風機基礎在復雜地基中結構的設計與實現

曾王強

（上海寰蔚電力工程有限公司，上海 200002）

0 引言

風機基礎在水平載荷下背風側及迎風側地基壓應力差別明顯，這會產生較大不均勻沉降。高聳結構對不均勻沉降敏感，且如果地基主要受力層內有軟弱夾層，對基礎沉降分析更為重要。

1 項目概況及場址地質條件

Abay風電項目設計安裝47臺遠景EN3.2-141風力發電機組。北片區為密實中砂~粗砂地基，承載力不小于280kPa，變形模量不小于30.0MPa，地質結構簡單，設計采用天然地基重力式基礎。南部場區有6臺機位地基情況復雜，通過現場靜力觸探試驗結果，埋深約-4.2~-10.1m處錐尖阻力出現陡降，換算出的比貫入阻力僅1.4~4.6MPa，此處存在局部軟弱夾層，如表1、表2所示。

表1 南部場區6臺基礎尺寸參數

表2 南部場區6臺機位代表性地質參數

2 基礎結構計算

2.1 荷載工況與分項系數取值

本項目基本地震加速度0.05g，符合國內設計標準6度區的定義，其多遇地震工況和罕遇地震工況均不會其控制作用，而應重點關注正常運行工況及極端荷載工況下的基底應力、脫開比控制、滑移及傾覆、配筋及裂縫計算等。

除預制樁復合地基，基礎本身為常規重力式基礎。重力式基礎原理為依靠基礎及其上拔角范圍內土體的自重以抵抗基礎水平力及彎矩，因此對于地下水，因其會產生浮力，在設計過程中因注意考慮其不利影響，地下水位以下混凝土及土體均應采用浮重度。

根據規范，基礎及土體自重荷載分項系數取1.2（不利）/1.0（有利），風荷載等活荷載取1.5（不利）/0（有利），另外尚需考慮結構荷載計算模型不確定性帶來的安全修正系數k0=1.35，如表3所示。

表3 風機基礎設計荷載

2.2 抗扭轉滑移及抗傾覆驗算

2.2.1 抗扭轉滑移驗算

風機運行主要承受水平荷載。大風天氣、風機偏航會造成扭轉彎矩MTS，風機基礎有扭轉進而滑移的趨勢，而基礎對地基巨大的壓力產生一個靜摩擦力，若靜摩擦力產生的扭矩MTR大于扭轉彎矩MTS的1.3倍，則滑移驗算通過。

式中：G-基礎及上拔角范圍內填土的重度；μ-混凝土基礎和地基的摩擦系數，根據經驗取為0.2。

2.2.2抗傾覆驗算

基礎抗傾覆驗算主要考慮基礎、填土和塔架結構重力之和產生的抗傾覆彎矩MR，與水平荷載產生的傾覆力矩MS之比，若其比值大于1.6則抗傾覆驗算通過。

根據計算，風機基礎抗扭轉滑移及抗傾覆計算均滿足要求。

2.3 配筋計算與抗沖切驗算

2.3.1 基礎底板徑環向配筋計算

風機基礎底座為一變截面懸挑板，受力明確。取懸挑板根部單位寬度矩形截面下部徑向受力鋼筋的計算為例，來論述其計算方法。

懸挑板根部截面高度h=2.8m，板底保護層厚度c=0.08m，截面有效高度h0=h-c-0.015=2.705m，根據有限元分析，底部彎矩為M=4371.909kN·m，按單筋截面梁計算，混凝土相對受壓區高度：

由《混凝土結構設計規范》得：

實配鋼筋6187.5mm2（28+32@4.09°），滿足最小配筋要求：0.15%bh=4200.0mm2。

2.3.2 抗沖切驗算

基礎承受上部結構傳來的彎矩，在基礎底板產生基底反力。此時會在底板與臺柱交界處（懸挑板根部）產生沖切作用，因此需對基礎底板抗沖切承載力進行驗算。

由2.3.1可知，沖切錐形截面有效高度h0=2.705m，基礎抗沖切承載力：

式中：βh-受沖切承載力截面高度影響系數，當h0≤800mm時，取1.0，當h0≥2000mm時取0.9，中間線性插值，此處h0=2.705m，因此βh=0.9。

bt為沖切破壞錐體斜截面的上邊圓周長：

bb為沖切破壞錐體斜截面的下邊圓周長：

沖切椎以外的荷載：

式中：p-根據規范公式得到的極端荷載工況下基底平均反力。

驗算：

γ0Fl=1.1×18900=20790kN≤Fb=84225.118kN，抗沖切承載力滿足要求。

2.4 錨栓灌漿層局部受壓承載力計算

當前風機塔筒與基礎普遍采用預應力錨栓進行連接。上部結構荷載通過荷載分散板（上、下錨板）傳遞到基礎主體混凝土上，局部壓應力很大且上部結構調平，通過高強度灌漿層進行過渡，因此需要對混凝土局部受壓承載力進行驗算，這主要包括上錨板與灌漿層之間、灌漿層與基礎頂部混凝土之間、預埋下錨板與內部混凝土之間的局部受壓承載力驗算。以上錨板與灌漿層之間局部受壓承載力驗算為例，來論述其計算方法。

背風側灌漿層所受壓力最大，考慮單位區隔內錨栓預拉力、及對應錨板和墊片剛度分配到的塔筒壓力，換算得到的局部最大壓力為：

局部受壓凈面積：

灌漿層局部壓應力：

灌漿料標號C90，其強度設計值：

驗算之：

3 預制樁復合地基設計

本項目6臺風機基礎涉及局部軟弱夾層，基礎在偏心荷載作用下，局部沉降會超出限值（4‰）?？紤]到軟弱夾層較厚（＞3m），采用換填處理經濟性不合理且回填土質量難以控制，若采用樁基礎，則由于下臥層較硬，易成樁困難，且有效樁長較短，基樁抗拔承載力難以滿足要求。通過在軟弱夾層中打入一定數量的預制短樁，使樁-土共同承擔基礎壓力，增大地基承載力與變形模量，保證地基變形處于允許的范圍內。

根據《建筑地基處理技術規程（JGJ79—2012）》9.3.2及7.1.5、7.1.6，考慮采用300×300實心方樁（樁長6m）對地基進行加固。根據CPT實驗報告，基礎底部一定范圍內軟弱土承載力fsk=160kPa，計算得到的預制樁單樁豎向承載力Ra=461.5kN，預制樁單樁承載力發揮系數λ=0.7。

基底正方形布樁，預制方樁等效成圓樁，樁徑為：

布樁時樁間距控制為：s=5d=1.70m

面積置換率為：

由此，計算可得復核地基承載力為：

基礎在極端工況下，基底最大偏心壓力為238kPa，承載力滿足設計要求。

根據規范7.1.8，地基處理后的變形模量增大系數可?。?/p>

為保證樁土協同作用，預制樁頂面與基礎底面之間需設置一定厚度的褥墊層，以保證基底壓力能通過樁間土和基樁的剛度分散。褥墊層可采用中砂、粗砂、級配碎石等，厚度為300mm。

重新計算基礎不均勻沉降，采用巖土專業有限元軟件PLAXIS3D來計算基礎在極端荷載作用下的地基不均勻沉降，并比較采用預制樁與不采用預制樁時基礎沉降的差別。

4 有限元計算分析基礎沉降

沉樁時表層土較硬需采取引孔處理，采用PLAXIS3D軟件中Embedded-Pile各土層采用摩爾庫倫本構，并考慮地下水位為-4m，相應巖土力學參數詳見表2。

開挖基坑后施工預制樁→平鋪褥墊層→施工墊層及基礎本體→回填壓實→風機運行承受荷載

在施工完基礎本體、風機吊裝但未運行的狀態下，因無偏心荷載作用，基礎沉降未出現不均勻沉降，最大沉降量為27.13mm。

在風機運行加載后，極端工況下地基出現不均勻沉降，未采用預制樁加固時，背風側最大沉降量83.47mm，迎風側基礎發生脫開，豎直向上位移為22.07mm?；A傾斜率：

采用預制樁進行加固后，背風側最大沉降量70.75mm，迎風側基礎發生脫開，豎直向上位移為11.79mm。基礎傾斜率：

計算中采用的摩爾庫倫本構并不能考慮地基土在受荷后的硬化效應，因此計算得到的傾斜率會比實際結果偏大。但仍能發現，采用預制樁加固后基礎傾斜得到了有效控制，同時地基承載力也能滿足基底最大壓應力的要求。

5 結論

目前，新能源發展趨勢下遇到復雜地質地貌的情況越來越多，風機基礎作為保證風機正常運行的關鍵結構，其設計穩定性至關重要。本文介紹了一個典型的復雜軟弱夾層地基結構設計思路，具有一定的指導意義。