宋英龍 谷澤雨 高 禮 李衛(wèi)超，* 朱碧堂 楊 敏

（1.中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司，長沙 410007；2.同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；3.上海同濟啟明星科技發(fā)展有限公司，上海 200092；4.江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心，南昌 330013）

0 引言

近年來，作為一種清潔、可再生能源，風(fēng)能得到了快速且大規(guī)模的開發(fā)，其主要利用形式為通過風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。我國對風(fēng)能的開發(fā)起步稍晚，但增長速度與規(guī)模遠超其他國家或地區(qū)，如2017年廣東省發(fā)展改革委發(fā)布的《廣東省海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃（2017—2030年）》（修編）中提出［1］，至2030年廣東省實現(xiàn)裝機容量66.85 GW；而截至2016年，全球建成海上風(fēng)電裝機容量為14.38 GW，僅為我國廣東省規(guī)劃容量的21.5%。

作為高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)通常采用樁基礎(chǔ)，具有結(jié)構(gòu)柔、高度大等特征，如當前風(fēng)機塔筒高度達150 m，塔筒通常為直徑不超過10 m的空心圓錐形鋼桶，塔筒頂部安裝的風(fēng)機葉片掃略面積約3.8萬m2［2］。風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)在正常使用過程中主要受風(fēng)導(dǎo)致的水平向荷載［3-4］，由于風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)高度高、迎風(fēng)面積大，因此在基礎(chǔ)頂部產(chǎn)生較大的水平向剪力和傾覆彎矩。此外，由地震、爆炸、機器振動等導(dǎo)致的地基液化是風(fēng)機及支撐結(jié)構(gòu)安全運行的另一個不利因素［5］。地基液化是指飽和砂土或粉土在動荷載條件下出現(xiàn)強度驟減、表現(xiàn)出流態(tài)物質(zhì)的現(xiàn)象，如地震荷載導(dǎo)致的一定條件下地基抗剪強度降低至零或噴砂冒水或側(cè)擴流滑等。地基液化導(dǎo)致地基抗剪強度降低或地基失穩(wěn)引起構(gòu)筑物基礎(chǔ)變形過大、產(chǎn)生塑性破壞，進而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的破壞或垮塌［6］，如日本神戶地震中神戶Higashi橋梁樁基與承臺連接部位由于過大剪切而導(dǎo)致的破壞，又如我國唐山地震后跨越薊運河的鐵路橋梁變形過大，梁上軌道彎曲而影響正常使用。

盡管當前已在地震對地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)影響［7-11］及減隔震方面［12-13］開展了大量的研究，并取得了較好的成果；然而，針對地震等動力荷載作用下風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)的研究主要集中在支撐結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)方面，鮮有地震等導(dǎo)致的地基液化對風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面的研究。此外，在許多工程中采用處理與加固可液化地基以減小甚至消除地基液化的地基處理技術(shù)［14］，然而針對風(fēng)機基礎(chǔ)開展的可液化地基處理效果方面的研究相對較少。

基于此，本文將結(jié)合某風(fēng)電場實際工程建設(shè)，采用同濟啟明星自主開發(fā)的風(fēng)電基礎(chǔ)分析與設(shè)計軟件FDOW［15-16］，重點研究地基液化對風(fēng)機塔架采用的樁筏基礎(chǔ)響應(yīng)的影響特征，以供實際工程參考。

1 工程概況

某陸上風(fēng)電場位于河南濮陽，規(guī)劃總?cè)萘?00 MW，擬采用200臺2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機組。風(fēng)機輪轂高度約130 m，葉輪直徑約132 m。根據(jù)地勘報告，風(fēng)電場區(qū)屬于中等強度地震區(qū)，地層主要為河流沖積的稍密-密實粉土、軟塑-硬塑的粉質(zhì)黏土及稍密-密實的粉細砂。場地地下水位常年在地面下0.0～5.6 m，其中飽和粉土、松散砂土層在動荷載作用下，可能會發(fā)生液化從而導(dǎo)致地基失穩(wěn)或基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形過大，影響風(fēng)機的正常運行甚至危及結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)經(jīng)濟性與安全性綜合評估，并通過方案比選，該工程風(fēng)機擬采用低樁承臺群樁基礎(chǔ)，并擬采用地基處理方案消除淺層地基液化。下面針對該風(fēng)場中的典型機位處基礎(chǔ)設(shè)計進行分析與討論。

1.1 工程地質(zhì)與水文條件

該機位處地表標高變化小，地下水位穩(wěn)定在地面下1.7 m。地下水主要靠大氣降雨、地表徑流、人工灌溉等方式補給，以蒸發(fā)、人工開采等方式排泄，年變幅約±1.5 m。機位處土層分布可見圖1，其物理力學(xué)性質(zhì)指標主要通過鉆孔取樣并開展室內(nèi)土工試驗得到，主要設(shè)計參數(shù)推薦值如表1所示。此外，還開展了標準貫入試驗，經(jīng)桿長修正后土層的標準貫入錘擊數(shù)也繪制在圖1中。

表1 各土層參數(shù)設(shè)計推薦值Table 1 Recommended values of design parameters for each soil layer

圖1 土層、標準貫入錘擊數(shù)、錘擊臨界值與液化指數(shù)隨深度的分布Fig.1 Soil layers，measured and critical values of blow counts during standard penetration tests and liquefaction index versus depth

1.2 地基液化等級判別

目前常用的地基液化等級判定方法主要有兩類：第一類是Seed法［7］，以及在此基礎(chǔ)上演變而來的簡化法［9］，其實質(zhì)是通過判定砂土中由振動作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力與產(chǎn)生液化所需的剪應(yīng)力進行比較，來判定土體產(chǎn)生液化的可能；第二類是基于標準貫入試驗的液化判定方法，包括我國規(guī)范《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）［17］（以下簡稱《抗震規(guī)范》）在內(nèi)的多部規(guī)范均采用此類判定方法，該類方法分初判和復(fù)判對場地進行判定。初判主要考慮土體類型、地區(qū)設(shè)防烈度、建筑等級等因素。當初判認為場地需要進一步液化判斷時，應(yīng)該結(jié)合標準貫入試驗結(jié)果對場地地面下一定深度范圍內(nèi)的液化情況進行判別。

在研究場地20 m深度范圍內(nèi)地基土主要分布有軟弱-中軟土，覆蓋層厚度大于50 m。根據(jù)《抗震規(guī)范》第4.1.6條規(guī)定，場地類別為Ⅲ類。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）［18］，該機位處地震動峰值加速度0.172 5g，特征周期0.55 s，地震烈度7度，設(shè)計地震分組第二組。

根據(jù)《抗震規(guī)范》的公式（4.3-4），即式（1），計算得到各深度處標準貫入錘擊數(shù)的臨界值Ncr。

式中：N0為地基液化判別時標準貫入錘擊數(shù)的基準值；β為調(diào)整系數(shù)；ds為標準貫入試驗點所在的深度；dw為地下水位埋深；ρc為黏粒含量百分率，當小于3或為砂土?xí)r，取3。

根據(jù)《抗震規(guī)范》的公式（4.3.5）及表4.3.5對該場地的地基液化等級進行評估，液化指數(shù)IlE值通過公式（2）計算得到：

式中：n為在判定深度內(nèi)每個鉆孔標準貫入試驗點的總數(shù)；Ni和Ncri分別為第i點標準貫入錘擊數(shù)的實測值和臨界值；di為第i點代表的土層厚度；Wi為i點土層考慮單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值。

通過以上方法計算得到場地每個標準貫入試驗點的分層液化指數(shù)如圖1所示，最終按照式（2）得到場地液化指數(shù)IlE的值為49.4，遠大于18，故該場地被判定為嚴重液化場地。

1.3 風(fēng)機基礎(chǔ)概況

該風(fēng)機基礎(chǔ)采用低樁承臺群樁基礎(chǔ)，由38根預(yù)應(yīng)力錨栓式圓形擴展承臺鉆孔灌注樁（后注漿）組成，承臺和樁幾何尺寸及布置方式如圖2所示。其中，樁徑0.6 m，樁長為33.5 m，扣除上部20 m的液化層，樁在非液化層的插入深度為17 m，完全滿足《抗震規(guī)范》中樁端伸入液化深度以下穩(wěn)定土層長度的要求。

圖2 樁筏基礎(chǔ)尺寸Fig.2 Dimensions of piled-raft

為減小地基液化引起的安全隱患，基礎(chǔ)周圍地基采用振沖碎石樁法進行地基處理。振沖碎石樁是通過對軟弱地基進行置換及擠密形成復(fù)合地基，可以提高地基變形模量和承載力，改善地基不均一性，減少不均勻沉降，同時軟弱地層經(jīng)過激振后，碎石樁加速孔隙水壓力的消散，從而防止地基液化的產(chǎn)生。

在本案例中，振沖碎石樁法的處理范圍為風(fēng)機基礎(chǔ)承臺外沿向外外延10 m范圍，消除液化土層的厚度為5 m，碎石樁直徑0.9 m，樁間距2.0 m（圖3），等邊三角形布置，碎石樁置換率ρ為11.8%。

圖3 振沖碎石樁處理范圍Fig.3 Soil volume treated with vibro-replacement stone column

2 計算模型與工況

2.1 計算模型

采用同濟啟明星公司自主研發(fā)的風(fēng)電基礎(chǔ)分析與設(shè)計軟件FDOW［16］進行模型計算。針對風(fēng)電機組基礎(chǔ)工程設(shè)計工作的關(guān)聯(lián)領(lǐng)域多、設(shè)計計算量大、設(shè)計周期長的特點，該軟件采用模塊化、可視化設(shè)計，將各種不同的設(shè)計內(nèi)容進行歸類集成，能夠滿足風(fēng)電基礎(chǔ)工程設(shè)計的各項復(fù)雜要求。目前FDOW的基礎(chǔ)模塊包括單樁基礎(chǔ)、多腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)以及低樁承臺基礎(chǔ)，能夠滿足本次設(shè)計計算的要求。有關(guān)FDOW軟件的計算原理與建模過程已在文獻［16］中詳細介紹，其中在地基基礎(chǔ)相互作用分析模塊，F(xiàn)DOW將樁土作用通過梁-彈簧體系模擬，即國內(nèi)外規(guī)范中推薦的t-z和p-y曲線模型［19］；靜力分析通過迭代法求解節(jié)點位移、模態(tài)分析采用里茲向量疊加法求解、結(jié)構(gòu)動力分析采用振型疊加法求解。

在各工況的建模與計算中，地基處理前土體物理力學(xué)參數(shù)推薦值見表1，而可液化地基經(jīng)過地基處理與加固后的地基土參數(shù)見表2，相關(guān)參數(shù)取值的說明如下：

（1）地基液化影響折減系數(shù)

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）［20］第5.3.12條規(guī)定，地基處理前，考慮地基液化的影響折減系數(shù)值為0；地基處理后，承臺底面上下非液化土層厚度大于規(guī)定值，根據(jù)《抗震規(guī)范》第4.3.3條，可依據(jù)圖1計算得到的實際標貫擊數(shù)與臨界標貫擊數(shù)之比λN=N/Ncr，以及土層深度，確定液化地基處理后液化折減系數(shù)值。

（2）m值

地基m值根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.7.5條確定。由于風(fēng)機長期受到風(fēng)浪等導(dǎo)致的水平往復(fù)荷載作用，地基反力比例系數(shù)m值已折減為表5.7.5中規(guī)范推薦值的40%；同時對于淺部粉土和粉質(zhì)黏土，m值通過表5.7.5中推薦范圍線性內(nèi)插得到。

（3）地基處理后土層強度參數(shù)取值

根據(jù)圖1，淺部粉土沉樁前標準貫入擊數(shù)Np為3～5，取置換率ρ值為11.8%，根據(jù)《抗震規(guī)范》條文4.4.3，及公式（3）可得沉樁后標準貫入錘擊數(shù)N1的值：

計算得到擠密樁地基處理后的標準貫入擊數(shù)為10～14。地基處理后的標準貫入錘擊數(shù)大于圖1所示液化臨界貫入擊數(shù)，且該貫入擊數(shù)與④號中密粉土層的標貫擊數(shù)（9～14，平均擊數(shù)11）接近。因此，對于液化地基處理后的土體可采用與④號中密粉土相同的強度參數(shù)，即黏聚力c=15 kPa和內(nèi)摩擦角f=21.8°。

綜上，液化土層范圍內(nèi)各層土體力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 液化土層范圍內(nèi)土體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical properties of soils within the liquefied soil layers

2.2 設(shè)計工況

表3給出了在風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計中需要復(fù)核的工況，其中所列荷載為風(fēng)機與塔筒傳遞到塔筒底部的荷載。對于風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計，豎向荷載Fz需包含承臺和回填土的重量。根據(jù)《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定》［21］，考慮到場地為液化場地，多遇地震工況可作為基礎(chǔ)變形的控制荷載工況，而極端荷載工況為基礎(chǔ)承載力控制工況。針對基礎(chǔ)容許變形，水平向變形容許值為10 mm［20］，文獻［21］給出了沉降容許值為10～30 cm，容許傾斜為3‰～6‰，其中風(fēng)機輪轂高度越高，容許值越小，地基土的壓縮性越高，沉降容許值越大。

表3 風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計工況Table 3 Cases for foundation design of wind turbine

2.3 計算工況

為研究地基液化對風(fēng)機基礎(chǔ)的影響規(guī)律，按照地基液化處理前、后兩種情況分別進行計算分析。地基液化工況考慮地面下20 m范圍內(nèi)粉土層發(fā)生液化；振沖碎石樁處理地面下5 m范圍內(nèi)可液化土層，以消除該范圍內(nèi)地層的液化。

結(jié)合表3列出的設(shè)計工況，針對如下6個工況進行計算分析：工況一，無地基處理+正常運行工況；工況二，無地基處理+多遇地震工況；工況三，無地基處理+極端運行工況；工況四，地基處理+正常運行工況；工況五，地基處理+多遇地震工況；工況六，地基處理+極端運行工況。

3 計算結(jié)果分析與討論

3.1 地基液化對基礎(chǔ)水平向變形的影響

由于多遇地震工況為基礎(chǔ)變形的控制荷載工況，下面對工況一、二、四、五計算結(jié)果進行對比分析。通過FDOW軟件對各工況進行計算，得到各工況對應(yīng)的基礎(chǔ)水平向變形結(jié)果，如表4所示，其中圖4和圖5分別給出了多遇地震工況下（工況二和五）風(fēng)機基礎(chǔ)水平向變形云圖。

圖4 工況二對應(yīng)的基礎(chǔ)水平變形Fig.4 Lateral displacement of the foundation in case 2

圖5 工況五對應(yīng)的基礎(chǔ)水平變形Fig.5 Lateral displacement of the foundation in case 5

表4 各工況對應(yīng)的基礎(chǔ)最大水平位移Table 4 Maximum lateral displacement of foundation subjected to each load case

可見考慮表層20 m土體液化的情況下，正常運行（工況一）和多遇地震（工況二）下基礎(chǔ)最大水平向變形分別為10.39 mm和11.96 mm，按照容許水平位移10 mm的要求，兩種工況不能滿足設(shè)計要求。在對可液化地基進行處理與加固后，基礎(chǔ)最大水平向變形在正常運行（工況四）和多遇地震（工況五）工況下減小到了0.5 mm左右，僅為地基處理與加固前水平變形的4.6%（工況一）和4.3%（工況二），表明土體液化對基礎(chǔ)水平向變形影響十分顯著。這是由于控制基礎(chǔ)水平向變形的主要因素是表層土體提供的水平向抗力，土體液化導(dǎo)致土體水平向抗力急劇降低，由此造成了基礎(chǔ)水平向變形的急劇增加。因此對于可液化場地，進行地基處理與加固是十分必要的。

此外，從表4中可以看出，多遇地震工況（工況二）比正常運行工況（工況一）對應(yīng)的水平位移增量為1.57 mm，增率為15.1%，表明地震荷載對基礎(chǔ)水平位移影響較明顯，多遇地震工況確為基礎(chǔ)變形的控制荷載工況。

3.2 地基液化對基礎(chǔ)豎向變形的影響

表5給出了工況一、二、四和五對應(yīng)的基礎(chǔ)沉降和傾斜計算結(jié)果，其中圖6和圖7分別給出了多遇地震工況下風(fēng)機基礎(chǔ)豎向沉降計算結(jié)果。通過這些計算結(jié)果可以看出，考慮表層20 m深度范圍內(nèi)地基液化的情況下，正常運行（工況一）和多遇地震（工況二）工況對應(yīng)的基礎(chǔ)最大沉降分別為8.40 mm和9.21 mm；進行地基處理與加固后（工況四和五），場地液化消除，基礎(chǔ)最大沉降為8.14 mm和8.87 mm，僅減少了3.1%和8.2%，表明場地淺層地基液化對基礎(chǔ)沉降影響小，可忽略不計；基礎(chǔ)的最大傾斜也表現(xiàn)出類似的特征，且地基是否液化工況對應(yīng)的傾斜度均小于3‰，均滿足規(guī)范的要求。

表5 各工況對應(yīng)的承臺最大沉降與傾斜Table 5 Maximum settlement and inclination of foundation subjected to each load case

圖6 工況二對應(yīng)的基礎(chǔ)沉降Fig.6 Settlement of the foundation in case 2

圖7 工況五對應(yīng)的基礎(chǔ)沉降Fig.7 Settlement of the foundation in case 5

此外，多遇地震工況（工況二）比正常運行工況（工況一）對應(yīng)的沉降增量為0.81 mm，增率為9.6%；傾斜度增量為0.09‰，增率為15.8%，表明多遇地震對基礎(chǔ)沉降和傾斜有一定的不利影響，應(yīng)將多遇地震工況作為基礎(chǔ)變形的控制荷載工況。

3.3 地基液化對基礎(chǔ)承載力的影響

針對地基液化對基礎(chǔ)承載力的影響，表6給出了極端運行工況（工況三和六）對應(yīng)的基礎(chǔ)水平承載力計算結(jié)果。由表6可知，地基處理與加固對基礎(chǔ)水平向承載力的提升有很大幫助，即基礎(chǔ)水平向承載力特征值由未處理與加固工況三對應(yīng)的3 kN提升為處理與加固后（工況六）的217 kN?？梢?，對可液化地基的處理與加固對提高基礎(chǔ)水平承載力和風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)安全性是十分有必要的。

表6 各工況對應(yīng)的基礎(chǔ)承載力Table 6 Lateral capacity of foundation subjected to each load case

4 結(jié)論

結(jié)合某風(fēng)電場的實際工程建設(shè)，首先對場地的地基液化等級進行評估，然后分別針對地基液化和地基處理與加固后消除液化兩種情況，采用同濟啟明星FDOW軟件開展樁筏基礎(chǔ)的變形與承載特性研究，得到結(jié)論如下：

（1）針對該風(fēng)電場的地基情況，基于我國規(guī)范判定該場地液化等級為嚴重。

（2）風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析中，多遇地震工況對應(yīng)的基礎(chǔ)水平變形、豎向變形、傾斜度均大于正常運行工況，表明地震荷載對基礎(chǔ)變形的影響明顯，因此，將多遇地震工況作為基礎(chǔ)變形的控制荷載工況是合理的。

（3）地基液化對基礎(chǔ)水平變形和水平承載力影響十分顯著，這是由于地基液化導(dǎo)致淺層土體水平抗力驟降，極易引發(fā)樁基水平變形過大或承載力不足情況出現(xiàn)，因此，對于嚴重的液化場地，進行地基處理與加固是十分有必要的。

（4）相比于地基液化對基礎(chǔ)水平向受荷響應(yīng)的影響，地基液化對基礎(chǔ)豎向變形和傾斜度的影響較小。