楊麗，韓彥寶

（北京木聯(lián)能工程科技有限公司，北京 100096）

《FD003—2007風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）》規(guī)定傾斜率系指基礎(chǔ)傾斜方向?qū)嶋H受壓區(qū)域兩邊緣的沉降差與其距離的比值。風(fēng)力機基礎(chǔ)受風(fēng)荷載作用或土層不均勻的影響偏心受壓，會產(chǎn)生傾斜?；A(chǔ)的傾斜對風(fēng)力機上部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不利影響，造成后果很難處理，糾偏困難。規(guī)范中要求計算風(fēng)力機基礎(chǔ)的傾斜量，但未給出明確的計算方法，如何準(zhǔn)確地計算風(fēng)力機基礎(chǔ)的傾斜成為風(fēng)機設(shè)計人員急需解決的問題。本文以實際工程為例，給出偏心受壓風(fēng)力機基礎(chǔ)正常運行工況及極端荷載工況下的傾斜計算的具體算法，希望能為廣大風(fēng)力機基礎(chǔ)設(shè)計人員提供有益幫助。

1 計算公式

設(shè)計規(guī)范中規(guī)定傾斜率按下式計算：

式中，s1、s2為基礎(chǔ)傾斜方向?qū)嶋H受壓區(qū)域兩邊緣的最終沉降量，mm；bs為基礎(chǔ)傾斜方向?qū)嶋H受壓區(qū)域的寬度。

基礎(chǔ)在偏心荷載作用下，基底壓力分布圖形有梯形分布和三角形分布，梯形分布時，基礎(chǔ)未脫開，三角形分布時，基礎(chǔ)部分脫開，但脫開的面積符合規(guī)范要求。

沉降量計算公式如下：

式中，s為地基最終沉降量；s′為按分層總和法計算出的地基沉降值；ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測資料及經(jīng)驗確定，無地區(qū)經(jīng)驗時可查與土層當(dāng)量壓縮模量Es有關(guān)的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)表選用。

壓縮模量計算公式為：

式中，Ai為第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值；Esi為擴展基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，應(yīng)取自自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段計算；n為地基沉降計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；p0k為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，擴展基礎(chǔ)底面處的附加壓力；αi、α軍i－1為擴展基礎(chǔ)底面計算點至第i、i－1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，圓形擴展基礎(chǔ)可參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》2008附錄D.0.3。

1.1 基底附加應(yīng)力為梯形分布時s2和s1的計算

規(guī)定s2為基礎(chǔ)邊緣最大壓力pmax所對應(yīng)端點2的沉降量，s1為基礎(chǔ)邊緣最小壓力pmin所對應(yīng)端點1的沉降量。參考GB50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，可知

基底邊緣處最大壓力：

基底邊緣處最小壓力：

基底附加應(yīng)力為梯形分布時，可將荷載分為均布荷載和三角形荷載兩部分，分別計算其相應(yīng)的沉降量再進行疊加，如圖1所示。

圖1 梯形分布荷載作用下計算示意圖Fig.1 Calculation diagram under the trapezoidal distribution load

由圖1可以看出，均布荷載部分的沉降量計算的基底附加壓力

三角形荷載部分的沉降量計算的基底附加壓力

由此得出，端點2的合計沉降量=三角形分布的2點的沉降量+均布荷載部分的沉降量

同理，端點1的合計沉降量=三角形分布的1點的沉降量+均布荷載部分的沉降量

1.2 基底附加應(yīng)力為三角形分布時s2和s1的計算

基底附加應(yīng)力為三角形分布時，說明基礎(chǔ)底面部分脫開，此時可將荷載換算為作用在整個基礎(chǔ)寬度上的相似大三角形荷載和均布荷載兩部分，分別計算其相應(yīng)的沉降量再進行疊加，如圖2所示。

基底邊緣處最大壓力

圖2 三角形分布荷載作用下計算示意圖Fig.2 Calculation diagram under the triangular distribution load

基底受壓面積寬度

式中，ξ、τ為計算系數(shù)，根據(jù)e/R按《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50135—2006附錄C確定。

由幾何關(guān)系推導(dǎo)可得，

由圖2可以看出，均布荷載部分的沉降量計算的基底附加壓力

三角形荷載部分的沉降量計算的基底附加壓力

由此得出，端點2的合計沉降量=三角形分布的2點的沉降量-均布荷載部分的沉降量

同理，端點1的合計沉降量=三角形分布的1點的沉降量-均布荷載部分的沉降量。

2 工程實例

2.1 工程概況

某中型風(fēng)電場，采用某廠家單機容量2.5 MW的風(fēng)力發(fā)電機組，風(fēng)輪直徑106 m，輪轂高度80 m，50年極端風(fēng)速52.5 m/s，風(fēng)場類型為IECIII=3，上部結(jié)構(gòu)傳至塔筒底部的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值見表1，地基土巖土力學(xué)參數(shù)見表2。

風(fēng)電機組基礎(chǔ)選用圓形擴展基礎(chǔ)，安全等級為二級，基礎(chǔ)底板半徑R=10.6 m；基礎(chǔ)底板外緣高度H1=1 m；基礎(chǔ)棱臺頂面半徑R1=3.3 m；基礎(chǔ)底板棱臺高度H2=1.5 m；基礎(chǔ)臺柱半徑R2=3.3 m；臺柱高度H3=0.7 m；塔筒直徑D=4.7 m；上部荷載作用力標(biāo)高Hb=0.9 m；基礎(chǔ)埋深Hd=3.1 m；地下水埋深Hw=10 m。

表1 上部結(jié)構(gòu)傳至塔筒底部的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值Tab.1 Standard load from super structure to the tower bottom

表2 地基土巖土力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of rock and soil

2.2 傾斜計算

2.2.1 正常運行荷載工況

基礎(chǔ)底面的抵抗矩計算公式

由式（13）可得：

偏心距計算公式

由式（14）可得：

根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50135-2006中附錄C，可知基礎(chǔ)面積未脫開，基底壓力分布圖為梯形。

基底邊緣處最大壓力，由式（4）可得：

基底邊緣處最小壓力，由式（5）可得：

由傾斜計算的計算原理可知，基底附加應(yīng)力為梯形分布時，可將荷載分為均布荷載和三角形荷載兩部分，分別計算其相應(yīng)的沉降量再進行疊加。

均布荷載部分的沉降量計算的附加壓力，由式（6）可得：p0k=pmin=35.592 kPa；

三角形荷載部分的沉降量計算的附加壓力，由式（7）可得：

p0k=pmax－pmin=125.028－35.592=89.436 kPa；均布荷載部分的沉降量計算結(jié)果見表3。

表3 均布荷載引起的沉降量計算表Tab.3 Settlement calculation table due to the uniform distribution load

z=13.3 m ～14.3 m，土層計算沉降量

由式（3）可得，

查《設(shè)計規(guī)定》中表8.4.3，p0k=35.592 kPa<0.75fak=0.75×140=105 kPa，

則由式（2）可得，采用內(nèi)插法計算得到沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs=0.7056。

均布荷載引起的最終的沉降量為：

s=ψss′=ψs∑Δs′i=0.7056×47.813=33.74 mm。

三角形分布荷載2點部分引起的沉降量計算結(jié)果見表4。

z=13.3 m至14.3 m，土層計算沉降量

表4 三角形分布荷載2點部分引起的沉降量計算表Tab.4 Settlement calculation table due to triangular distribution load two points

由沉降計算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值E軍s可查表1得ψs系數(shù)

由式（3）可得：

查《設(shè)計規(guī)定》中表8.4.3，p0k=89.436 kPa<0.75fak=0.75×140 kPa=105 kPa，

則采用內(nèi)插法計算得到沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs=0.7077。

則由式（2）可得，三角形分布2點的荷載引起的最終沉降量為：

s=ψsψs∑Δ=0.7077×68.893 mm=48.76 mm。

同理，三角形分布荷載1點部分引起的沉降量計算結(jié)果見表5。

表5 三角形分布荷載1點部分引起的沉降量計算表Tab.5 Settlement calculation table due to triangular distribution load one point

z=19.3 m ～20.3 m，土層計算沉降量

用內(nèi)插法計算得沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs=0.6096。

則由式（2）可得，三角形分布1點的荷載引起的最終沉降量為：

端點2的合計沉降量s2=48.76+33.74=82.5（mm）

端點1的合計沉降量s1=10.49+33.74=44.23（mm）

則由式（1）可得，正常運行荷載工況下基礎(chǔ)的傾斜率為

2.2.2 極端荷載工況

根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50135-2006中附錄C，可知基礎(chǔ)底已有脫開，脫開面積未超過全面積的1/4?；赘郊訅毫槿切畏植紩r，可將荷載換算為作用在整個基礎(chǔ)寬度上的相似大三角形荷載和均布荷載兩部分，分別計算其相應(yīng)的沉降量再進行疊加，得出傾斜率。

根據(jù)e/R的值查表C用內(nèi)插法計算得基底壓力計算系數(shù)τ=1.828，ξ=1.428，由式（9）可得，基底實際受壓寬度ac=τR=1.828×10.6 m=19.376 m，由此可得出基礎(chǔ)底面實際受壓面積As=338.268 m2。

由式（8）可得，邊緣處最大基底壓力：

由式（11）可得，均布荷載部分沉降量計算的基底附加壓力：

p0k=pkmax2－pkmax=192.763－176.183=16.580 kPa

由式（12）可得，三角形荷載部分沉降量計算的基底附加壓力：

p0k=pkmax2=192.763 kPa

均布荷載部分的沉降量計算方法同正常工況下均布荷載的計算方法一致，結(jié)果如下：

均布荷載引起的最終的沉降量為：

s=ψss′=ψs∑Δs′i=0.7056×32.327=22.81 mm。

三角形分布荷載2點部分引起的沉降量計算方法同正常工況，結(jié)果如下：

三角形分布2點的荷載引起的最終沉降量為：

s=ψss′=ψs∑Δs′i=1.0077×148.486=149.63 mm。

同理，三角形分布荷載1點部分引起的沉降量計算結(jié)果為：

s=ψss′=ψs∑Δs′i=0.8192×37.098=30.39 mm。

綜上可得，端點2的合計沉降量s2=149.63-22.81=126.82 mm

端點1的合計沉降量s1=30.39-22.81=7.58 mm

由式（1）可得，極端荷載工況下基礎(chǔ)的傾斜率：

說明設(shè)置的基礎(chǔ)底板半徑偏小，需要調(diào)整，經(jīng)試算當(dāng)基礎(chǔ)半徑設(shè)計為11.3 m時，極端荷載工況下的傾斜率滿足規(guī)范的要求，詳細(xì)計算過程略。

3 結(jié)語

綜上所述，該工程實例中，當(dāng)風(fēng)力機在正常運行荷載作用下，基礎(chǔ)底面未脫開，基礎(chǔ)傾斜率為0.002，小于規(guī)范值0.005，滿足規(guī)范要求；當(dāng)風(fēng)力機在極端荷載作用下，基礎(chǔ)底面部分脫開，基礎(chǔ)傾斜率為0.0056，大于規(guī)范值0.005，不滿足規(guī)范要求，需要調(diào)大基礎(chǔ)底板的半徑。從本文提供的偏心受壓風(fēng)力機基礎(chǔ)傾斜計算方法來看，計算過程符合國家現(xiàn)行規(guī)范，計算原理簡單，實用性較強，通過本文希望能為廣大風(fēng)電場風(fēng)力機基礎(chǔ)設(shè)計人員在計算基礎(chǔ)變形方面提供有益幫助。

[1] 水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.FD003-2007風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）[S].北京：中國水利水電出版社，2008.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB5007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.