，防止地基浸水湿陷对建筑物产生危害。防止湿陷性黄土地基湿陷的综合措施，可分为地基处理、防水措施和结构措施三种。其中地基处理措施主要用于改善土的物理力学性质，减小或消除地基的湿陷变形;防水措施主要用于防止或减少地基受水浸湿;结构措施主要用于减小或调整建筑物的不均匀沉降，或使上部结构适应地基的变形。结合结构重要性、在使用期间对不均匀沉降限制的严格程度及风力发电机组的功率及轮毂高度划分，风力发电机组基础属于乙类。黄土规范对乙类建筑消除地基部分湿陷性最小厚度要求：
1.1 基础宽度大或湿陷性黄土层厚度大，处理2/3地基压缩层深度或全部湿陷性黄土层确有困难，应采用整片处理。对自重湿陷地基，处理厚度≥6m，下部未处理土层剩余湿陷量宜≤150mm。
1.2 当对地基整片处理时，其处理范围应大于建筑物底层平面的面积，超出建筑物外墙基础外缘的宽度，每边不应小于2m。
1.3 根据湿陷性黄土层厚度不同，分别采用天然地基、换填、强夯、灰土挤密方法处理基础持力层。
据上述，若采用地基处理措施，则地基处理深度和剩余湿陷量都应达到《湿陷性黄土地区建筑规范》的规定。这对于湿陷性黄土土层厚度在15m以内的场地，容易满足规范要求;对于大于15m的场地，现有的处理方法因机械设备条件的限制，很难达到处理深度的要求，未处理土层的剩余湿陷量也无法控制在规范范围之内。这不仅增加施工的难度，也无法体现浅基础技术和经济的合理性。在湿陷性黄土场地，当采用地基处理措施不能满足设计要求、对整体倾斜有严格限制的高耸结构、对不均匀沉降有严格限制的建筑和设备基础、主要承受水平荷载和上拔力的基础中任何一条就宜采用桩基础。风力发电机组基础主要承受水平荷载、大偏心受力且对整体倾斜限制较严格，对于地基处理措施不能满足设计要求的场地，应采用桩基础，且桩端必须穿透湿陷性黄土层。
2 设计实例
2.1 工程概况
某风电场49.5MW工程拟安装1500kW风力发电机组33台，装机容量49.5MW。风机基础极限工况承受荷载为：弯矩52066.0kN·m，水平力753.3kN，竖向力2249.5kN，扭矩856.8kN·m，
荷载修正安全系数1.35。拟建场区属于构造剥蚀地形，侵蚀低山、丘陵地貌。场区内除基岩零星出露外，大部分区域被黄土（第①层）覆盖。地层主要有第四系黄土（Q）、粉土、粉质粘土，燕山旋回晚期第一阶段（早白垩纪）侵入岩花岗岩，局部出露有下二叠统大理岩。
黄土呈褐黄色～黄褐色，稍密，稍湿，含白色钙质菌丝、铁锰结核，可见有机质和孔隙，具湿陷性，局部夹可塑～硬塑粉质粘土层，上覆0.50m耕植土。该层在场区广泛分布，且变化较大，一般层厚3.10m～27.40m。黄土自重湿陷系数为0.002～0.104，平均值0.034;湿陷系数为0.014～0.104，平均值0.053;湿陷起始压力19～241kPa，平均值82kPa。湿陷等级分别为Ⅱ中等自重湿陷、Ⅲ严重自重湿陷和Ⅳ很严重自重湿陷。勘测深度范围内均未发现地下水，可不考虑地下水对基础的影响。
2.2 基桩设计计算
在自重湿陷性黄土场地，为减小桩侧负摩阻，应尽量采用非挤土桩。本工程选用干作业钻孔扩底灌注桩。经经验粗算确定，18根φ600mm和12根φ800mm两种桩径方案，分別进行计算。黄土发生湿陷时，桩周土层的下沉量大于桩的下沉量，桩周土对桩侧产生向下作用的负摩擦力。设计中应考虑桩顶到桩身中性点范围内所受的负摩擦力。桩端持力层为粉质粘土或强风化花岗岩时，中性点深度比分别取为0.5和1.0。桩纵向钢筋通长配置6根直径为φ20mm（HRB335），箍筋采用螺旋式，直径φ10mm（HPB300），间距200mm，桩顶以下5d范围内箍筋加密间距为100mm，另设加强箍直径Φ18（HRB335）间距2000。
2.3 承台设计计算
承台直径14.8m，承台厚度2.2m，端部厚度1.0m，桩中心至承台边缘距离为0.6m，混凝土采用C35。弯矩计算截面和冲切破坏锥体见图，冲切承载力计算见式（1），应大于单桩所受最大压力和拔力。承台径向计算截面上的弯矩设计值计算见式（2），计算承台下部、上部配筋时，Nmax分别为单桩所受最大压力、拔力设计值。基础采用预应力锚栓连接塔筒，塔筒安装时对锚栓施加预拉力，确保基础与塔筒为刚接。此外，极限荷载工况标准值作用下，裂缝宽度不应大于0.3mm;正常运行工况荷载标准值作用下，裂缝宽度不应大于0.2mm。
2.4 其他措施
为降低地基土在施工和设计使用寿命期间浸水的可能性，合理组织风电场内排水;基础整体抬高，使高出地坪0.3m;回填土分层夯实，压实系数不小于0.95，坡度2%;垫层下方设300mm厚2∶8灰土垫层防水;钻孔及扩底施工过程中严防雨水或地表水流入桩孔内。采用专用旋挖钻机施工桩基，并合理组织施工进度。
2.5 总结
采用以上设计方法，对该工程的各点位地质情况进行逐一分析，归纳判断。对黄土厚度超过15m的点位进行上述基础设计，从而显著降低了土建工程量，为工程节省投资，达到了安全、适用、经济的设计原则。同时，湿陷性黄土场地风机基础采用扩底桩基础方案消除了黄土湿陷性的影响。工程量较小、投资较少、施工简便、质量易于保证、安全可靠，为风电场早日投产发电、收回投资争取了宝贵的时间。
3 结语
在湿陷性黄土场内上进行风力发电机组基础宜采用桩基础，根据需要进行扩底，此方案设计消除了黄土湿陷性的影响，工程量较小、投资较少、施工简便、易于保证质量、安全可靠，对工程建设有可观的经济效益。
参考文献
[1]《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.
[2]韩庆.西安地铁一号线黄土湿陷性研究[D].西安：西安理工大学，2010.
[3]王小军，米维军，等.郑西客运专线黄土地基湿陷性现场浸水试验研究[J].铁道学报，2012（01）.
[4]李晋，谢永利，冯忠居.自重湿陷性黄土地区合理桩长初探[J].岩石力学与工程学报，2005（09）.
关键词：湿陷性黄土;地基处理;风机基础;桩基础
湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔和垂直节理，在天然湿度下，其压缩性较低，强度较高，但遇水浸湿时，土的强度显著降低，在附加压力或上覆土的自重压力下，引起的湿陷变形是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形，对建筑物危害性大。因此，在湿陷性黄土地区进行建设，应根据湿陷性黄土的特点和工程要求，因地制宜，宜采取以地基处理为主的综合措施，防止地基受水浸湿引起湿陷对建筑物产生危害。
1 湿陷性黄土场地风机基础设计
根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（以下简称黄土规范），在湿陷性黄土地区进行建设，应根据湿陷性黄土的特点和工程要求，因地制宜，采取以地基处理为主的综合措施，防止地基浸水湿陷对建筑物产生危害。防止湿陷性黄土地基湿陷的综合措施，可分为地基处理、防水措施和结构措施三种。其中地基处理措施主要用于改善土的物理力学性质，减小或消除地基的湿陷变形;防水措施主要用于防止或减少地基受水浸湿;结构措施主要用于减小或调整建筑物的不均匀沉降，或使上部结构适应地基的变形。结合结构重要性、在使用期间对不均匀沉降限制的严格程度及风力发电机组的功率及轮毂高度划分，风力发电机组基础属于乙类。黄土规范对乙类建筑消除地基部分湿陷性最小厚度要求：
1.1 基础宽度大或湿陷性黄土层厚度大，处理2/3地基压缩层深度或全部湿陷性黄土层确有困难，应采用整片处理。对自重湿陷地基，处理厚度≥6m，下部未处理土层剩余湿陷量宜≤150mm。
1.2 当对地基整片处理时，其处理范围应大于建筑物底层平面的面积，超出建筑物外墙基础外缘的宽度，每边不应小于2m。
1.3 根据湿陷性黄土层厚度不同，分别采用天然地基、换填、强夯、灰土挤密方法处理基础持力层。
据上述，若采用地基处理措施，则地基处理深度和剩余湿陷量都应达到《湿陷性黄土地区建筑规范》的规定。这对于湿陷性黄土土层厚度在15m以内的场地，容易满足规范要求;对于大于15m的场地，现有的处理方法因机械设备条件的限制，很难达到处理深度的要求，未处理土层的剩余湿陷量也无法控制在规范范围之内。这不仅增加施工的难度，也无法体现浅基础技术和经济的合理性。在湿陷性黄土场地，当采用地基处理措施不能满足设计要求、对整体倾斜有严格限制的高耸结构、对不均匀沉降有严格限制的建筑和设备基础、主要承受水平荷载和上拔力的基础中任何一条就宜采用桩基础。风力发电机组基础主要承受水平荷载、大偏心受力且对整体倾斜限制较严格，对于地基处理措施不能满足设计要求的场地，应采用桩基础，且桩端必须穿透湿陷性黄土层。
2 设计实例
2.1 工程概况
某风电场49.5MW工程拟安装1500kW风力发电机组33台，装机容量49.5MW。风机基础极限工况承受荷载为：弯矩52066.0kN·m，水平力753.3kN，竖向力2249.5kN，扭矩856.8kN·m，
荷载修正安全系数1.35。拟建场区属于构造剥蚀地形，侵蚀低山、丘陵地貌。场区内除基岩零星出露外，大部分区域被黄土（第①层）覆盖。地层主要有第四系黄土（Q）、粉土、粉质粘土，燕山旋回晚期第一阶段（早白垩纪）侵入岩花岗岩，局部出露有下二叠统大理岩。
黄土呈褐黄色～黄褐色，稍密，稍湿，含白色钙质菌丝、铁锰结核，可见有机质和孔隙，具湿陷性，局部夹可塑～硬塑粉质粘土层，上覆0.50m耕植土。该层在场区广泛分布，且变化较大，一般层厚3.10m～27.40m。黄土自重湿陷系数为0.002～0.104，平均值0.034;湿陷系数为0.014～0.104，平均值0.053;湿陷起始压力19～241kPa，平均值82kPa。湿陷等级分别为Ⅱ中等自重湿陷、Ⅲ严重自重湿陷和Ⅳ很严重自重湿陷。勘测深度范围内均未发现地下水，可不考虑地下水对基础的影响。
2.2 基桩设计计算
在自重湿陷性黄土场地，为减小桩侧负摩阻，应尽量采用非挤土桩。本工程选用干作业钻孔扩底灌注桩。经经验粗算确定，18根φ600mm和12根φ800mm两种桩径方案，分別进行计算。黄土发生湿陷时，桩周土层的下沉量大于桩的下沉量，桩周土对桩侧产生向下作用的负摩擦力。设计中应考虑桩顶到桩身中性点范围内所受的负摩擦力。桩端持力层为粉质粘土或强风化花岗岩时，中性点深度比分别取为0.5和1.0。桩纵向钢筋通长配置6根直径为φ20mm（HRB335），箍筋采用螺旋式，直径φ10mm（HPB300），间距200mm，桩顶以下5d范围内箍筋加密间距为100mm，另设加强箍直径Φ18（HRB335）间距2000。
2.3 承台设计计算
承台直径14.8m，承台厚度2.2m，端部厚度1.0m，桩中心至承台边缘距离为0.6m，混凝土采用C35。弯矩计算截面和冲切破坏锥体见图，冲切承载力计算见式（1），应大于单桩所受最大压力和拔力。承台径向计算截面上的弯矩设计值计算见式（2），计算承台下部、上部配筋时，Nmax分别为单桩所受最大压力、拔力设计值。基础采用预应力锚栓连接塔筒，塔筒安装时对锚栓施加预拉力，确保基础与塔筒为刚接。此外，极限荷载工况标准值作用下，裂缝宽度不应大于0.3mm;正常运行工况荷载标准值作用下，裂缝宽度不应大于0.2mm。
2.4 其他措施
为降低地基土在施工和设计使用寿命期间浸水的可能性，合理组织风电场内排水;基础整体抬高，使高出地坪0.3m;回填土分层夯实，压实系数不小于0.95，坡度2%;垫层下方设300mm厚2∶8灰土垫层防水;钻孔及扩底施工过程中严防雨水或地表水流入桩孔内。采用专用旋挖钻机施工桩基，并合理组织施工进度。
2.5 总结
采用以上设计方法，对该工程的各点位地质情况进行逐一分析，归纳判断。对黄土厚度超过15m的点位进行上述基础设计，从而显著降低了土建工程量，为工程节省投资，达到了安全、适用、经济的设计原则。同时，湿陷性黄土场地风机基础采用扩底桩基础方案消除了黄土湿陷性的影响。工程量较小、投资较少、施工简便、质量易于保证、安全可靠，为风电场早日投产发电、收回投资争取了宝贵的时间。
3 结语
在湿陷性黄土场内上进行风力发电机组基础宜采用桩基础，根据需要进行扩底，此方案设计消除了黄土湿陷性的影响，工程量较小、投资较少、施工简便、易于保证质量、安全可靠，对工程建设有可观的经济效益。
参考文献
[1]《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.
[2]韩庆.西安地铁一号线黄土湿陷性研究[D].西安：西安理工大学，2010.
[3]王小军，米维军，等.郑西客运专线黄土地基湿陷性现场浸水试验研究[J].铁道学报，2012（01）.
[4]李晋，谢永利，冯忠居.自重湿陷性黄土地区合理桩长初探[J].岩石力学与工程学报，2005（09）.