風(fēng)力機(jī)組中擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)設(shè)計問題研究

孫祖峰　樓蕓含　陳佩杭

摘 要：錨桿基礎(chǔ)具有開挖量小、工程造價低、對周圍環(huán)境影響小等特點，是相關(guān)規(guī)范中明確規(guī)定的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可采用的三種形式之一，且更適用于巖層地基。通過改變擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)的受力機(jī)理，從而增加了整體基礎(chǔ)的承載力。通過對實際工程案例進(jìn)行計算，明確了擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)設(shè)計中需要考慮的內(nèi)容，并且對錨桿長度的選取、擴(kuò)底部分對承載力的影響以及如何增加錨桿基礎(chǔ)承載力等問題進(jìn)行了探究，以期對擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)的應(yīng)用和推廣起到一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)組；擴(kuò)底錨桿；錨桿基礎(chǔ)；巖石地基

中圖分類號：TU476 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.010

規(guī)范中明確規(guī)定的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可采用的類型包括重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和錨桿基礎(chǔ)。這三種基礎(chǔ)形式適用于不同的地基——重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)適用于普通地基，樁基礎(chǔ)適用于軟弱地基，錨桿基礎(chǔ)適用于巖層地基。

目前，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)多采用重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)形式施工技術(shù)較為簡便且工程實踐經(jīng)驗豐富。鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)存在以下缺點：①抗壓能力有余，抗彎效率不高，基礎(chǔ)邊緣與地基脫開會降低基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；②對于大功率風(fēng)機(jī)，板式基礎(chǔ)懸挑長度太大，基礎(chǔ)承臺體積過大會耗費大量鋼筋和混凝土，造價高；③基礎(chǔ)開挖量大，特別是對于巖石地基，開挖難度大、環(huán)境影響大。因此，有必要豐富風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計使用形式，以適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，發(fā)揮各自的優(yōu)越性。

1 場址位置和地質(zhì)資料

風(fēng)電場位于山西省大同市，本期裝機(jī)容量49.5 MW，裝機(jī)規(guī)模為單機(jī)容量1 500 kW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)33臺，擬建場地地勢起伏較大，對位于山頭上的風(fēng)機(jī)采用擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)。

根據(jù)勘測結(jié)果，上述場址區(qū)地層在勘測深度內(nèi)，上部主要為覆蓋粉土，下部地層為白云巖，地層巖性自上而下分別為：①粉土。黃褐色，稍密，粉質(zhì)感強(qiáng)，韌性和干強(qiáng)度低，搖振反應(yīng)迅速，局部含粉質(zhì)黏土。該層厚度較薄，一般多在0.50 m左右，考慮去除。②塊（碎）石?；野咨?，稍濕，密實，填充物為粉土，棱角狀，含量及分布不均勻，局部含量少。厚度一般為0.50～1.50 m。③白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。灰色、灰白色，隱晶質(zhì)，塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)，巖層厚度為中厚層、巨厚層，致密，場地范圍內(nèi)大面積分布。表層多呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，組織結(jié)構(gòu)基本破壞，風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間充填物主要為粉土，沿節(jié)理面有次生礦物，巖體較破碎。本層厚度1.50～2.00 m。下部為中等風(fēng)化狀態(tài)，局部表層亦呈中等風(fēng)化狀態(tài)，組織結(jié)構(gòu)部分破壞，風(fēng)化裂隙一般發(fā)育，節(jié)理面有次生礦物，巖體較完整，可見已風(fēng)化成40 cm左右的巖塊，巖石質(zhì)量指標(biāo)較好。將此巖石層考慮作為錨桿持力層。

2 擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)設(shè)計選型

2.1 擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)基本參數(shù)

基礎(chǔ)底板半徑6.2 m，基礎(chǔ)棱臺頂面半徑3.0 m，基礎(chǔ)臺柱半徑3.0 m，基礎(chǔ)底板外緣高度1 m，基礎(chǔ)底板棱臺高度0.8 m，臺柱高度1.5 m，基礎(chǔ)埋深3 m。錨桿中心所在圓半徑5.7 m。沿此圓周均布36根錨桿，錨桿直徑55 mm，錨直徑130 mm，錨入深度4.0 m，擴(kuò)底高度500 mm，擴(kuò)底直徑200 mm。需要說明的是，擴(kuò)底部分的高度與直徑不能隨意取值設(shè)計，需要根據(jù)已有的施工機(jī)械確定。而高500 mm、直徑200 mm的擴(kuò)底尺寸符合常用施工器械所能達(dá)到的尺寸。具體尺寸及擴(kuò)底部分分別如圖1和圖2所示。

2.2 承載力驗算

根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定》（FD 003—2007）和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011），需要對單根錨桿承載力、穩(wěn)定性、抗剪、抗臺柱沖切、抗基礎(chǔ)環(huán)沖切、桿對承臺的沖切等方面進(jìn)行復(fù)核驗算。其中，抗剪、抗臺柱沖切、抗基礎(chǔ)環(huán)沖切與普通擴(kuò)展式基礎(chǔ)計算方法無異。

經(jīng)計算，錨桿自身強(qiáng)度為569.9 kN，根據(jù)規(guī)范中有關(guān)砂漿與巖石的黏結(jié)強(qiáng)度特征值關(guān)系表格，較軟巖取黏結(jié)強(qiáng)度為0.4 MPa。按此黏結(jié)強(qiáng)度計算，強(qiáng)度特征值為220.8 kN，而最終錨桿自身強(qiáng)度特征值為220.8 kN。

關(guān)于傾覆穩(wěn)定性的驗算，錨桿基礎(chǔ)不同于重力擴(kuò)展基礎(chǔ)，區(qū)別在于錨桿基礎(chǔ)的外界傾覆彎矩由混凝土基礎(chǔ)與錨桿共同抵抗。在計算錨桿基礎(chǔ)所能抵抗的最大彎矩的過程中，應(yīng)該首先按照擴(kuò)展基礎(chǔ)的計算方式計算出混凝土部分所能承受的最大彎矩，然后根據(jù)樁基礎(chǔ)規(guī)范中拉壓力計算公式，令其中某一根錨桿達(dá)到承載力極限值，以此來計算此時的彎矩值，最后對二者加和即可得到錨桿基礎(chǔ)所能承受的最大傾覆彎矩。

桿對承臺的沖切可以根據(jù)《鋼筋混凝土承臺設(shè)計規(guī)程》（CESC 88—1997）4.2.5.2條計算承臺高度，由錨桿錨入承臺的深度和錨板邊緣至承臺邊緣的距離可以計算沖切承載力。

總體來看，在設(shè)計階段，對于錨桿基礎(chǔ)除了需要對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸、配筋進(jìn)行計算外，還需要增加對錨桿承載力、整體穩(wěn)定性、局部受壓等方面的校核。但正因為錨桿可以分擔(dān)相當(dāng)一部分傾覆彎矩，因此可以明顯縮小基礎(chǔ)尺寸，從而縮減混凝土和鋼筋的使用量。

3 討論

3.1 擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)與擴(kuò)展基礎(chǔ)的對比

重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)利用的鋼筋混凝土的自重，施工技術(shù)簡便，目前積累了較為豐富的工程實踐經(jīng)驗。

鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)存在以下突出缺點：①基礎(chǔ)形式過于單一，不能適應(yīng)不同的地質(zhì)條件；②獨立擴(kuò)展基礎(chǔ)抗壓能力有余，抗彎效率不高，且基礎(chǔ)邊緣與地基脫開后，會降低基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；③對于大功率風(fēng)機(jī)，板式基礎(chǔ)懸挑長度太大，基礎(chǔ)承臺體積過大耗費大量鋼筋和混凝土，造價高、經(jīng)濟(jì)性差，且形式不合理；④基礎(chǔ)開挖量大，特別是對于巖石地基，開挖難度大，環(huán)境影響大。此外，基礎(chǔ)設(shè)計時，承臺底的受力狀態(tài)一直采用線性模擬的計算假定與承臺底的真實壓力情況存在較大的差距，這樣能夠有效了解、分析承臺底的基底壓力，節(jié)省基礎(chǔ)的鋼筋和混凝土用量。

對于風(fēng)機(jī)錨桿基礎(chǔ)，錨桿最主要的作用是通過抗拔來抵御外界較大的彎矩荷載。而擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)有別于普通的直錨桿，其基礎(chǔ)形式將有效提高錨桿的抗拉承載力。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)錨桿技術(shù)采用直錨，將錨桿埋于等徑巖孔之后灌注細(xì)石混凝土或砂漿形成等徑錨樁，依靠錨樁與巖孔間摩擦力抵消錨桿的上拔載荷。

3.2 錨桿長度的選取

根據(jù)實際情況，單根錨桿的抗拔力由錨桿自身的強(qiáng)度、錨桿與砂漿之間的黏結(jié)強(qiáng)度以及砂漿與巖石間黏結(jié)強(qiáng)度決定。一般情況下，錨桿自身的強(qiáng)度稍大于后兩者，因此，抗拔力往往由后兩者決定。無論是錨桿與砂漿之間的黏結(jié)強(qiáng)度，還是砂漿與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度，都與錨桿長度成正比。但實際上，大量試驗研究表明，巖石錨桿在15～20倍錨桿直徑以深的部位已經(jīng)沒有錨固力分布。只有當(dāng)錨桿頂部周圍的巖體出現(xiàn)破壞后，錨固力才會向深部延伸。因此，一味地增加錨桿的長度并不會明顯地提升錨固力的效果。在工程實踐中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，將錨桿打入良好的持力層，同時保證長度大于13倍直徑，但仍要增加一定的長度作為安全儲備。具體取值應(yīng)按實際情況決定。

3.3 擴(kuò)底部分對整體承載力的影響

傳統(tǒng)錨桿技術(shù)采用直錨，將錨桿埋于等徑巖孔之后灌注細(xì)石混凝土或砂漿形成等徑錨樁，依靠錨樁與巖孔間摩擦力抵消錨桿的上拔載荷。但風(fēng)化巖層中存在大量巖石節(jié)理，錨桿可能因摩擦力不足而滑動。在風(fēng)化巖層中，錨桿基礎(chǔ)上拔力的大小取決于巖孔和錨桿砂漿柱的黏結(jié)強(qiáng)度。大量試驗證明，上拔破壞是因錨桿砂漿柱從巖體中抽出造成的。

巖層擴(kuò)底錨桿技術(shù)是在等徑巖孔底部擴(kuò)底，對錨孔作擴(kuò)底處理。在錨桿底部安裝雙向撐板，并利用銷軸固定于錨桿桿體上。錨桿下入擴(kuò)底錨孔后雙向撐板張開，擴(kuò)撐于擴(kuò)底錨孔內(nèi)，防止錨桿體從錨孔內(nèi)拔出。

與直錨桿相比，擴(kuò)底錨桿的基礎(chǔ)受力原理發(fā)生了改變——由原來的類摩擦樁改為擴(kuò)底部分受力的承載樁基礎(chǔ)。這樣，擴(kuò)大了載荷分布范圍，使其由之前單一地依靠摩擦力承載變?yōu)橥瑫r由摩擦力和擴(kuò)底上拔力承載，從而提升了承載能力，并在樁徑和長度相同的情況下提高了承載的可靠性。

但目前的規(guī)范與規(guī)程并沒有對擴(kuò)底錨桿類型基礎(chǔ)的抗拔承載力給出明確的計算公式，且范圍仍然局限于直錨桿。盡管擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)通過改變受力方式提高了承載力，但目前這一部分仍然只作為錨桿抗拔力的安全儲備，并沒有體現(xiàn)在計算結(jié)果中，即擴(kuò)底錨桿抗拔力的計算仍采用直錨桿公式。在選取參數(shù)時，針對擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)可以考慮選取上限值。比如，對于砂漿與巖石間黏結(jié)強(qiáng)度特征值的選取，規(guī)范中有關(guān)較軟巖的數(shù)值是0.2～0.4 MPa。如果采用擴(kuò)底錨桿，可以考慮選取范圍中的較大值。

3.4 增加基礎(chǔ)承載力的方法

對于風(fēng)機(jī)擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)，可以通過一些途徑達(dá)到增加基礎(chǔ)承載力的目的，比如適當(dāng)增加混凝土基礎(chǔ)底部直徑，選取合適的錨桿長度，適當(dāng)增加錨桿直徑，在滿足規(guī)范要求的前提下盡量將錨桿布置在靠近基礎(chǔ)邊緣側(cè)。

4 結(jié)束語

錨桿基礎(chǔ)是規(guī)范中明確的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可采用的形式之一，對巖層地基有著較好的適應(yīng)性。同時，該基礎(chǔ)形式開挖量小，鋼筋、混凝土等用量少，具有總造價低、對周邊環(huán)境影響小等顯著優(yōu)點，可以彌補(bǔ)目前較為常用的重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)的若干不足。而與直錨桿基礎(chǔ)相比，擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)的受力原理發(fā)生了改變，載荷分布范圍得到了擴(kuò)大——由之前單一的依靠摩擦力承載變?yōu)橥瑫r由摩擦力和擴(kuò)底上拔力承載，從而加大了承載能力。

本文通過具體工程案例中擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)的相關(guān)計算，展現(xiàn)了計算過程中需要注意的事項，分析了擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)與擴(kuò)展基礎(chǔ)的優(yōu)、缺點，錨桿長度選取中需要注意的問題以及擴(kuò)底部分對整體承載力的影響，并提出可以通過適當(dāng)增加混凝土基礎(chǔ)底部直徑，選取合適的錨桿長度，適當(dāng)增加錨桿直徑，在滿足規(guī)范要求的前提下盡量將錨桿布置在靠近基礎(chǔ)邊緣側(cè)等方法來提高風(fēng)機(jī)擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)的承載力。

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〔編輯：劉曉芳〕