趙儉斌，王啟 ，張冰 ，劉豐

（1.吉林建筑科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，吉林 長春 130114；2.中國建筑第八工程局有限公司東北分公司，遼寧 大連 116021）

如今，能源問題日益成為當今社會中急需解決的問題。能源已經(jīng)成為我們生活不可缺少的一部分隨著世界人口的急劇增長，傳統(tǒng)能源，如煤碳、天然氣、石油等不可再生能源的消耗速度不斷增加，可利用的不可再生能源總量急劇下降。美國等一些發(fā)達國家投入大量人力物力開始對可再生資源進行研究。在研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)水平下可以利用的水能、風能、太陽能等可再生能源中，風能是利用率最高，可廣泛使用的可再生能源之一。

1 巖石錨桿的理論分析

1.1 風機基礎(chǔ)錨桿的優(yōu)化設(shè)計

風機基礎(chǔ)的選擇應(yīng)根據(jù)場地特點進行確定，重力式擴展基礎(chǔ)因結(jié)構(gòu)簡單，適用性強等因素在前期設(shè)計中被廣泛應(yīng)用，其本身也存在一定的缺陷，為滿足更大容量的風機單機發(fā)電量，基礎(chǔ)尺寸也越來越大，這對于施工的難度造成不小的影響，造價也會明顯升高。

對于陸上風機，其場地主要為巖石層，巖石錨桿作為其基礎(chǔ)形式具有廣泛的適用性，錨桿通過錨固體嵌入巖石土體，與基礎(chǔ)形成整體，對于抗彎性能及承載力有著明顯的提高，從而提升風機基礎(chǔ)巖石錨桿的抗疲勞能力。錨桿筋體端部設(shè)有擴大頭，可嵌于端部擴孔內(nèi)部，在錨固灌漿前即可提供錨固力，適用性強。如圖1 所示。

圖1 端部擴大型巖石錨桿

1.2 錨桿的組成及破壞形式

根據(jù)《巖石錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》，錨桿由錨頭、自由端、錨固段3部分組成，如圖2所示。

圖2 錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

錨桿的破壞形式如圖3 所示，（a）為錨桿鋼筋斷裂破壞。上部荷載較大時，拉力過大，超過錨桿自身極限抗拉強度，但未超過錨固體與巖石孔壁之間的錨固力，錨桿鋼筋出現(xiàn)斷裂，喪失錨固效果。（b）為錨桿與灌注料體出現(xiàn)脫粘，從而拔出。此時拉力沒有超過錨桿本身抗拉強度，失效從錨固頭開始，向底部發(fā)展，具有一定韌性，而非脆性破壞。（c）為錨固體與巖石孔壁脫粘，在漿體表面或薄層靠近巖石孔壁面發(fā)生破壞。（d）為全長粘結(jié)錨固型破壞，在巖石自身強度不夠時發(fā)生，此時灌漿料強度高，錨固深度或強度低，出現(xiàn)該形式的破壞。

圖3 錨桿破壞主要形式

2 試驗結(jié)果分析

2.1 極限承載力的確定

通過現(xiàn)場試驗，繪制端部擴大型巖石錨桿頂端與上拔荷載的相關(guān)曲線關(guān)系，如圖4 所示，根據(jù)下圖可以看出，極限抗拔承載力為1 820 kN，可按規(guī)定取曲線幾乎平行于上拔位移軸時的荷載值。在0～1 100 kN 區(qū)間，荷載與位移的關(guān)系曲線基本成線性關(guān)系，此時巖土體處于彈性階段，在1 100～1 820 kN 區(qū)間，巖土體進入塑性階段，發(fā)生失穩(wěn)破壞，與上述破壞特點相符。

圖4 錨桿頂部荷載與位移關(guān)系曲線

2.2 端部擴大段的影響

選用底部擴大型錨桿，長度5 m，與上述錨桿對比，繪制荷載與位移曲線，如圖5 所示，根據(jù)曲線可知，相同長度下，端部擴大型巖石錨桿極限抗拔承載力遠高于傳統(tǒng)錨桿，在彈性階段就有著明顯的提高。

2.3 風機基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計

風力發(fā)電機單機容量為 2 MW，根據(jù)相關(guān)文獻規(guī)定條件，基礎(chǔ)設(shè)計為一級；風力發(fā)電機地基基礎(chǔ)設(shè)計使用年限為50 年；環(huán)境類別為二類；場地地基土類型為中硬土及軟質(zhì)巖石；抗震設(shè)防烈度為7 度；標準凍土深度為0.6 m。風電機組基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別為二類。

經(jīng)計算傳統(tǒng)擴展式重力基礎(chǔ)設(shè)計風機基礎(chǔ)尺寸圖如圖所示，基礎(chǔ)整體高度H=3.8 m；埋深為3.5 m；基礎(chǔ)邊緣高度為1 m；基礎(chǔ)底板直徑18.4 m；中心臺柱直徑為6.2 m；塔筒直徑為4.25 m，如圖6 所示。

圖6 原型擴底基礎(chǔ)設(shè)計圖

場地根據(jù)條件，滿足巖石錨桿使用情況，經(jīng)過設(shè)計方案優(yōu)化，基礎(chǔ)形式如圖7 所示。基礎(chǔ)埋深為1.7 m，基礎(chǔ)底板直徑為14 m，采用擴底錨固結(jié)構(gòu)，鉆孔孔徑0.15 m?；炷敛捎脧姸鹊燃墳镃40 普通硅酸鹽水泥。鋼構(gòu)件為Q235B，鋼筋為 HPB300一級鋼，HRB400三級鋼。平面圖如圖8 所示，共布置28 根錨桿，分布在半徑6.5 m 的圓環(huán)上。在極限受力狀態(tài)下，巖石錨桿所需提供最小的抗拔力為600 kN，但跟設(shè)計抗拔承載力特征值為850 kN，大于600 kN，滿足設(shè)計要求。

圖7 優(yōu)化設(shè)計圖

圖8 巖石錨桿風機基礎(chǔ)平面圖

通過對方案的優(yōu)化，對比后發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)原型擴展基礎(chǔ)的方案，其主要是通過自身重量以及基礎(chǔ)土體的承載力承擔整個風力發(fā)電機的受力及彎矩，如此造成了巨大的開挖面積及巨大的材料使用量，工期、成本均非常高。優(yōu)化后采用巖石錨桿基礎(chǔ)，將地基、基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)連接為一個整體，利用巖石地基的高承載力優(yōu)勢以及錨桿共同抵御傾覆力矩，明顯減小了基礎(chǔ)尺寸、工程材料消耗以及工期，在山地地區(qū)風電場建設(shè)中有著較大優(yōu)勢。

3 結(jié)語

本文主要研究端部擴大型巖石錨桿基礎(chǔ)的受力形態(tài)和破壞機理，通過試驗驗證了優(yōu)化方案的可行性，比較了端部擴大段的創(chuàng)新給基礎(chǔ)和整個結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)化效果，極大地提高了錨固性能，節(jié)約了材料，保護了環(huán)境。

在山東風電項目建設(shè)中，在試驗研究的基礎(chǔ)上，對原設(shè)計進行了優(yōu)化，每臺風機采用30根膨脹頭錨桿，利用錨桿拉力代替部分自重起到穩(wěn)定作用，使原設(shè)計基礎(chǔ)的直徑由16 m 減小到9 m，每臺風機基礎(chǔ)節(jié)省混凝土200多立方，鋼筋20 t，整個項目節(jié)省直接費用一千多萬元。更重要的是，在節(jié)省建筑材料的同時，減少占地和開挖量，降低運輸費用，實現(xiàn)了節(jié)能減排，節(jié)省了大量投資。產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。