曾王強

（上海寰蔚電力工程有限公司，上海 200002）

0 引言

風機基礎在水平載荷下背風側及迎風側地基壓應力差別明顯，這會產(chǎn)生較大不均勻沉降。高聳結構對不均勻沉降敏感，且如果地基主要受力層內(nèi)有軟弱夾層，對基礎沉降分析更為重要。

1 項目概況及場址地質(zhì)條件

Abay風電項目設計安裝47臺遠景EN3.2-141風力發(fā)電機組。北片區(qū)為密實中砂~粗砂地基，承載力不小于280kPa，變形模量不小于30.0MPa，地質(zhì)結構簡單，設計采用天然地基重力式基礎。南部場區(qū)有6臺機位地基情況復雜，通過現(xiàn)場靜力觸探試驗結果，埋深約-4.2~-10.1m處錐尖阻力出現(xiàn)陡降，換算出的比貫入阻力僅1.4~4.6MPa，此處存在局部軟弱夾層，如表1、表2所示。

表1 南部場區(qū)6臺基礎尺寸參數(shù)

表2 南部場區(qū)6臺機位代表性地質(zhì)參數(shù)

2 基礎結構計算

2.1 荷載工況與分項系數(shù)取值

本項目基本地震加速度0.05g，符合國內(nèi)設計標準6度區(qū)的定義，其多遇地震工況和罕遇地震工況均不會其控制作用，而應重點關注正常運行工況及極端荷載工況下的基底應力、脫開比控制、滑移及傾覆、配筋及裂縫計算等。

除預制樁復合地基，基礎本身為常規(guī)重力式基礎。重力式基礎原理為依靠基礎及其上拔角范圍內(nèi)土體的自重以抵抗基礎水平力及彎矩，因此對于地下水，因其會產(chǎn)生浮力，在設計過程中因注意考慮其不利影響，地下水位以下混凝土及土體均應采用浮重度。

根據(jù)規(guī)范，基礎及土體自重荷載分項系數(shù)取1.2（不利）/1.0（有利），風荷載等活荷載取1.5（不利）/0（有利），另外尚需考慮結構荷載計算模型不確定性帶來的安全修正系數(shù)k0=1.35，如表3所示。

表3 風機基礎設計荷載

2.2 抗扭轉滑移及抗傾覆驗算

2.2.1 抗扭轉滑移驗算

風機運行主要承受水平荷載。大風天氣、風機偏航會造成扭轉彎矩MTS，風機基礎有扭轉進而滑移的趨勢，而基礎對地基巨大的壓力產(chǎn)生一個靜摩擦力，若靜摩擦力產(chǎn)生的扭矩MTR大于扭轉彎矩MTS的1.3倍，則滑移驗算通過。

式中：G-基礎及上拔角范圍內(nèi)填土的重度；μ-混凝土基礎和地基的摩擦系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取為0.2。

2.2.2抗傾覆驗算

基礎抗傾覆驗算主要考慮基礎、填土和塔架結構重力之和產(chǎn)生的抗傾覆彎矩MR，與水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩MS之比，若其比值大于1.6則抗傾覆驗算通過。

根據(jù)計算，風機基礎抗扭轉滑移及抗傾覆計算均滿足要求。

2.3 配筋計算與抗沖切驗算

2.3.1 基礎底板徑環(huán)向配筋計算

風機基礎底座為一變截面懸挑板，受力明確。取懸挑板根部單位寬度矩形截面下部徑向受力鋼筋的計算為例，來論述其計算方法。

懸挑板根部截面高度h=2.8m，板底保護層厚度c=0.08m，截面有效高度h0=h-c-0.015=2.705m，根據(jù)有限元分析，底部彎矩為M=4371.909kN·m，按單筋截面梁計算，混凝土相對受壓區(qū)高度：

由《混凝土結構設計規(guī)范》得：

實配鋼筋6187.5mm2（28+32@4.09°），滿足最小配筋要求：0.15%bh=4200.0mm2。

2.3.2 抗沖切驗算

基礎承受上部結構傳來的彎矩，在基礎底板產(chǎn)生基底反力。此時會在底板與臺柱交界處（懸挑板根部）產(chǎn)生沖切作用，因此需對基礎底板抗沖切承載力進行驗算。

由2.3.1可知，沖切錐形截面有效高度h0=2.705m，基礎抗沖切承載力：

式中：βh-受沖切承載力截面高度影響系數(shù)，當h0≤800mm時，取1.0，當h0≥2000mm時取0.9，中間線性插值，此處h0=2.705m，因此βh=0.9。

bt為沖切破壞錐體斜截面的上邊圓周長：

bb為沖切破壞錐體斜截面的下邊圓周長：

沖切椎以外的荷載：

式中：p-根據(jù)規(guī)范公式得到的極端荷載工況下基底平均反力。

驗算：

γ0Fl=1.1×18900=20790kN≤Fb=84225.118kN，抗沖切承載力滿足要求。

2.4 錨栓灌漿層局部受壓承載力計算

當前風機塔筒與基礎普遍采用預應力錨栓進行連接。上部結構荷載通過荷載分散板（上、下錨板）傳遞到基礎主體混凝土上，局部壓應力很大且上部結構調(diào)平，通過高強度灌漿層進行過渡，因此需要對混凝土局部受壓承載力進行驗算，這主要包括上錨板與灌漿層之間、灌漿層與基礎頂部混凝土之間、預埋下錨板與內(nèi)部混凝土之間的局部受壓承載力驗算。以上錨板與灌漿層之間局部受壓承載力驗算為例，來論述其計算方法。

背風側灌漿層所受壓力最大，考慮單位區(qū)隔內(nèi)錨栓預拉力、及對應錨板和墊片剛度分配到的塔筒壓力，換算得到的局部最大壓力為：

局部受壓凈面積：

灌漿層局部壓應力：

灌漿料標號C90，其強度設計值：

驗算之：

3 預制樁復合地基設計

本項目6臺風機基礎涉及局部軟弱夾層，基礎在偏心荷載作用下，局部沉降會超出限值（4‰）?？紤]到軟弱夾層較厚（＞3m），采用換填處理經(jīng)濟性不合理且回填土質(zhì)量難以控制，若采用樁基礎，則由于下臥層較硬，易成樁困難，且有效樁長較短，基樁抗拔承載力難以滿足要求。通過在軟弱夾層中打入一定數(shù)量的預制短樁，使樁-土共同承擔基礎壓力，增大地基承載力與變形模量，保證地基變形處于允許的范圍內(nèi)。

根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)程（JGJ79—2012）》9.3.2及7.1.5、7.1.6，考慮采用300×300實心方樁（樁長6m）對地基進行加固。根據(jù)CPT實驗報告，基礎底部一定范圍內(nèi)軟弱土承載力fsk=160kPa，計算得到的預制樁單樁豎向承載力Ra=461.5kN，預制樁單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ=0.7。

基底正方形布樁，預制方樁等效成圓樁，樁徑為：

布樁時樁間距控制為：s=5d=1.70m

面積置換率為：

由此，計算可得復核地基承載力為：

基礎在極端工況下，基底最大偏心壓力為238kPa，承載力滿足設計要求。

根據(jù)規(guī)范7.1.8，地基處理后的變形模量增大系數(shù)可?。?/p>

為保證樁土協(xié)同作用，預制樁頂面與基礎底面之間需設置一定厚度的褥墊層，以保證基底壓力能通過樁間土和基樁的剛度分散。褥墊層可采用中砂、粗砂、級配碎石等，厚度為300mm。

重新計算基礎不均勻沉降，采用巖土專業(yè)有限元軟件PLAXIS3D來計算基礎在極端荷載作用下的地基不均勻沉降，并比較采用預制樁與不采用預制樁時基礎沉降的差別。

4 有限元計算分析基礎沉降

沉樁時表層土較硬需采取引孔處理，采用PLAXIS3D軟件中Embedded-Pile各土層采用摩爾庫倫本構，并考慮地下水位為-4m，相應巖土力學參數(shù)詳見表2。

開挖基坑后施工預制樁→平鋪褥墊層→施工墊層及基礎本體→回填壓實→風機運行承受荷載

在施工完基礎本體、風機吊裝但未運行的狀態(tài)下，因無偏心荷載作用，基礎沉降未出現(xiàn)不均勻沉降，最大沉降量為27.13mm。

在風機運行加載后，極端工況下地基出現(xiàn)不均勻沉降，未采用預制樁加固時，背風側最大沉降量83.47mm，迎風側基礎發(fā)生脫開，豎直向上位移為22.07mm?；A傾斜率：

采用預制樁進行加固后，背風側最大沉降量70.75mm，迎風側基礎發(fā)生脫開，豎直向上位移為11.79mm。基礎傾斜率：

計算中采用的摩爾庫倫本構并不能考慮地基土在受荷后的硬化效應，因此計算得到的傾斜率會比實際結果偏大。但仍能發(fā)現(xiàn)，采用預制樁加固后基礎傾斜得到了有效控制，同時地基承載力也能滿足基底最大壓應力的要求。

5 結論

目前，新能源發(fā)展趨勢下遇到復雜地質(zhì)地貌的情況越來越多，風機基礎作為保證風機正常運行的關鍵結構，其設計穩(wěn)定性至關重要。本文介紹了一個典型的復雜軟弱夾層地基結構設計思路，具有一定的指導意義。