張延軍 ，木林隆 ，錢建固 ，黃茂松

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土與地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092）

1 引 言

隨著風(fēng)能作為一種重要可再生能源越來越受到全世界的重視并取得了飛速發(fā)展，關(guān)于陸上風(fēng)機(jī)的研究也越來越多。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是確保風(fēng)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一，其主要承受上部風(fēng)機(jī)自重和隨機(jī)水平風(fēng)荷載的作用。由于風(fēng)向可以是任意方向，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)必須具有承受360°偏心隨機(jī)水平荷載的的受力特點(diǎn)，因此風(fēng)機(jī)一般設(shè)計為關(guān)于中心軸對稱的結(jié)構(gòu)。2007年中國水利水電規(guī)劃設(shè)計院發(fā)布了《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[1]，對常見擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)的設(shè)計方法和構(gòu)造措施有了詳細(xì)、統(tǒng)一的規(guī)定，而關(guān)于在地質(zhì)條件不好、天然地基承載力不足或持力層埋深較大的地區(qū)采用的樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計，目前主要參考高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計方法或國外先進(jìn)風(fēng)機(jī)廠家圖紙。

風(fēng)電梁板式基礎(chǔ)的設(shè)計主要參照工業(yè)與民用建筑中梁板式基礎(chǔ)的設(shè)計方法和經(jīng)驗(yàn)，因在民用建筑中梁板式基礎(chǔ)的研究較多，也相對較為成熟。馬人樂等[2]針對我國風(fēng)力發(fā)電塔基礎(chǔ)設(shè)計和施工中出現(xiàn)的問題，提出了根據(jù)不同地基土類別和具體情況進(jìn)行合理改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計的建議，使基礎(chǔ)受力更合理、更經(jīng)濟(jì)。王偉等[3]提出了一種豎向荷載作用下樁筏基礎(chǔ)通用分析方法。王曙光[4]進(jìn)行了豎向荷載下單跨梁板式筏形基礎(chǔ)室內(nèi)模型試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了梁板式基礎(chǔ)的荷載傳遞順序及破壞性狀，以及基底反力分布規(guī)律。利用該試驗(yàn)結(jié)果，王昆泰等[5]進(jìn)一步分析了梁板式筏形基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基的布樁方法。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是一種典型多向荷載耦合作用下的受力體系，新型梁板式樁筏風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力與變形特點(diǎn)非常復(fù)雜，耦合荷載作用下梁板式樁筏基礎(chǔ)的受力情況較為復(fù)雜，該方面的研究也較少。Kitiyodom等[6]用數(shù)值方法針對水平荷載和豎向荷載耦合作用下的非均質(zhì)土層中樁筏基礎(chǔ)，估算了隧道開挖引起的地面彎矩作用下樁筏基礎(chǔ)的基底沉降和基底反力大小及分布。汪宏偉等[7]基于Mindlin 解，假設(shè)筏板為完全剛性，提出了一種多向荷載同時作用下的樁筏基礎(chǔ)簡化計算方法，得到剛性樁筏基礎(chǔ)的受力和變形的關(guān)系。武帥等[8]利用ANSYS 軟件對實(shí)際梁板式筏形風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行三維有限元計算，探討了正常運(yùn)行工況下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及地基的應(yīng)力和變形規(guī)律。汪宏偉等[7]利用其提出的簡化方法，分析了耦合荷載作用下的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力和變形特性。連柯楠等[9]在實(shí)際工程的基礎(chǔ)上，通過有限元建模計算耦合荷載作用下梁板式基礎(chǔ)管樁、肋梁和環(huán)梁的受力和變形特性，并將有限元計算得出的基礎(chǔ)構(gòu)件內(nèi)力與規(guī)范設(shè)計方法計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，同時分析了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁土分擔(dān)比，研究了耦合荷載作用下土體的承載作用。耦合作用下的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力特性的復(fù)雜性決定了目前大部分方法均為數(shù)值方法，而數(shù)值方法的正確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，重點(diǎn)討論了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在靜止?fàn)顟B(tài)和正常運(yùn)行狀態(tài)工況下風(fēng)機(jī)受力特性，并將實(shí)測值與設(shè)計值進(jìn)行對比，對類似工程的設(shè)計具有借鑒意義。

2 工程概況

測試現(xiàn)場處于射陽港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的農(nóng)牧公司附近。地基土主要為全新統(tǒng)海陸過渡相-海相淤漲沉積物，按其成因及沉積特征自上而下可劃分為7 個大層，6 個亞層和1 個夾層，見表1。本工程總裝機(jī)容量為51 MW，安裝17 臺華銳風(fēng)電3.0 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)輪轂高度為90 m，輪轉(zhuǎn)直徑為121 m。風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口電壓為690 V，每臺風(fēng)電機(jī)配置一臺箱式變電站。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用八邊形梁板式樁筏基礎(chǔ)，通過基礎(chǔ)環(huán)及中墩將上部塔筒、葉片自重及風(fēng)荷載、風(fēng)機(jī)動荷載傳遞到肋梁，再通過肋梁傳遞到環(huán)梁、筏板和樁?；A(chǔ)外接圓直徑為21 m，基礎(chǔ)中心預(yù)埋直徑為4.3 m 圓形基礎(chǔ)環(huán)，基礎(chǔ)環(huán)上預(yù)設(shè)孔洞便于主梁鋼筋插入后澆筑混凝土?；A(chǔ)埋深3.8 m，采用混凝土強(qiáng)度等級為C40，基礎(chǔ)墊層采用C20素混凝土。樁基采用預(yù)制管樁，所有樁外徑為0.6 m，內(nèi)徑為0.34 m，樁長44 m，筏板厚0.3 m。環(huán)梁截面分上下2 段，下段寬1.2 m，上段寬0.6 m，下段和上段高均為0.8 m，上下2 段軸線重合。肋梁截面尺寸：肋梁和基礎(chǔ)環(huán)相交處為1.4 m×3.6 m；肋梁和環(huán)梁相交處為1.4 m×1.711 m。圖1為測試基礎(chǔ)示意圖。

表1 地基土土層分布Table 1 Distribution of soil layer

圖1 梁板式樁筏基礎(chǔ)示意圖Fig.1 Sketch of piled beam-raft foundation

3 梁板式樁筏基礎(chǔ)現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案及測試過程

3.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及下臥土層中分別埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計和土壓力盒，測試風(fēng)電基礎(chǔ)在施工過程和工作狀態(tài)下樁頂軸力及基底土壓力的大小，從而分析整個風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在施工過程和正常工作狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律。

3.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

土壓力盒型號為JDTYJ-20，測量范圍為0～0.3 MPa；鋼筋計型號為JDGJJ-10，測量范圍為0～80 kN；測讀儀采用型號為JDZX-2 振弦式測讀儀。

3.1.3 試驗(yàn)設(shè)備埋設(shè)

土壓力盒共13 個，在墊層鋪設(shè)完畢之后埋設(shè)在墊層下，具體埋設(shè)位置如圖2 所示。由圖3 可見，鋼筋計焊接在鋼筋上，插入預(yù)制樁心，并澆入膨脹混凝土，每根樁內(nèi)安鋼筋計3 個，分7 根樁布設(shè)，共21 個。其中內(nèi)環(huán)樁內(nèi)鋼筋計的埋設(shè)在基坑開挖過程中，吊裝基礎(chǔ)環(huán)之前，外環(huán)樁鋼筋計的埋設(shè)在基坑開挖之后，基礎(chǔ)底板澆筑完畢，綁扎基礎(chǔ)主體鋼筋的過程中。具體位置和個數(shù)見圖2。

圖2 土壓力盒及樁內(nèi)鋼筋計分布(單位:mm)Fig.2 Distribution of earth pressure cells and reinforcement meters in piles(unit:mm)

圖3 鋼筋計焊接示意圖Fig.3 Sketch of the weld of reinforcement meters

3.1.4 測試過程

在每個測試時間點(diǎn)測讀并記錄儀器頻模值，具體測試時間點(diǎn)見表2。

表2 儀器測試時間Table 2 Time of measurement

3.1.5 測試結(jié)果

測試結(jié)果見表3、4。表3為單根鋼筋應(yīng)力，且均為與初始讀數(shù)頻模值差值換算所得，初始頻模值為設(shè)備埋入基礎(chǔ)之后而地板未澆筑之前測得儀器讀數(shù)，為同一樁內(nèi)3 個鋼筋計讀數(shù)取平均值之后計算的結(jié)果。樁及土壓力盒編號見圖2。

表3 樁內(nèi)鋼筋計測試結(jié)果Table 3 Measurement results of reinforcement meters

表4 基底土壓力盒測試結(jié)果Table 4 Measurement results of earth pressure cells

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 基底土壓力分析

圖4為根據(jù)表4 擬合的土壓力分布圖。其中，細(xì)黑線表示的正八邊形為次梁輪廓，斜線為肋梁輪廓。土壓力盒編號標(biāo)明了測點(diǎn)位置，豎線長度和紅球縱坐標(biāo)大小標(biāo)明了各測點(diǎn)相應(yīng)土壓力大小。右側(cè)彩色圖譜同樣表示土壓力大小，顏色越深代表土壓力越大。

圖4 土壓力分布(單位:kPa)Fig.4 Distribution diagram of soil pressure(unit:kPa)

由圖4(a)為基礎(chǔ)回填之后所測得的地基土壓力分布擬合圖可以看出，T10～T13 位置土壓力較大，因上覆土體回填，肋梁間的筏板受土重作用最明顯，變形最大。土壓力最大值出現(xiàn)在T13 位置且數(shù)值較大，可能由施工其他因素造成。因?yàn)榇藭r基礎(chǔ)環(huán)直接作用在中心4 根樁上，而基礎(chǔ)構(gòu)造內(nèi)部荷載較大，外部荷載較小，所以離中心越遠(yuǎn)土壓力越小，也說明此時荷載主要由基礎(chǔ)環(huán)附近的樁土承擔(dān)。與中心呈軸對稱的位置土壓力大小相近。從中心到基礎(chǔ)最外邊，土壓力先增大，后減小。圖中離中心較遠(yuǎn)的T1、T5、T6、T9 處土壓力相近且較小。位于正中心的T3 位置土壓力也較小，是因?yàn)檎行奶幫翂毫χ饕獊碜曰A(chǔ)和上覆土自重導(dǎo)致的基礎(chǔ)受力變形。

直接粘貼為對象格式圖片不清晰，本文均采用截屏或黏貼為圖片的方式，效果較好，以下為可編輯的對象格式。圖2為cad 繪圖，圖4為grapher 10繪圖，圖5為origin 8.5 繪圖。

圖4(b)為基礎(chǔ)在上部塔筒吊裝后的土壓力分布圖。與圖4(a)比較可以看出，基底土壓力分布規(guī)律一致，離中心較遠(yuǎn)的T1、T5、T6、T9 位置土壓力大小基本不變，僅僅是離內(nèi)圈4 根樁附近位置所測得的土壓力值略為增加，可見塔筒部分自重荷載主要由樁基承擔(dān)，土體承擔(dān)較小。一部分原因是塔筒吊裝完成后立即測量，土體變形尚未完成，所測得的土壓力還有增大的可能。

圖4(c)為風(fēng)機(jī)調(diào)試完成后低速運(yùn)行時基底土壓力分布圖。與圖4(a)、4(b)相比，基底土壓力分布規(guī)律基本一致，但數(shù)值較小。運(yùn)行時，在水平風(fēng)荷載和豎向自重荷載的耦合作用下，樁土荷載分擔(dān)比有了較大的變化，樁承擔(dān)了較大的荷載，從而導(dǎo)致基底土壓力變小，從樁頂軸力變化也可以得到驗(yàn)證。

3.2.2 樁頂軸力分析

（1）計算過程

首先計算得到單根樁樁心鋼筋內(nèi)力，然后計算出單根樁內(nèi)3 根鋼筋計應(yīng)變平均值 ε0，僅考慮軸心受壓的情況，由鋼筋與混凝土應(yīng)變協(xié)調(diào)得到混凝土承擔(dān)荷載，得到樁頂軸力，計算表達(dá)式為

式中：E1為插筋彈性模量；E2為混凝土彈性模量；E3為樁身預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量；A1為樁內(nèi)插筋單根鋼筋截面面積；A2為單樁除去所有插筋截面積后的凈截面面積；A3為樁身預(yù)應(yīng)力鋼筋單根鋼筋截面面積。

（2）計算結(jié)果及分析

圖5 中實(shí)心標(biāo)注的PA、PB、PC、PD是內(nèi)圈樁，空心標(biāo)注的PE、PF、PG是外圈樁。以澆筑完底板為初始狀態(tài)，所有測試數(shù)據(jù)減去初始狀態(tài)數(shù)據(jù)繪圖，可以看出，每一個施工階段樁頂軸力的相對變化。由圖中可以看出，內(nèi)圈4 根樁樁頂軸力大小隨施工進(jìn)度的變化規(guī)律相同，外圈3 根樁樁頂軸力大小隨施工進(jìn)度的變化規(guī)律也一致。

圖5 樁頂軸力分布Fig.5 Distribution diagram of the axial force of the top of piles

由于連接塔架用的基礎(chǔ)環(huán)直接架設(shè)于內(nèi)圈4 根樁上，內(nèi)圈樁承擔(dān)的荷載較大。澆完基礎(chǔ)后，內(nèi)圈樁軸力迅速增大，因基礎(chǔ)為內(nèi)圈較高的圓臺，主要荷載均在內(nèi)圈，基礎(chǔ)的變形還未使外圈樁產(chǎn)生較大反力?；靥詈?，由于基礎(chǔ)變形，樁底土壓力發(fā)揮，外側(cè)樁承載力發(fā)揮，內(nèi)側(cè)樁軸力減小，與前述理論方法分析結(jié)論一致。吊裝之后，內(nèi)圈與外圈樁頂軸力均增加，因塔架與基礎(chǔ)環(huán)相連，而基礎(chǔ)環(huán)直接架設(shè)于內(nèi)圈樁上，因此，內(nèi)圈樁基軸力增長較為明顯，說明塔筒荷載主要由樁基承擔(dān)，這也可以從土壓力增長不明顯得到驗(yàn)證。運(yùn)行后，基礎(chǔ)開始發(fā)揮整體效應(yīng)，內(nèi)圈樁軸力降低，外圈樁軸力提高，不考慮偏心作用，內(nèi)圈樁軸力減少總值為2 100 kN，外圈樁增長為2 400 kN。

外圈樁樁頂軸力大小則始終保持在一個水平，是因?yàn)榛A(chǔ)環(huán)和塔筒直接作用在內(nèi)圈4 根樁上，通過基礎(chǔ)傳遞到外圈的荷載較小。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，內(nèi)圈樁頂軸力顯著減小，外圈樁頂軸力仍有微小增大的趨勢，這是因?yàn)榛A(chǔ)環(huán)直接作用在內(nèi)圈4 根樁上。風(fēng)機(jī)運(yùn)行前，基礎(chǔ)環(huán)與中墩的相互作用較小，風(fēng)機(jī)上部荷載主要由內(nèi)圈樁承擔(dān)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，基礎(chǔ)環(huán)與中墩之間產(chǎn)生相對位移，相互作用加強(qiáng)，基礎(chǔ)環(huán)傳遞到中墩，中墩傳遞到肋梁的荷載增加，外圈樁承擔(dān)的荷載增加，而基礎(chǔ)環(huán)直接傳遞到內(nèi)圈樁的荷載減小?；A(chǔ)環(huán)與中墩之間的相互作用有待進(jìn)一步研究。

3.2.3 樁土分擔(dān)比分析

（1）計算過程

基礎(chǔ)為軸對稱圖形，認(rèn)為對稱位置樁樁頂軸力近似相等，由此估算樁承擔(dān)豎向荷載值。

以基礎(chǔ)中心為原點(diǎn)，半徑分別為R1～R4 的圓將基礎(chǔ)覆蓋土體平面分為1 個圓和3 個圓環(huán)，共4個區(qū)域。近似認(rèn)為每個區(qū)域土壓力值相等，用區(qū)域內(nèi)測點(diǎn)數(shù)據(jù)平均值為代表值。由此計算土體承擔(dān)豎向荷載，具體計算結(jié)果見表5。

表5 土體承擔(dān)荷載計算Table 5 Calculation of the load that the soil bears

（2）計算結(jié)果及分析

計算塔筒吊裝完成后的樁土荷載分擔(dān)比，結(jié)果見表6。

表6 樁土分擔(dān)比計算Table 6 Calculation of the pile soil sharing

由表6 可以看出，風(fēng)機(jī)靜止時，在豎向荷載作用下土體承擔(dān)荷載大小為7 403 kN，占豎向總荷載的23.01%。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，土體承擔(dān)荷載大小為6 568 kN，占總荷載的34.20%。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時土體承擔(dān)荷載比例相對于風(fēng)機(jī)靜止時有所增大。所以，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計過程中，適當(dāng)考慮土體的承載作用是合理的。

4 與設(shè)計結(jié)果對比

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[10]附錄C，計算考慮水平荷載作用下承臺基樁和土協(xié)同作用下的樁基內(nèi)力和變形。規(guī)范計算方法假定：土體為彈性變形介質(zhì)，其水平抗力系數(shù)隨深度線性增加（M 法），地面處為0；樁頂與承臺固接，承臺為完全剛性。計算結(jié)果見表7。從表中可以看出，無論是吊裝前還是吊裝后，樁頂軸力最小值遠(yuǎn)小于承載力特征值和實(shí)際設(shè)計值，表明單樁抗拉偏于安全。吊裝前最大樁頂軸力為1 996 kN，遠(yuǎn)大于承載力特征值1 620 kN和實(shí)測樁頂最大軸力1 606.9 kN，表明設(shè)計是偏于不安全的，可能是由于基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)并未完全發(fā)揮整體效應(yīng)造成。吊裝后樁頂軸力最大值為1 689 kN與設(shè)計值接近，可見對于某根可能達(dá)到最大值的樁來說是偏于不安全的。但由圖7 還可以看出，樁頂軸力出現(xiàn)最大值最可能為內(nèi)圈4 根樁，除此之外，其他樁樁頂軸力均遠(yuǎn)小于極限承載力特征值或者設(shè)計最大值，可見對基礎(chǔ)環(huán)與梁板式基礎(chǔ)的連接應(yīng)該加強(qiáng)。

表7 樁頂軸力對比Table 7 Contrast of the force of the top of piles

5 結(jié) 論

（1）基底土壓力最大值出現(xiàn)在肋梁之間。

（2）最外圈樁基軸力和基礎(chǔ)外邊緣基底土壓力主要來源于基礎(chǔ)自重。

（3）風(fēng)機(jī)運(yùn)行前，基礎(chǔ)環(huán)與中墩相互作用小，內(nèi)圈樁承擔(dān)主要荷載；風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，基礎(chǔ)環(huán)與中墩相互作用增強(qiáng)，內(nèi)外圈樁整體受力，內(nèi)圈樁軸力減小，外圈樁軸力增大，基礎(chǔ)整體受力趨于均勻。基礎(chǔ)環(huán)與中墩之間的相互作用有待進(jìn)一步研究。

（4）基樁抗拉設(shè)計偏于安全，內(nèi)圈基樁抗壓設(shè)計偏于不安全。

（5）風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計時，現(xiàn)在的設(shè)計方法不考慮土體的承載作用，計算結(jié)果偏于安全。

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