預應力墩基礎的抗傾覆承載力研究

郭敏，申超

（1. 中國船舶重工集團有限公司第七一三研究所，鄭州 450015；2. 北京中水恒信環境科技發展有限公司，北京 100107）

預應力墩基礎的抗傾覆承載力研究

郭敏1,2，申超1

（1. 中國船舶重工集團有限公司第七一三研究所，鄭州 450015；2. 北京中水恒信環境科技發展有限公司，北京 100107）

隨著風電機組容量的逐漸增大，傳統風電機組基礎形式已經不能滿足使用要求，必須要在傳統基礎上進行創新。預應力墩基礎預應力墩基礎作為一種新型基礎，在適用范圍、安全性能以及建造成本上具有一定優勢。該文通過研究預應力墩基礎的抗傾覆驗算方法，為計算這種新型基礎的抗傾覆承載力探索一種快速、合理的方法。

風電機組；預應力墩基礎；抗傾覆承載力；地基反力系數法；極限平衡法；有限元法

0 引言

在文獻[1]中明確提出，當樁基礎樁長小于6m或樁長雖大于6m但基礎長度與直徑之比小于3時，即為墩基礎。墩基礎用作風電機組基礎，主要承受水平力和力矩，因此其抗傾覆承載力成為設計的控制因素。

1 墩基礎抗傾覆計算研究現狀

研究人員在基礎水平承載力分析中已經得出許多可行的計算方法。關于墩基礎抗傾覆計算理論，目前主要借鑒剛性短樁以及大圓筒結構的分析方法：地基反力系數法、極限平衡法和有限元數值模擬。

1.1 地基反力系數法

地基反力系數指的是土壓力同其相應的位移的比值，該值隨許多相關因素變動。這一方法不考慮基礎同土之間的摩擦阻力和粘結力。在水平荷載或偏心豎向荷載或兩者共同作用下，基礎發生剛體轉動，轉角為w，轉動中心在地面下深度為Z0。基礎轉動時施加于土的水平壓力由地基反力系數同位移的乘積來表達。基礎底面的豎向力同樣由地基反力系數同地基土的壓縮量乘積來算得。然后建立水平向力和對某點力矩的平衡方程，便可以得出基礎的旋轉角和轉動中心。這種方法只能得出在已知外力條件下基礎的旋轉角度和中心，根據文獻[2]提出的轉角控制值，可以求解出基礎在極限轉角下的抗彎承載力。

1.2 極限平衡法

極限平衡法首先假定極限狀態的地基土反力分布形式，再按照土的極限靜力平衡來求解基礎的抗傾覆承載力。作用于基礎的極限狀態的地基土反力有多種分布形式，如拋物線、三角形、矩形等[3]，如圖1所示。目前比較常見的有從彈性半空間應力狀態出發推導而得的朗肯土壓力理論、適用于軟黏土的Murff－Hamilton理論以及Borm提出的反力分布形式等。

1.3 有限元數值模擬

有限元數值模擬作為最普遍的數值分析方法，不僅考慮了極限平衡分析中的平衡條件和破壞條件，同時還滿足變形協調條件，考慮土體的應力應變特性、土體和基礎的相互作用。但是由于墩基礎體型龐大，若用有限元分析，需要劃分較多的單元才能反應實際情況，因此需要較高的硬件配置和一定的計算時間。

2 極限平衡理論

2.1 側向土壓力

極限平衡法首先要假定極限狀態的地基土反力分布形式。本文根據需要，并未直接采用1.2節所述的任何一種方法，而是采用文獻[4]中的取值方法。側向土壓力由兩部分組成：正面土體抗力Q和側面土體抗力F，如圖2所示。

因此，極限側向土壓力pu可用下式表示：

建設綜合立體交通走廊，把云南建成長江上游地區重要的交通樞紐。習近平總書記視察云南時明確要求，云南要加快建成面向南亞東南亞的輻射中心。緊扣這一目標要求，云南要著力推進長江上游干線和骨架支流航道治理，加快長江上游航運中心建設步伐。統籌推進鐵路、公路、航空交通運輸發展，大力發展鐵水聯運、江海聯運、鐵空聯運等多式聯運，構建起多種運輸方式優化布局、相互銜接的交通網絡體系。

式中：B——基礎直徑或寬度；

η，ξ——分別為正面和側面土壓力不均勻分布系數：

對于圓形基礎：η=0.8，ξ=1；

對于方形基礎：η=1.0，ξ=2.0；

pmax——正面土壓力；

τmax——側面土壓力。

研究人員在正面土壓力pmax的求解上做了比較全面和完善的理論和試驗研究，如朗肯土壓力理論、Borm提出的土壓力理論或者Muff-Hamilton理論，實際應用時結合工程實際進行取值。側面土壓力τmax目前沒有在文獻中找到確切的取值方法，不過可以近似采用樁基礎側摩阻力的取值方法[4]，至于樁基礎側摩阻力的取值方法在API規范[5]中有明確的規定。

圖2 側向土壓力示意圖[4]

表1 某風電場地質條件

2.2 計算思路

極限平衡法的分析思路為建立受力模式和各種假設－得出平衡方程－得出旋轉中心－得出極限承載力。方法的流程為根據平衡方程得出旋轉中心，然后考慮對抗傾覆貢獻的幾項因素，最后匯總為極限抗傾覆能力。其中對抗傾覆貢獻的幾項因素包括：側向土壓力貢獻部分，基底切向力貢獻部分，基底豎向力貢獻部分以及側摩阻力貢獻部分，可以根據實際需要考慮其中幾項或者全部對基礎抗傾覆承載力的貢獻。

3 工程實例

3.1 地質條件

本文以某風電場2.5MW風電機組為例，進行預應力墩基礎抗傾覆驗算。該風電場地質條件如表1所示。

本風電場場址區存在季節性凍土，其標準凍深線深度為地面以下1.2m左右，因此底面向下0－1.2m只考慮重力荷載，不作為持力層。

3.2 基礎尺寸和設計荷載

基礎示意圖如圖3所示，基礎相關尺寸如下：

基礎埋深：9500mm；

基礎開挖直徑：頂部8500mm，底部7000mm。

荷載坐標系如圖4所示，荷載采用極限荷載修正標準值，如下：

3.3 計算結果分析

根據2.1和2.2節，采用極限平衡法計算出來的結果如表2所示。

為進行對比，同時采用有限元數值模擬進行對比分析。計算模型如圖5所示。

基礎穩定性計算參照文獻[2]中8.5“穩定性計算”規定。

預應力墩基礎的受力特性是主要由基坑側壁為主提供抵抗力，因此抗傾覆力矩為基坑土的抵抗力矩與基礎重力力矩之和，而基坑土的抵抗力矩與基坑土受壓情況有關，即基礎受外力越大，傾斜度越大，基坑土提供的抵抗力矩越大。所以，抗傾覆力矩與基礎傾斜度正相關。對于不同的控制傾斜率，將具有不同的抗傾覆系數。

表2 極限平衡法計算結果

圖3 基礎結構示意圖

圖4 荷載坐標系

圖5 有限元計算模型

表3 有限元數值模擬結果

在本次計算中，采用彈塑性和彈性2種計算方法進行驗算，計算結果如表3所示。

上述抗傾覆系數均對應于控制荷載工況的荷載修正標準值。

在極限荷載(荷載修正標準值)的作用下，基礎的傾斜率是2.82‰。

4 結論

由于水平荷載和力矩作用下基礎與土的作用機理比較復雜，雖然研究人員已經提出不少相關理論和計算方法，但是都各有不足以及優點。本文通過比較有限元數值模擬結果和極限平衡法計算結果，極限平衡法計算結果偏保守，可以作為有限元分析的一種補充算法。

[1] 結構/建設部工程質量安全監督與行業發展司, 中國建筑標準設計研究所. 全國民用建筑工程設計技術措施-結構[M]. 北京: 中國計劃出版社, 2003.

[2] FD003-2007, 風電機組地基基礎設計規定 [S]. 北京 : 中國水利水電出版社 , 2008.

[3]張雁 , 劉金波 . 樁基手冊 [M]. 北京 : 中國建筑工業出版社 , 2009.

[4]Zhang, L.Y., Silva, F., Grismala, R. Ultimate lateral resistance to piles in cohesionless soils [J]. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 2005, 78-83.

[5] American Petroleum Institute. Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design: API recommended practice 2A-WSD (RP 2A-WSD) [M]. American Petroleum Institute, 1993.

Research on the Anti-overturning Bearing Capacity of Wind Turbine Prestressed Pier Foundation

Guo Min1,2, Shen Chao1
(1. 713thResearch Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China;2. ZSHX Environ-tech Co., Ltd., Beijing 100107, China)

As the gradually increasing of wind turbine capacity, traditional wind turbine foundation type can no longer meet the operating requirements. It is necessary to make innovation based on the traditional foundations. As a new type of wind turbine foundation,the prestressed pier foundation has advantages on the application range, safety performance and construction costs. This paper researched and explored a fast and reasonable method for computing the anti-overturning bearing capacity of wind turbine prestressed pier foundation through studying several calculation methods.

wind turbine; prestressed pier foundation; anti-overturning bearing capacity; modulus of subgrade reaction method; limit equilibrium method; fi nite element method

TU470+.3

A

1674-9219(2013)11-0114-04

2013-10-11。

郭敏（1987-），女，碩士，助理工程師，主要從事風電機組基礎設計工作。