探討GRF樁基礎在陸上風電場基礎中應用的可行性

朱杰清 李亞杰

(福建省電力勘測設計院，福建 福州 350000)

0 引言

風能作為清潔無污染的新能源，風力發電為目前新能源技術中技術成熟、適宜大規模商業開發發電的方式之一，受到企業、政府等各方的大力支持而蓬勃發展。風機基礎的安全性、可靠性作為風電場中風力發電機組安全正常運行的關鍵因素之一，而不同的地質條件下，不同類型風機基礎的性能發揮程度也各不相同。隨著我國風電建設的跨越式發展，我國電力工程建設者在風機基礎設計優化、結構受力分析等方面也開展了大量基礎性工作，風機基礎型式隨著技術的革新及場地條件的變化，由傳統的重力式擴展基礎發展為樁基礎、梁板式基礎等各具特色，且存在相應適應范圍的基礎型式。GRF樁基作為新開發的巖土增強基礎型式，它在超大直徑樁周圍分層、輻射狀分布錨桿來改善樁土相互作用機理。其設計理念是在樁主體周圍增加錨桿支架，通過改善樁土之間連接來提高樁基礎的抗壓性、抗彎性及抗震性。本文以GRF樁基礎在風電場風機基礎上的應用為例進行詳細論述，通過Plaxis2D對其承載力進行數值模擬，以探討GRF基礎在陸上風電場基礎中的應用和發展的可能性，對今后風電場建設中的風機基礎選型具有一定的參考意義。

1 GRF樁基礎的結構分析

GRF樁基礎由樁基礎主體與連接在樁基礎主體上的錨桿(即增強支架)兩部分通過組裝焊接等構成。

GRF樁基礎的主體結構與普通鋼筋混凝土樁體基本相同。增強支架為GRF樁基礎獨有之處，其由增強桿件和保護層2部分構成，實際施工常用錨桿作為增強構件，一端固定在主體樁上，另一端則深深的垂直插入周圍的土層之中。GRF樁基礎的樁主體澆筑過程與普通樁基礎類似，且在澆筑過程中適宜增強支架即錨桿的架設與連接。GRF樁基礎施工工藝簡單，施工可操作性強，適宜在大型樁基礎施工中推廣使用。風電場風機基礎具有直徑大，施工工作面直徑大等特點，可知GRF樁基礎是適宜風電場建設的。

2 Plaxis2D計算模型建立

2.1 模擬軟件及計算原理介紹

采用Plaxis2D軟件進行模擬計算。采用15節點單元建立數值計算模型，運用Plaxis2D軟件自帶的Mohr-Coulomb本構模型來模擬土體。在GRF樁基礎受力過程中土體內部會形成一定范圍的塑性區，基于此特點采用Mohr-Coulomb模型來模擬土的彈塑性本構關系；在GRF樁基礎的豎向及水平向承載力的模擬分析中，GRF樁主體、錨桿與土體之間的接觸行為用接觸面單元模型來模擬。

2.2 建模計算

1)約定3種樁基礎型式。

a.樁基礎1：目前常用的風電場樁基礎型式，取直徑為D。

b.樁基礎2：樁基礎+等半徑長度的錨桿；樁基礎直徑D與樁長均不變，沿徑向分布長為D/2的錨桿。

c.樁基礎3：樁基礎樁徑減1/5+等半徑長度的錨桿；樁基礎直徑取0.8D且樁長均不變，沿徑向分布長為0.5D的錨桿。

2)數值模型的建立。

選用軸對稱模型，用摩爾—庫侖模型模擬土的強度與剛度、用板來模擬樁主體的、用錨桿單元模擬GRF樁基礎增強支架、用接口單元模擬樁與土的接觸面。運用Plaxis2D版本模擬豎向集中荷載、水平向集中荷載作用下的三種樁基礎類型的樁頂豎向、水平向位移變化過程。樁徑取D=6 m，樁長取L=10 m，基礎所在區域地層土體按兩層劃分：上層為厚約5 m的粉質粘土；下層為厚約10 m的殘積土。錨桿直徑取為0.1 m，長度根據3種樁型分別選取，錨桿分3排布置，每排間距為2.0 m。每排6根，以樁中心為界對稱布置,見表1。

表1 樁土體參數

3 計算結果的分析與討論

3.1 豎向荷載位移對比分析

對比3種樁基礎型式的豎向荷載位移曲線，樁頂沉降取20 mm時，對應的豎向荷載分別為2 200 kN,2 800 kN,1 900 kN；即比例為1∶1.3∶0.85，若不考慮錨桿的影響，根據樁基規范大直徑單樁極限承載力的經驗取值公式比例應為1∶1∶0.5，可知錨桿對風電場樁基礎的豎向抗壓承載力提升效果非常明顯，提升比例約30%，且樁基礎2未完全發揮其豎向抗壓承載力，見圖1。

3.2 水平向荷載位移對比分析

對比3種樁基礎型式的豎向荷載位移曲線，樁頂水平位移取10 mm時，對應的水平向荷載分別為130 kN,160 kN,65 kN；即比例為1∶1.25∶0.48，若不考慮錨桿的影響，根據樁基規范單樁水平向極限承載力的經驗取值公式比例應為1∶1∶0.25，可知錨桿對風電場樁基礎的水平向承載力提升效果非常明顯，提升比例約23%，且樁基礎2未完全發揮其水平向承載力,見圖2。

4 GRF樁基礎的承載效果的分析與評價

1)經濟效果評價。根據計算結果的分析與討論可知，在相同的豎向承載力下，GRF樁基礎與普通的摩擦樁相比較，所需樁主體鋼筋混凝土體積縮小約25%～35%，即混凝土使用量減少約25%～35%；同時可知在相同的水平向承載力下，GRF樁基礎與普通的摩擦樁相比較，所需樁主體鋼筋混凝土體積縮小約20%～30%，即混凝土使用量減少約20%～30%，建設成本平均降低15%～25%；同時，還大大縮減了施工時間，降低了施工難度。即從經濟可行性上，GRF樁基礎非常適用于風電場中風機基礎的建設，不但節約建造成本，且有益于減少施工時間。

2)施工可行性評價。立坑挖掘→側壁鉆孔→安裝增強錨桿→填充保護層→立體樁施工，除中間需要鉆孔安裝增強錨桿，其余與目前傳統的風電場基礎型式施工方法基本吻合，可方便快速的直接推廣應用。

5 結論與建議

1)風機基礎作為保證風力發電機組運行關鍵因素之一，在風電場的運營中安全起到至關重要的作用。本文在施工技術、承載力提升效果等方面論證了GRF樁基礎在風電場基礎上應用的可行性。2)本文僅定性分析了GRF樁基礎對風電場基礎型式的影響，后續可從錨桿的數量、分布密度、長度等方面定量分析，為工程實際需要找到最優解。3)GRF樁基礎與普通摩擦樁相比，具有較好的經濟性和穩定性，可作為未來風電場樁基礎施工的主要方向之一。

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