張 燚，趙云川，饒傳友

(1. 中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2. 中國電建四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041)

動彈性模量和泊松比是風電基礎(chǔ)剛度計算的關(guān)鍵參數(shù)，國內(nèi)相關(guān)規(guī)程規(guī)范、手冊并未給予一個較為準確的取值建議；其中《陸上風電場工程風電基礎(chǔ)設計規(guī)范》(NB/T 10311-2019)[1]在地基計算章節(jié)內(nèi)提到了地基動態(tài)剛度驗算，計算的參數(shù)主要為巖土體泊松比和基礎(chǔ)底面土層土壤的動態(tài)壓縮模量，但規(guī)程的正文和條文說明對參數(shù)如何取值并沒有給出一個較為可行的方案；而據(jù)該規(guī)程要求參照《工程地質(zhì)手冊》[2](第五版)在表3-1-25給出了各類土在靜止狀態(tài)下的側(cè)壓力系數(shù)及泊松比取值，在該手冊中提出了動泊松比基于波速測試成果的取值計算公式，而動、靜泊松比的取值及關(guān)系并未明確給出；而在表3-9-4中提出了各類土的靜彈性模量與動彈性模量的取值，比較模量的靜動比，砂類、礫石類土的比值在2～4之間，而黏性土的比值在3～18.75之間，所以規(guī)范[1]提出的可參考手冊[2]取值的無可行性。

DNV《Guidelines for design of the wind turbine》[3]在基礎(chǔ)章節(jié)提出了剪切模量及泊松比的取值；泊松比的取值：密實的砂土0.25～0.30、松散的砂土和堅固的黏性土0.35～0.45、飽和黏性土≈0.50；而剪切模量是先依據(jù)孔隙率、圍壓、超固結(jié)度或不排水強度等求取初始剪切模量，然后基于風電基礎(chǔ)可能在風荷或海洋波浪荷載作用下的應變范圍在10-2，典型在10-3情況下在土動力試驗獲得的經(jīng)驗曲線上選擇折減系數(shù)后，計算出動剪切模量。

國內(nèi)基于巖體泊松比參數(shù)的試驗主要是壓縮試驗和波速測試，而巖體參數(shù)上的差異性不大，而對于土體參數(shù)的試驗，在《土動力學原理》[4]一書中提出了在不同的試驗可能有不同的范圍，其中三軸壓縮、單剪、扭剪的大致應變范圍在10-2，強迫振動試驗在10-4～10-2之間，自由振動試驗在10-3～10-2之間，波速測試≈5×10-4。

而國內(nèi)基于泊松比參數(shù)取值的研究中多是基于飽和土的泊松比研究，比較有代表性文獻有：

文獻[5] 是對飽和土的泊松比及含氣體量對它的影響進行了研究，提出了總泊松比和有效泊松比的概念，同時提出了基于波速測試成果的有效泊松比的計算公式，而在實際驗算中可知該公式計算誤差較大，而總泊松比的結(jié)果與手冊[2]中計算的泊松比基本一致，飽和態(tài)在0.50左右[5]。

文獻[6]對上海軟土的靜止側(cè)壓力系數(shù)的分布和變化規(guī)律的研究，采用理論分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方式，對上海地區(qū)軟土的模擬動力條件下的側(cè)壓力系數(shù)值約為瞬時加荷“不排水”條件下的側(cè)壓力系數(shù)的0.8；鑒于泊松比和側(cè)壓力系數(shù)的相關(guān)性，可推算上海軟土在動力條件下的動泊松比在0.444左右[6]。

文獻[7]對粘性土的側(cè)壓力系數(shù)進行了分析，確定固結(jié)對側(cè)壓力系數(shù)的影響較大，該文提出粘性土的側(cè)壓力系數(shù)在加荷瞬間的側(cè)壓力系數(shù)為1.0(泊松比為0.5)，隨著固結(jié)度的變化側(cè)壓力系數(shù)逐漸變小，最后側(cè)壓力系數(shù)調(diào)整為一個臨界值(有效泊松比)；而該文獻提出砂土的靜止側(cè)壓力系數(shù)變化范圍不大0.4～0.5；從這篇論文可知：泊松比在荷載作用下是一個在有效泊松比與總泊松比之間的一個變化值[7]。

文獻[8]對靜止側(cè)壓力系數(shù)的取值可知可用有效內(nèi)摩擦角、塑性指數(shù)、毛細壓力和孔壓系數(shù)、三軸試驗、扁鏟側(cè)脹試驗、旁壓試驗、原位應力鏟試驗、載荷試驗等獲取[8]。

文獻[9]用簡化方法求算了粘性土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，在總結(jié)了雅基、布魯克爾、山口、波克羅夫斯基對于側(cè)壓力系數(shù)的計算公式的基礎(chǔ)上，通過推導得出靜止側(cè)壓力系數(shù)：

對于非飽和土，黏聚力和內(nèi)摩擦角按固結(jié)不排水剪試驗結(jié)果[9]。

根據(jù)試驗可知，應用《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)[10]可知，土體的泊松比的求取同時受到應力變化而發(fā)生變化的，而在固結(jié)試驗可知，土體的壓縮模量隨著固結(jié)應力的變化也是變化的。

從上述參考文獻可知：巖土體的壓縮模量和泊松比受到動力荷載頻率(排水條件、變形范圍)、圍壓、巖土體自身的特性等影響，因此如何合理選擇這兩個參數(shù)，是風電基礎(chǔ)設計剛度計算的關(guān)鍵。

1 工程概況

越南某風力發(fā)電廠位于越南東南太平樣海岸，位于古氈河與湄公河之間的河口沖積堆積地帶，設計風機塔筒高度為140 m，設計風機基礎(chǔ)采用群樁承臺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋置深度30～50 m不等，要求地質(zhì)專業(yè)提供動態(tài)壓縮模量及靜泊松比；地基土主要分為8層，見表1。

表1 土層描述及波速測試成果

本項目進行了波速測試(見表1)、取樣室內(nèi)土工試驗進行了常規(guī)測試、CU試驗，同時進行了不排水測試等。

根據(jù)DNV《Guidelines for design of the wind turbine》[3]Table8-7彈性樁表格可知樁承臺基礎(chǔ)的水平剛度和旋轉(zhuǎn)剛度主要受到樁的楊氏模量和地基土底層的楊氏模量的影響；而業(yè)主方一直要求提出土層的動態(tài)壓縮模量和靜止泊松比，因此在第3節(jié)中將對各層土的壓縮模量和泊松比進行分析計算并取值。

2 動參數(shù)分析及取值

根據(jù)可行性研究成果可知各土層各項參數(shù)見表2。

表2 土層物理力學測試成果

壓縮模量結(jié)果可能受到取樣擾動的影響，試驗成果可靠性較低，根據(jù)經(jīng)驗推薦各土層的壓縮模量及采用文獻[9]計算的總泊松比和有效泊松比，及用波速測試的動泊松比和動壓縮模量見表3。

表3 土層泊松比計算統(tǒng)計成果

從上述泊松比計算結(jié)果可知，飽和態(tài)的粘性土還是砂土在波速測試(應變在5×10-4)的泊松比接近于0.50，采用直接剪切強度的時候，由于受到排水條件的限制，泊松比比較接近于總泊松比，而采用CU剪試驗，在考慮孔隙水壓力的情況下計算的泊松比應該是更接近于靜止泊松比。

從表4可知：采用波速測試推算的動壓縮模量在低圍壓下300 kPa(15 m深)下，數(shù)值量級和采用文獻[3]的基本一直，但隨著圍壓的增加，量值差異逐漸加大，在圍壓達到1 000 kPa(50 m深)左右，前者竟達后者的5.5倍；主要原因是波速測試受圍壓的影響相對較大，而采用經(jīng)驗公式計算成果較為穩(wěn)定。

表4 土層壓縮模量計算統(tǒng)計成果

因此越南某風力發(fā)電廠，若按照文獻[3]提供計算剛度的土層楊氏模量應該是第⑥土層，建議取值218×0.3≈65 MPa。

泊松比的取值，應該是受到應變速率的影響較大，在現(xiàn)階段，對于飽和土的泊松比的取值的問題僅文獻[6]中側(cè)壓力系數(shù)的基礎(chǔ)上換算出來了一個值，上海飽和粘性土和本工程的土層③的特性基本一致，因此在以有效應力計算的有效泊松比為基礎(chǔ)上，考慮總泊松比，按照這兩個點的中點作為風機基礎(chǔ)的泊松比取值是可行的，而砂類土由于排水條件較好，泊松比建議取值有效泊松比；非飽和土建議取值有效泊松比，見表5。

表5 基礎(chǔ)動剛度計算參數(shù)推薦值

3 風電基礎(chǔ)動參數(shù)選取原則及流程

風電基礎(chǔ)的動參數(shù)的選擇一定要注意動參數(shù)是在一定的動應變(10-2，典型10-3)對應，同時要考慮動荷載作用下導致孔隙水壓力消散對泊松比等參數(shù)的影響。泊松比的取值應在雅基公式的基礎(chǔ)上計算有效泊松比，總泊松比可采用不固結(jié)不排水剪切強度計算，飽和度大于90的粘性土或砂土的總泊松比可取值0.5；砂土的計算泊松比建議取有效泊松比或有效泊松比與總泊松比之間0.25分位值；飽和粘性土建議取有效泊松比和總泊松比的平均值；非飽和土的泊松比建議取有效泊松比。

波速測試推算的動壓縮模量在基礎(chǔ)埋深8 m以內(nèi)，可按照0.3的乘積作為基礎(chǔ)剛度計算的動壓縮模量；在軟弱土層較厚的土層中，由于受到土層重力的影響，深度差異較大；建議按照DNV《Guidelines for design of the wind turbine》內(nèi)相關(guān)公式計算。

從DNV《Guidelines for design of the wind turbine》可知：實際計算參數(shù)的變化誤差在50%以上，考慮試驗取樣等因素的影響，可能誤差達到100%以上，但對于風基選型來說，若地基土不是軟土，一般情況下計算基礎(chǔ)的剛度均滿足相關(guān)要求，尤其是巖石地基或樁基承臺基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

本文通過對越南某風電場動參數(shù)選取分析得出以下幾點結(jié)論：

1)風電基礎(chǔ)的動參數(shù)的選擇一定要注意動參數(shù)是在一定的動應變(10-2，典型10-3)對應，同時要考慮動荷載作用下導致孔隙水壓力消散對泊松比等參數(shù)的影響；

2)波速測試的動壓縮模量在淺部可作為動壓縮模量參數(shù)值，并采用0.3的修正，而在深度不可使用；

3)規(guī)程[1]和手冊[2]上的動參數(shù)沒有應變邊界條件，可參照DNV《Guidelines for design of the wind turbine》確定試驗環(huán)境、應變情況、使用條件等邊界條件。

4)DNV《Guidelines for design of the wind turbine》對于G(和動壓縮模量相關(guān))的參數(shù)計算的誤差較大，考慮取樣、試驗誤差等，實際誤差均較大，若地基土不是軟土，一般情況下計算基礎(chǔ)的剛度均滿足相關(guān)要求，尤其是巖石地基或樁基承臺基礎(chǔ)。

5)本文的相關(guān)分析成果，均是主要參考前人的經(jīng)驗公式和試驗過程中可能的變化，基于泊松比的選擇上欠缺較大，對于基礎(chǔ)剛度的問題，建議在各類覆蓋層地基上的風電基礎(chǔ)多做一些原位監(jiān)測測試，用反分析的方法來解決計算粗燥的問題應該是可行且合適的；在現(xiàn)有的研究和水平下，本文對參數(shù)的分析和取值可作為類似工程動參數(shù)取值的參考。