某風電場基樁設計探討

沈懿潔

1 工程概述

上海某風電場,采用國產某型號風機,單機容量2.0 MW,輪轂高度80 m。場址地勢平坦,處于河口、沙嘴、沙島地貌與潮坪地貌兩種地貌類型的交匯過度地段。地質勘察資料表明,該地段土層的埋深、厚度與土性較為穩定。

由于風力電機塔架高,基礎面積小,加之受風力影響,為防止塔身傾斜,因此對基礎要求深入土層以保證其穩定可靠,天然地基不能提供相應的抗拔、抗傾覆等力,需采用樁基礎。從揭露的土層來看,地基土主要由②3a層砂質粉土、②3b層砂質粉土,④層淤泥質黏土,⑤1層粉質黏土,⑥層黏土,⑦1a層砂質粉土、⑦1b層粉砂及⑦2層粉砂組成。②3a層砂質粉土與②3b層砂質粉土,稍密～中密,中等壓縮性,土質尚可,但埋深淺,不能作為本工程風機塔基的樁端持力層,但對本工程樁基有利。④層淤泥質黏土和⑤1層粉質黏土為軟土,軟塑～流塑狀,高壓縮性,承載力低,土性差,埋深淺,不能作為本工程的樁端持力層。⑥層黏土,性狀較好,中等壓縮性,可塑～硬塑,但厚度較小,埋深淺,不能滿足抗拔、抗傾覆等要求,不能作為本工程的樁端持力層。⑦1a層砂質粉土、⑦1b層粉砂與⑦2層粉砂性狀好,中等～低壓縮性,中密～密實,埋深與厚度合適,均可作為本工程的樁端持力層。⑦1a層砂質粉土與⑦1b層粉砂可優先考慮作為本工程的樁端持力層。

2 樁頂作用效應計算

2.1 按現行國家標準規定計算

根據FD003-2007風電機組地基基礎設計規定7.2.2條規定,荷載效應采用標準組合,廠家提供的荷載標準值應修正為荷載修正標準值,荷載修正安全系數取為1.35。基礎結構安全等級為一級,結構重要性系數為1.1。

初步確定風機基礎形式和尺寸為:樁基承臺分為上下兩部分,上部為圓臺體,下部為圓柱體。根據風機塔架荷載特點,在承臺底部分別沿半徑R1=8.0 m和R2=3.0 m的兩圈圓周均勻布置16根和4根直徑0.8 m的鉆孔灌注樁,共 20根。

根據GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范、FD003-2007風電機組地基基礎設計規定和JGJ 94-2008建筑樁基技術規范的有關規定,計算樁頂作用效應,結果見表1。

表1 極端荷載工況下樁頂作用效應計算結果——修正標準值 kN

2.2 按上海地方標準規定計算

由于本工程位于上海市,故除采用國家現行行業規范進行設計計算外,還應采用上海市工程建設規范DGJ 08-11-1999地基基礎設計規范對樁基礎進行設計計算。

根據FD003-2007風電機組地基基礎設計規定和DGJ 08-11-1999地基基礎設計規范6.2.1條的規定,計算時所用到的荷載設計值=荷載分項系數×荷載修正安全系數×廠家提供的荷載標準值。計算結果見表2。

表2 極端荷載工況下樁頂作用效應計算結果——修正設計值 kN

2.3 結果分析

上述計算結果的差異,是由于相應規范中設計表達式的不一致引起的。設計表達式包括現行國家標準GB 50153工程結構設計可靠性統一標準、各行業結構設計統一標準、國家各工程領域的設計標準與行業規范以及各地的地基基礎地方規范在內的各類規范,情況各不相同(見表3)。

表3 地基承載力計算設計表達形式對比

正是由于表3所表示的差別,使得計算結果有較大的差別,在無法確定何種規范起控制作用時,應在設計工作中同時予以考慮。

3 試樁力計算與分析

按國家標準計算,單樁極限抗壓承載力標準值為2 392×2.0=4 784 kN,試樁下壓力應不低于4 784 kN;單樁極限抗拔承載力標準值為702×2.0=1 404 kN,試樁上拔力應不低于1 404 kN。

按上海規范計算,單樁極限抗壓承載力標準值為3 601×1.6=5 762 kN,試樁下壓力應不低于5 762 kN;單樁極限抗拔承載力標準值為1511×1.6=2 418kN,試樁上拔力應不低于2 418kN。

按照國家標準計算的試樁下壓力為按上海規范計算的83.0%,而上拔力卻只有58.1%。為什么上拔力計算結果如此懸殊,原因在于風電工程荷載的特殊性。

表4是風電機組制造商提供的一組極端工況荷載標準值。表4中的扭矩、水平力及水平彎矩均為活載,恒載只有豎向力。

對比JGJ 94-2008建筑樁基技術規范公式5.1.1-2和上海工程建設規范DGJ 08-11-1999地基基礎設計規范公式6.2.1-3,可知結果差異在于后者存在荷載分項系數及結構重要性系數。按照FD003-2007風電機組地基基礎設計規定的規定,活荷載分項系數=1.5(極端和正常運行荷載工況的水平合力、水平合彎矩、扭矩。結構重要性系數取1.1),恒荷載分項系數=1.0(極端和正常運行荷載工況的豎向力、承臺和上覆土重。對上拔樁不利,結構重要性系數取1.0),1.2(極端和正常運行荷載工況的豎向力、承臺和上覆土重。對下壓樁不利,結構重要性系數取1.1)。

表4 廠家提供的荷載標準值(x方向為豎向)

JGJ 94-2008建筑樁基技術規范中計算單樁豎向極限承載力標準值的安全系數K=2.0,而DGJ 08-11-1999地基基礎設計規范中相應的參數單樁豎向承載力分項系數 γR=1.6。一般工程中,總荷載中恒載占較大比例。因此按照恒載分項系數1.2和活載分項系數 1.4～1.5來加權平均,約等于1.25～1.30,正好與K/γR=1.25接近,使得一般工程使用兩種規范的計算結果不會有太大的偏差。但是對于風電工程,由于風力等活載引起的荷載對單樁豎向受力計算結果的比重較大,使得加權平均后的荷載分項系數接近于1.50,并且承載能力基本狀態下的基本組合需要考慮結構重要性系數,使得使用兩種規范的計算結果偏差過大。

4 結論和建議

1)由于風電工程荷載的特殊性,分別按照國家標準和上海地方標準計算得到的單樁豎向受力及試樁力偏差較大,主要原因是活載占總荷載中的比重過大。2)在無法確定何種規范起控制作用時,應在設計工作中同時予以考慮。

[1] JGJ 94-2008,建筑樁基技術規范[S].

[2] FD003-2007,風電機組地基基礎設計規定(試行)[S].

[3] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].

[4] DGJ 08-11-1999,地基基礎設計規范[S].

[5] 王振科.樁的抗拔穩定性分析與研究[J].山西建筑,2008,34(2):110-111.