風機基礎選型與樁基礎設計優化

（內蒙古能源建設投資（集團）有限公司，內蒙古呼和浩特 010010）

0.引言

由于風機選型的基礎在實際的設計過程標準比較高，在進行具體的風機基礎設計過程中，要綜合考慮多種設計參數，經統籌考慮后，進而為整個基礎的選型提供一定的參考意義。此外，有些地區地基土為軟弱土層或高壓縮性土層，常規基礎方案很難滿足相應的要求，但是樁基礎卻能夠更好地適應各種地質條件。在實際的設計過程中，一定要對現場的地質情況進行詳細勘察，一方面是由于地基處理的費用在工程實際實施過程中所占比例較大，另一方面，根據地質情況的不同對地基處理的方案也有區別，只有綜合把握各方面的數據信息后，方可進行統籌設計和優化?？傊?，需考慮多方面的因素，進而為后期的基礎選型創造有利的條件。

1.風機基礎選型

根據基礎具體埋深的大小，基礎主要分為淺基礎與深基礎。目前風電機組單機容量逐步增大，風力發電機組基礎的結構形式一般可以分為以下幾類（以下以錨栓式為例示意，實際中采用基礎環式的也較多）：

第一類風機基礎為普通擴展式基礎，具體分為：方形、多邊形及圓形，目前設計中，以圓形擴展基礎及八邊形擴展基礎應用最為廣泛，此類基礎埋深較淺，一般約為3.0m～4.0m左右（具體埋深與風機荷載、基礎持力層深度、凍深有關），結構形式較為簡單，施工難度相對較小，塔筒與風機基礎的連接采用預埋基礎環或錨栓連接。第二類風機基礎為梁板式基礎，外形類似第一類風機基礎，外邊緣為八邊形或圓形，由主梁和邊梁將挑出的底板劃分為幾個區格，基礎埋深和第一類風機基礎相同，此類風機基礎的結構形式相對較為復雜，施工難度也相對較大。塔筒與基礎連接一般采用預應力錨栓連接，對應的需要和錨栓配套的平衡法蘭等組件對施工安裝的技術水平要求較高，尤其在基礎鋼筋布置、預應力錨栓調平及基礎施工完畢后的預應力錨栓打扭矩等方面。對施工有一定的難度要求。第三類風機基礎為預應力墩式基礎，其本質是一種樁基礎，一般來說一個基坑整個澆筑為一個基礎，計算起來相對稍繁瑣一些。此類風機基礎抗傾覆承載力是其設計的主要控制因素，因此基礎埋深較深，一般都在10m左右，基坑開挖時要求較高，對于較為松軟的土層，為保證邊坡穩定，基坑需要采取支護措施。對于存在較硬的土層，如礫石類、碎石類、巖石類土層地質情況時，開挖難度較大，同時需要考慮錨栓的支撐問題，因此需要針對風場地質情況來確定能否采用此類風機基礎。此類風機塔筒與基礎連接采用預應力錨栓，由于基礎埋深的關系，錨栓的長度很長，和第二類風機基礎相似，對應需要和錨栓配套的平衡法蘭等組件。在基礎預應力錨栓調平、基礎施工完畢后，預應力錨栓上扭矩等方面有一定難度，否則一旦基礎澆筑完畢后，預應力錨栓扭矩達不到要求的話，處理起來非常麻煩。第四類風機基礎則為樁基礎，包括混凝土預制樁和混凝土灌注樁，樁基礎應為4根及以上基樁組成的群樁基礎，按樁的形狀和豎向受力情況可分為摩擦型樁和端承型樁?；A的埋深較深，一般視現場土質情況而定,當樁身的結構成為控制的關鍵因素的時候，通常會采用預應力樁，因為這種方式可以對施工創造良好的條件，而灌注樁相對于預應力樁而言樁身強度無法保證，施工較為繁瑣，對周圍的環境等有很大影響。

2.風機樁基礎優化

（1）基礎體型。由于在對風機基礎選型的過程中，應采用中心對稱的布置方案，由于不同種類的體型有一定的區別，因此，在使用過程中，圓形基礎的采用是整個基礎選型的比較適合的一種體型。（2）承臺半徑。通過相應減少承臺半徑，可以在一定程度上減少混凝土的使用量，而且也能夠極大程度減少基礎開挖以及相應的回填工程量，但是這種減小承臺半徑會導致風機的荷載壓力不斷增加。因此，要綜合考慮各種因素對其影響程度的大小，在滿足規范的前提下，必須不斷優化整個承臺的半徑，減少相應問題的出現，以此達到最優工程量的實施目的。（3）承臺厚度。在進行承臺厚度選擇的過程中，要滿足當前的抗沖切及抗剪切的強度要求，必須要有足夠的高度，這樣才能保證整個內力的傳遞，同時要使相應的樁基承臺與樁基共同工作，保證風機的塔架處于相應基礎混凝土的嵌固深度。與此同時，一定要根據相應的節點進行系統化、專門化設計，只有這樣才能減少承臺的配筋量。（4）承臺埋深。主要是由于承臺厚度所決定，在設計過程中盡量采取承臺坐落于較好的持力層上面，這樣可以進一步減緩承臺埋深以及覆土自重對其的影響，同時要綜合考慮各種因素，當承臺底面在地下水位以下的時候，需通過對浮重度進行分析和計算，減少在后期有更多的問題出現。（5）承臺配筋。承臺配筋應按抗彎計算確定，承臺的彎矩計算一般按一些簡化的由于整個承臺的空間工作效應無法進行合理有效的計算，而且在計算內力與實際內力時仍然有較大的差異，因此，只能采用相應的數值計算方式，以此來確定整個承臺內力的分布情況。（6）樁基布置。按照承臺的剛性假定分析，布置時盡量使樁的承載力合力點與豎向永久荷載合力作用點重合，這樣才能夠為后期提供更高的便利性，而且也能在一定程度上為整個風機的整體性和穩定性帶來積極的作用，同時還應該根據現場土質情況布置適合、適量的圈樁。（7）樁長及樁徑。樁徑通常會受到承載力的影響，而在一些設計中往往使用大直徑樁，大直徑樁雖然可以將樁基總量相應減少。但是使用大直徑樁的整體采購價格和施工費用相對來說較高，而且采購也有一定的困難。而樁長進入土層的深度，應根據地質條件、荷載等確定，一般而言，由于單樁承載力的不同，相應的樁長也會不同。在實際設計的優化過程中，需要根據相應的上部荷載情況，計算所需要達到的單樁承載力，選擇樁身承載力滿足要求的樁徑，選定樁徑后可根據地質情況確定樁長，對于摩擦型及端承型樁來說，根據分層土側阻力及端阻力計算滿足要求的抗壓及抗拔承載力，采用不同的樁長及樁徑進行多方案設計比較，并充分把握當前的市場情況，根據最終結果確定最佳樁長及樁徑。（8）樁間距。對于其間距必須要控制在合理的范圍之內，如樁間距過小，在施工過程中的擠土效應會對相鄰樁基產生影響，反之如樁間距過大，會增大承臺的內力，從而使配筋量加大，因此，必須要根據樁基的綜合布置等方面系統考慮。（9）樁基水平承載力。樁基的水平承載力需考慮由樁群、承臺、土相互作用產生的群樁效應，計算中主要是與樁基的水平變形系數與相應地基土的水平抗力系數的比例系數有關，優化過程中需整體考慮，如作用在樁基處的外力主要為水平力時，需要通過限制樁頂變位，對樁基的水平承載力進行單獨驗算。外力作用面的樁距較大時，水平承載力可視為各單樁水平承載力的總和，當水平力過大時，還需設置斜樁。此外，在一些特殊工程實施的情況下，必須要對地基土水平抗力系數的比例系數進行整體分析、研究，尤其對于液化土的單樁水平承載力的設計值，一定要根據承臺進行仔細計算。

3.結語

總而言之，對于風機基礎設計是一個不斷發現問題、不斷解決問題、不斷優化升級的一個系統過程，只有采用合理的基礎選型，通過系統的結構計算及準確的圖紙設計，才能使整個設計不斷優化和升級，在后期才有可能對工程的實施帶來更高的經濟收益，進而減少后期的維護管理工作，降低工作難度。