風機基礎選型與樁基礎設計優化

摘? ? 要：機組運行的過程中風機基礎有著重要的應用意義，通常來說風機有著較高的塔支架，這一過程中的彎矩也會影響到控制性荷載。

關鍵詞：風機基礎;樁基礎設計;設計優化

1? 相關背景

風機基礎是機組安全運行的重要保障，由于風機塔架較高，水平風荷載在基礎頂面產生的彎矩較大，該彎矩往往是風機基礎設計的控制性荷載。風機對基礎的水平位移和不均勻沉降要求高，基礎選型時應選用具有較好抗變形能力的基礎方案。在整個風電場投資中，風機基礎的土建投資占較大比例，因此開展風機基礎的優化選型具有重要的意義。

2? 特點

根據埋深大小，基礎可分為淺基礎（一般<5m）和深基礎;根據是否人工處理，可分為人工地基和天然地基。淺基礎根據結構形式可分為擴展基礎、聯合基礎、條形基礎、筏形基礎和殼體基礎等。風機擴展基礎一般適于淺部有較好持力層、地基承載力高、沉降能夠滿足要求的情況，如我國內蒙、新疆等西北風電場、山區風電場。樁基礎適用于高聳構筑物、對傾斜限制嚴格的情況，具有較強的抗震性能，對地基沉降和沉降速率控制較好。目前預制鋼筋混凝土樁使用最為廣泛，當樁身結構成為控制因素，采用預應力樁較為合適。灌注樁可適應用地緊張、避免噪聲、振動和擠土對周圍環境影響等問題。大直徑鉆孔灌注樁混凝土的施工質量需要嚴格控制，有時單樁承載力往往由樁身強度控制。鋼管樁強度高、連接方便、易貫入，開口鋼管樁有擠土量小等優點，鋼管樁價格昂貴，一般特別重大的工程考慮采用。沉井基礎是一種無底無蓋的井狀結構物，竣工后成為基礎的組成部分，適用于松軟不穩定的含水土層、人工填土、黏性土、砂土和砂卵石等土層。沉井下沉的原理和方法：通過人工或機械等手段挖土，使沉井依靠自重作用，克服井壁和土之間的摩阻力，不斷下沉到設計標高。主要工序包括：沉井制作等準備工作、沉井下沉、接長井壁、沉井封底。沉井基礎的剛性、穩定性、抗震性都較好，有較大的支承面;下沉深度較大，并能在深水中作業;可以穿過不同性質的土層，將基底放置在承載力較大的土層或巖面上。在水中施工可兼作防水圍堰。

3? 風機樁基礎優化要點

3.1? 基礎體型

由于風機上部荷載的隨機性，風機基礎應采用中心對稱布置方案，圓形基礎是比較合理的基礎體型。

3.2? 承臺半徑

減小承臺半徑可顯著減少承臺混凝土用量，還可以減少基礎開挖、回填工程量。承臺（含承臺以上回填土）自重的減少有利于減小由于恒載引起的單樁豎向壓力;但減小承臺半徑會使上部風機荷載引起的外圈樁單樁豎向壓力和上拔力增大;因此減小承臺半徑對樁基礎內力的影響需要綜合評價上述兩種因素的相對影響程度。通過優化承臺半徑，可達到優化基礎綜合工程量的目的。

3.3? 承臺埋深

承臺埋深一般由樁頂標高決定，盡量使承臺座落于較好持力層上。承臺埋深及覆土自重會對單樁豎向壓力和上拔力大小有影響，應予以綜合考慮，當承臺底面位于地下水位以下時，應采用上覆土體和承臺混凝土的浮重度進行計算。

3.4? 承臺厚度

承臺厚度應滿足抗沖切強度要求，要求承臺有足夠的剛度保證內力傳遞，使樁基承臺和內外樁協同工作。應保證風機塔架在基礎混凝土中有足夠的嵌固深度，風機塔架與基礎連接節點（基礎環或預埋螺栓）是風機疲勞的關鍵部位，應進行專門節點設計。承臺厚度對承臺配筋量也有一定影響。

3.5? 承臺配筋

根據承臺彎矩包絡圖確定承臺截面配筋，并確定鋼筋的截斷位置，因此繪制可靠、準確的彎矩包絡圖是承臺配筋優化的關鍵。目前一般采用樁基的總反力按照簡化方法確定計算截面位置的彎矩，由于承臺自重大小比較明確，建議考慮承臺自重（含覆土重）對減小承臺底部彎矩的有利作用。圓形承臺內力的空間分布特點強，目前采用的簡化方法難以考慮承臺的空間工作效應，難以對承臺頂面內力進行計算，簡化方法計算內力與實際內力分布仍有較大差異，建議采用數值計算方法確定承臺內力分布。

3.6? 內外圈樁的布置

按照承臺完全剛性假定，應將樁盡可能布置在遠離承臺中心的位置，以提供更高的抗傾覆彎矩。為提高風機基礎的整體性和穩定性，減小承臺跨度，應布置適量內圈樁，并滿足風機抗沖切要求。內外圈樁的總數由樁基豎向承載力或水平承載力控制。

3.7? 樁長

最小樁長由持力層深度決定，應首先滿足進入持力層2d的要求。然后根據上部荷載情況確定需要達到的單樁承載力，一般情況下樁越長單樁承載力越大，通過調整樁長滿足實際承載力需求。

3.8? 樁徑

在相同樁長的情況下，樁徑越大，單樁豎向承載力和抗拔承載力越大，采用大直徑樁可使總樁數較少，總樁長減小。大直徑樁單價和施工費用相對較高、管樁采購受限制。應通過不同樁長、樁徑方案的技術經濟比選確定最優樁長和樁徑。

3.9? 樁間距

樁間距應首先滿足大于3.5倍樁徑的要求。樁距太小不利于發揮單樁承載力且打樁施工困難，樁距太大基礎的整體性稍差，宜結合內外圈樁的布置綜合考慮。

3.10? 樁基水平承載力

主要與樁基淺層地基土的水平抗力系數的比例系數（即m值）有關，有時風機基礎豎向承載力滿足要求，而水平承載力或位移不滿足要求，若有條件可適當對樁基淺層土進行地基處理加固（提高m值），則可有效提高樁基的水平承載力，而不必額外增加抗水平荷載的樁。地震工況下，應對地基土水平抗力系數的比例系數進行折減，對嚴重液化處的單樁水平承載力設計值應按高樁承臺進行計算。陸上風電的常用基礎形式包括淺基礎和深基礎，風機擴展基礎一般適于淺部有較好持力層、地基承載力高、沉降能夠滿足要求的情況，深基礎一般用于軟弱地基。樁基礎承載力高、變形控制較好，適宜于沿海灘涂風電場建設。風機基礎設計是一個不斷反饋、修正、優化的過程，只有合理的基礎選型和布置，才有可能實現基礎工作性能和經濟效益的雙優。

3.11? 靜載試驗

樁基礎在設計過程中，往往受到時間的約束，導致結構設計人員只根據地質報告提供的參數確定單樁承載力設計值，并根據這個單樁承載力直接進行樁基礎設計、施工，等工程樁施工結束后才挑選一定數量的樁進行試樁試驗。這個過程具有相當的不科學性，可能因工程已施工完畢但單樁承載力偏小而補樁造成施工不便。另外地質勘察報告可能對嵌巖端承樁提供的飽和單軸極限抗壓強度標準值留有冗余，會導致樁基的實際承載力大于設計值，當兩者相差很大時，造成嚴重浪費。比如本工程800mm直徑機械成孔灌注樁單樁承載力特征值估算為3201kN，而在設計時要求進行3根破壞性試樁顯示實際單樁承載力可到4200kN，整整比估算值提高了30%左右。最后實際工程樁設計就采用試驗值進行，所有樁徑全部減小，為本工程節約了成本。另外本工程按照設計最初的要求樁長大于15m，但試樁時，鉆孔機械進入11m～12m深度后運行困難，此時按經驗停止鉆孔，清孔后成樁，試樁時幾乎每根樁都壓至4500kN樁體強度破壞。也就是說樁長13m左右就已經滿足進入持力層的要求，結構人員如先進行試樁再設計則至少一根樁可減短2m左右的樁長且樁承載力不減小，本工程一共815根樁，總節約樁長1630m。

4? 結束語

陸地風電設施在實際應用的過程中可以使用深淺基礎，風機基礎可以應用在十分復雜的地形當中。

參考文獻：

[1] 馮淑艷.漢十鐵路浪河特大橋主墩鎖口鋼管樁圍堰設計與施工[J].施工技術，2019（3）：62～65.

作者簡介：

徐佰峰（1985-）性別：男，民族：漢族，籍貫：遼寧大連，學歷：本科，職稱：中級工程師，寫作方向：結構設計。