風電場地基液化對樁筏基礎受荷響應的影響特征

宋英龍 谷澤雨 高 禮 李衛超，* 朱碧堂 楊 敏

（1.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，長沙 410007；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092；3.上海同濟啟明星科技發展有限公司，上海 200092；4.江西省地下空間技術開發工程研究中心，南昌 330013）

0 引言

近年來，作為一種清潔、可再生能源，風能得到了快速且大規模的開發，其主要利用形式為通過風力發電機轉變為電能。我國對風能的開發起步稍晚，但增長速度與規模遠超其他國家或地區，如2017年廣東省發展改革委發布的《廣東省海上風電發展規劃（2017—2030年）》（修編）中提出［1］，至2030年廣東省實現裝機容量66.85 GW；而截至2016年，全球建成海上風電裝機容量為14.38 GW，僅為我國廣東省規劃容量的21.5%。

作為高聳結構，風機支撐結構通常采用樁基礎，具有結構柔、高度大等特征，如當前風機塔筒高度達150 m，塔筒通常為直徑不超過10 m的空心圓錐形鋼桶，塔筒頂部安裝的風機葉片掃略面積約3.8萬m2［2］。風機支撐結構在正常使用過程中主要受風導致的水平向荷載［3-4］，由于風機支撐結構高度高、迎風面積大，因此在基礎頂部產生較大的水平向剪力和傾覆彎矩。此外，由地震、爆炸、機器振動等導致的地基液化是風機及支撐結構安全運行的另一個不利因素［5］。地基液化是指飽和砂土或粉土在動荷載條件下出現強度驟減、表現出流態物質的現象，如地震荷載導致的一定條件下地基抗剪強度降低至零或噴砂冒水或側擴流滑等。地基液化導致地基抗剪強度降低或地基失穩引起構筑物基礎變形過大、產生塑性破壞，進而導致上部結構的破壞或垮塌［6］，如日本神戶地震中神戶Higashi橋梁樁基與承臺連接部位由于過大剪切而導致的破壞，又如我國唐山地震后跨越薊運河的鐵路橋梁變形過大，梁上軌道彎曲而影響正常使用。

盡管當前已在地震對地基基礎和上部結構影響［7-11］及減隔震方面［12-13］開展了大量的研究，并取得了較好的成果；然而，針對地震等動力荷載作用下風機支撐結構的研究主要集中在支撐結構的動力響應方面，鮮有地震等導致的地基液化對風機支撐結構響應方面的研究。此外，在許多工程中采用處理與加固可液化地基以減小甚至消除地基液化的地基處理技術［14］，然而針對風機基礎開展的可液化地基處理效果方面的研究相對較少。

基于此，本文將結合某風電場實際工程建設，采用同濟啟明星自主開發的風電基礎分析與設計軟件FDOW［15-16］，重點研究地基液化對風機塔架采用的樁筏基礎響應的影響特征，以供實際工程參考。

1 工程概況

某陸上風電場位于河南濮陽，規劃總容量500 MW，擬采用200臺2.5 MW風力發電機組。風機輪轂高度約130 m，葉輪直徑約132 m。根據地勘報告，風電場區屬于中等強度地震區，地層主要為河流沖積的稍密-密實粉土、軟塑-硬塑的粉質黏土及稍密-密實的粉細砂。場地地下水位常年在地面下0.0～5.6 m，其中飽和粉土、松散砂土層在動荷載作用下，可能會發生液化從而導致地基失穩或基礎結構變形過大，影響風機的正常運行甚至危及結構安全。根據經濟性與安全性綜合評估，并通過方案比選，該工程風機擬采用低樁承臺群樁基礎，并擬采用地基處理方案消除淺層地基液化。下面針對該風場中的典型機位處基礎設計進行分析與討論。

1.1 工程地質與水文條件

該機位處地表標高變化小，地下水位穩定在地面下1.7 m。地下水主要靠大氣降雨、地表徑流、人工灌溉等方式補給，以蒸發、人工開采等方式排泄，年變幅約±1.5 m。機位處土層分布可見圖1，其物理力學性質指標主要通過鉆孔取樣并開展室內土工試驗得到，主要設計參數推薦值如表1所示。此外，還開展了標準貫入試驗，經桿長修正后土層的標準貫入錘擊數也繪制在圖1中。

表1 各土層參數設計推薦值Table 1 Recommended values of design parameters for each soil layer

圖1 土層、標準貫入錘擊數、錘擊臨界值與液化指數隨深度的分布Fig.1 Soil layers，measured and critical values of blow counts during standard penetration tests and liquefaction index versus depth

1.2 地基液化等級判別

目前常用的地基液化等級判定方法主要有兩類：第一類是Seed法［7］，以及在此基礎上演變而來的簡化法［9］，其實質是通過判定砂土中由振動作用產生的剪應力與產生液化所需的剪應力進行比較，來判定土體產生液化的可能；第二類是基于標準貫入試驗的液化判定方法，包括我國規范《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）［17］（以下簡稱《抗震規范》）在內的多部規范均采用此類判定方法，該類方法分初判和復判對場地進行判定。初判主要考慮土體類型、地區設防烈度、建筑等級等因素。當初判認為場地需要進一步液化判斷時，應該結合標準貫入試驗結果對場地地面下一定深度范圍內的液化情況進行判別。

在研究場地20 m深度范圍內地基土主要分布有軟弱-中軟土，覆蓋層厚度大于50 m。根據《抗震規范》第4.1.6條規定，場地類別為Ⅲ類。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015）［18］，該機位處地震動峰值加速度0.172 5g，特征周期0.55 s，地震烈度7度，設計地震分組第二組。

根據《抗震規范》的公式（4.3-4），即式（1），計算得到各深度處標準貫入錘擊數的臨界值Ncr。

式中：N0為地基液化判別時標準貫入錘擊數的基準值；β為調整系數；ds為標準貫入試驗點所在的深度；dw為地下水位埋深；ρc為黏粒含量百分率，當小于3或為砂土時，取3。

根據《抗震規范》的公式（4.3.5）及表4.3.5對該場地的地基液化等級進行評估，液化指數IlE值通過公式（2）計算得到：

式中：n為在判定深度內每個鉆孔標準貫入試驗點的總數；Ni和Ncri分別為第i點標準貫入錘擊數的實測值和臨界值；di為第i點代表的土層厚度；Wi為i點土層考慮單位土層厚度的層位影響權函數值。

通過以上方法計算得到場地每個標準貫入試驗點的分層液化指數如圖1所示，最終按照式（2）得到場地液化指數IlE的值為49.4，遠大于18，故該場地被判定為嚴重液化場地。

1.3 風機基礎概況

該風機基礎采用低樁承臺群樁基礎，由38根預應力錨栓式圓形擴展承臺鉆孔灌注樁（后注漿）組成，承臺和樁幾何尺寸及布置方式如圖2所示。其中，樁徑0.6 m，樁長為33.5 m，扣除上部20 m的液化層，樁在非液化層的插入深度為17 m，完全滿足《抗震規范》中樁端伸入液化深度以下穩定土層長度的要求。

圖2 樁筏基礎尺寸Fig.2 Dimensions of piled-raft

為減小地基液化引起的安全隱患，基礎周圍地基采用振沖碎石樁法進行地基處理。振沖碎石樁是通過對軟弱地基進行置換及擠密形成復合地基，可以提高地基變形模量和承載力，改善地基不均一性，減少不均勻沉降，同時軟弱地層經過激振后，碎石樁加速孔隙水壓力的消散，從而防止地基液化的產生。

在本案例中，振沖碎石樁法的處理范圍為風機基礎承臺外沿向外外延10 m范圍，消除液化土層的厚度為5 m，碎石樁直徑0.9 m，樁間距2.0 m（圖3），等邊三角形布置，碎石樁置換率ρ為11.8%。

圖3 振沖碎石樁處理范圍Fig.3 Soil volume treated with vibro-replacement stone column

2 計算模型與工況

2.1 計算模型

采用同濟啟明星公司自主研發的風電基礎分析與設計軟件FDOW［16］進行模型計算。針對風電機組基礎工程設計工作的關聯領域多、設計計算量大、設計周期長的特點，該軟件采用模塊化、可視化設計，將各種不同的設計內容進行歸類集成，能夠滿足風電基礎工程設計的各項復雜要求。目前FDOW的基礎模塊包括單樁基礎、多腳架基礎、導管架基礎、高樁承臺基礎以及低樁承臺基礎，能夠滿足本次設計計算的要求。有關FDOW軟件的計算原理與建模過程已在文獻［16］中詳細介紹，其中在地基基礎相互作用分析模塊，FDOW將樁土作用通過梁-彈簧體系模擬，即國內外規范中推薦的t-z和p-y曲線模型［19］；靜力分析通過迭代法求解節點位移、模態分析采用里茲向量疊加法求解、結構動力分析采用振型疊加法求解。

在各工況的建模與計算中，地基處理前土體物理力學參數推薦值見表1，而可液化地基經過地基處理與加固后的地基土參數見表2，相關參數取值的說明如下：

（1）地基液化影響折減系數

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）［20］第5.3.12條規定，地基處理前，考慮地基液化的影響折減系數值為0；地基處理后，承臺底面上下非液化土層厚度大于規定值，根據《抗震規范》第4.3.3條，可依據圖1計算得到的實際標貫擊數與臨界標貫擊數之比λN=N/Ncr，以及土層深度，確定液化地基處理后液化折減系數值。

（2）m值

地基m值根據《建筑樁基技術規范》第5.7.5條確定。由于風機長期受到風浪等導致的水平往復荷載作用，地基反力比例系數m值已折減為表5.7.5中規范推薦值的40%；同時對于淺部粉土和粉質黏土，m值通過表5.7.5中推薦范圍線性內插得到。

（3）地基處理后土層強度參數取值

根據圖1，淺部粉土沉樁前標準貫入擊數Np為3～5，取置換率ρ值為11.8%，根據《抗震規范》條文4.4.3，及公式（3）可得沉樁后標準貫入錘擊數N1的值：

計算得到擠密樁地基處理后的標準貫入擊數為10～14。地基處理后的標準貫入錘擊數大于圖1所示液化臨界貫入擊數，且該貫入擊數與④號中密粉土層的標貫擊數（9～14，平均擊數11）接近。因此，對于液化地基處理后的土體可采用與④號中密粉土相同的強度參數，即黏聚力c=15 kPa和內摩擦角f=21.8°。

綜上，液化土層范圍內各層土體力學參數取值見表2。

表2 液化土層范圍內土體力學參數Table 2 Mechanical properties of soils within the liquefied soil layers

2.2 設計工況

表3給出了在風機基礎設計中需要復核的工況，其中所列荷載為風機與塔筒傳遞到塔筒底部的荷載。對于風機基礎設計，豎向荷載Fz需包含承臺和回填土的重量。根據《風電機組地基基礎設計規定》［21］，考慮到場地為液化場地，多遇地震工況可作為基礎變形的控制荷載工況，而極端荷載工況為基礎承載力控制工況。針對基礎容許變形，水平向變形容許值為10 mm［20］，文獻［21］給出了沉降容許值為10～30 cm，容許傾斜為3‰～6‰，其中風機輪轂高度越高，容許值越小，地基土的壓縮性越高，沉降容許值越大。

表3 風機基礎設計工況Table 3 Cases for foundation design of wind turbine

2.3 計算工況

為研究地基液化對風機基礎的影響規律，按照地基液化處理前、后兩種情況分別進行計算分析。地基液化工況考慮地面下20 m范圍內粉土層發生液化；振沖碎石樁處理地面下5 m范圍內可液化土層，以消除該范圍內地層的液化。

結合表3列出的設計工況，針對如下6個工況進行計算分析：工況一，無地基處理+正常運行工況；工況二，無地基處理+多遇地震工況；工況三，無地基處理+極端運行工況；工況四，地基處理+正常運行工況；工況五，地基處理+多遇地震工況；工況六，地基處理+極端運行工況。

3 計算結果分析與討論

3.1 地基液化對基礎水平向變形的影響

由于多遇地震工況為基礎變形的控制荷載工況，下面對工況一、二、四、五計算結果進行對比分析。通過FDOW軟件對各工況進行計算，得到各工況對應的基礎水平向變形結果，如表4所示，其中圖4和圖5分別給出了多遇地震工況下（工況二和五）風機基礎水平向變形云圖。

圖4 工況二對應的基礎水平變形Fig.4 Lateral displacement of the foundation in case 2

圖5 工況五對應的基礎水平變形Fig.5 Lateral displacement of the foundation in case 5

表4 各工況對應的基礎最大水平位移Table 4 Maximum lateral displacement of foundation subjected to each load case

可見考慮表層20 m土體液化的情況下，正常運行（工況一）和多遇地震（工況二）下基礎最大水平向變形分別為10.39 mm和11.96 mm，按照容許水平位移10 mm的要求，兩種工況不能滿足設計要求。在對可液化地基進行處理與加固后，基礎最大水平向變形在正常運行（工況四）和多遇地震（工況五）工況下減小到了0.5 mm左右，僅為地基處理與加固前水平變形的4.6%（工況一）和4.3%（工況二），表明土體液化對基礎水平向變形影響十分顯著。這是由于控制基礎水平向變形的主要因素是表層土體提供的水平向抗力，土體液化導致土體水平向抗力急劇降低，由此造成了基礎水平向變形的急劇增加。因此對于可液化場地，進行地基處理與加固是十分必要的。

此外，從表4中可以看出，多遇地震工況（工況二）比正常運行工況（工況一）對應的水平位移增量為1.57 mm，增率為15.1%，表明地震荷載對基礎水平位移影響較明顯，多遇地震工況確為基礎變形的控制荷載工況。

3.2 地基液化對基礎豎向變形的影響

表5給出了工況一、二、四和五對應的基礎沉降和傾斜計算結果，其中圖6和圖7分別給出了多遇地震工況下風機基礎豎向沉降計算結果。通過這些計算結果可以看出，考慮表層20 m深度范圍內地基液化的情況下，正常運行（工況一）和多遇地震（工況二）工況對應的基礎最大沉降分別為8.40 mm和9.21 mm；進行地基處理與加固后（工況四和五），場地液化消除，基礎最大沉降為8.14 mm和8.87 mm，僅減少了3.1%和8.2%，表明場地淺層地基液化對基礎沉降影響小，可忽略不計；基礎的最大傾斜也表現出類似的特征，且地基是否液化工況對應的傾斜度均小于3‰，均滿足規范的要求。

表5 各工況對應的承臺最大沉降與傾斜Table 5 Maximum settlement and inclination of foundation subjected to each load case

圖6 工況二對應的基礎沉降Fig.6 Settlement of the foundation in case 2

圖7 工況五對應的基礎沉降Fig.7 Settlement of the foundation in case 5

此外，多遇地震工況（工況二）比正常運行工況（工況一）對應的沉降增量為0.81 mm，增率為9.6%；傾斜度增量為0.09‰，增率為15.8%，表明多遇地震對基礎沉降和傾斜有一定的不利影響，應將多遇地震工況作為基礎變形的控制荷載工況。

3.3 地基液化對基礎承載力的影響

針對地基液化對基礎承載力的影響，表6給出了極端運行工況（工況三和六）對應的基礎水平承載力計算結果。由表6可知，地基處理與加固對基礎水平向承載力的提升有很大幫助，即基礎水平向承載力特征值由未處理與加固工況三對應的3 kN提升為處理與加固后（工況六）的217 kN。可見，對可液化地基的處理與加固對提高基礎水平承載力和風機支撐結構安全性是十分有必要的。

表6 各工況對應的基礎承載力Table 6 Lateral capacity of foundation subjected to each load case

4 結論

結合某風電場的實際工程建設，首先對場地的地基液化等級進行評估，然后分別針對地基液化和地基處理與加固后消除液化兩種情況，采用同濟啟明星FDOW軟件開展樁筏基礎的變形與承載特性研究，得到結論如下：

（1）針對該風電場的地基情況，基于我國規范判定該場地液化等級為嚴重。

（2）風機支撐結構設計和分析中，多遇地震工況對應的基礎水平變形、豎向變形、傾斜度均大于正常運行工況，表明地震荷載對基礎變形的影響明顯，因此，將多遇地震工況作為基礎變形的控制荷載工況是合理的。

（3）地基液化對基礎水平變形和水平承載力影響十分顯著，這是由于地基液化導致淺層土體水平抗力驟降，極易引發樁基水平變形過大或承載力不足情況出現，因此，對于嚴重的液化場地，進行地基處理與加固是十分有必要的。

（4）相比于地基液化對基礎水平向受荷響應的影響，地基液化對基礎豎向變形和傾斜度的影響較小。