某風(fēng)電場基樁設(shè)計(jì)探討

沈懿潔

1 工程概述

上海某風(fēng)電場,采用國產(chǎn)某型號(hào)風(fēng)機(jī),單機(jī)容量2.0 MW,輪轂高度80 m。場址地勢平坦,處于河口、沙嘴、沙島地貌與潮坪地貌兩種地貌類型的交匯過度地段。地質(zhì)勘察資料表明,該地段土層的埋深、厚度與土性較為穩(wěn)定。

由于風(fēng)力電機(jī)塔架高,基礎(chǔ)面積小,加之受風(fēng)力影響,為防止塔身傾斜,因此對(duì)基礎(chǔ)要求深入土層以保證其穩(wěn)定可靠,天然地基不能提供相應(yīng)的抗拔、抗傾覆等力,需采用樁基礎(chǔ)。從揭露的土層來看,地基土主要由②3a層砂質(zhì)粉土、②3b層砂質(zhì)粉土,④層淤泥質(zhì)黏土,⑤1層粉質(zhì)黏土,⑥層黏土,⑦1a層砂質(zhì)粉土、⑦1b層粉砂及⑦2層粉砂組成。②3a層砂質(zhì)粉土與②3b層砂質(zhì)粉土,稍密～中密,中等壓縮性,土質(zhì)尚可,但埋深淺,不能作為本工程風(fēng)機(jī)塔基的樁端持力層,但對(duì)本工程樁基有利。④層淤泥質(zhì)黏土和⑤1層粉質(zhì)黏土為軟土,軟塑～流塑狀,高壓縮性,承載力低,土性差,埋深淺,不能作為本工程的樁端持力層。⑥層黏土,性狀較好,中等壓縮性,可塑～硬塑,但厚度較小,埋深淺,不能滿足抗拔、抗傾覆等要求,不能作為本工程的樁端持力層。⑦1a層砂質(zhì)粉土、⑦1b層粉砂與⑦2層粉砂性狀好,中等～低壓縮性,中密～密實(shí),埋深與厚度合適,均可作為本工程的樁端持力層。⑦1a層砂質(zhì)粉土與⑦1b層粉砂可優(yōu)先考慮作為本工程的樁端持力層。

2 樁頂作用效應(yīng)計(jì)算

2.1 按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算

根據(jù)FD003-2007風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定7.2.2條規(guī)定,荷載效應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)組合,廠家提供的荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)修正為荷載修正標(biāo)準(zhǔn)值,荷載修正安全系數(shù)取為1.35?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

初步確定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式和尺寸為:樁基承臺(tái)分為上下兩部分,上部為圓臺(tái)體,下部為圓柱體。根據(jù)風(fēng)機(jī)塔架荷載特點(diǎn),在承臺(tái)底部分別沿半徑R1=8.0 m和R2=3.0 m的兩圈圓周均勻布置16根和4根直徑0.8 m的鉆孔灌注樁,共 20根。

根據(jù)GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范、FD003-2007風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定和JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定,計(jì)算樁頂作用效應(yīng),結(jié)果見表1。

表1 極端荷載工況下樁頂作用效應(yīng)計(jì)算結(jié)果——修正標(biāo)準(zhǔn)值 kN

2.2 按上海地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算

由于本工程位于上海市,故除采用國家現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算外,還應(yīng)采用上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-11-1999地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

根據(jù)FD003-2007風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定和DGJ 08-11-1999地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范6.2.1條的規(guī)定,計(jì)算時(shí)所用到的荷載設(shè)計(jì)值=荷載分項(xiàng)系數(shù)×荷載修正安全系數(shù)×廠家提供的荷載標(biāo)準(zhǔn)值。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 極端荷載工況下樁頂作用效應(yīng)計(jì)算結(jié)果——修正設(shè)計(jì)值 kN

2.3 結(jié)果分析

上述計(jì)算結(jié)果的差異,是由于相應(yīng)規(guī)范中設(shè)計(jì)表達(dá)式的不一致引起的。設(shè)計(jì)表達(dá)式包括現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50153工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、各行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、國家各工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)規(guī)范以及各地的地基基礎(chǔ)地方規(guī)范在內(nèi)的各類規(guī)范,情況各不相同(見表3)。

表3 地基承載力計(jì)算設(shè)計(jì)表達(dá)形式對(duì)比

正是由于表3所表示的差別,使得計(jì)算結(jié)果有較大的差別,在無法確定何種規(guī)范起控制作用時(shí),應(yīng)在設(shè)計(jì)工作中同時(shí)予以考慮。

3 試樁力計(jì)算與分析

按國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算,單樁極限抗壓承載力標(biāo)準(zhǔn)值為2 392×2.0=4 784 kN,試樁下壓力應(yīng)不低于4 784 kN;單樁極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為702×2.0=1 404 kN,試樁上拔力應(yīng)不低于1 404 kN。

按上海規(guī)范計(jì)算,單樁極限抗壓承載力標(biāo)準(zhǔn)值為3 601×1.6=5 762 kN,試樁下壓力應(yīng)不低于5 762 kN;單樁極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1511×1.6=2 418kN,試樁上拔力應(yīng)不低于2 418kN。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的試樁下壓力為按上海規(guī)范計(jì)算的83.0%,而上拔力卻只有58.1%。為什么上拔力計(jì)算結(jié)果如此懸殊,原因在于風(fēng)電工程荷載的特殊性。

表4是風(fēng)電機(jī)組制造商提供的一組極端工況荷載標(biāo)準(zhǔn)值。表4中的扭矩、水平力及水平彎矩均為活載,恒載只有豎向力。

對(duì)比JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范公式5.1.1-2和上海工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-11-1999地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范公式6.2.1-3,可知結(jié)果差異在于后者存在荷載分項(xiàng)系數(shù)及結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。按照FD003-2007風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定的規(guī)定,活荷載分項(xiàng)系數(shù)=1.5(極端和正常運(yùn)行荷載工況的水平合力、水平合彎矩、扭矩。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1),恒荷載分項(xiàng)系數(shù)=1.0(極端和正常運(yùn)行荷載工況的豎向力、承臺(tái)和上覆土重。對(duì)上拔樁不利,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0),1.2(極端和正常運(yùn)行荷載工況的豎向力、承臺(tái)和上覆土重。對(duì)下壓樁不利,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1)。

表4 廠家提供的荷載標(biāo)準(zhǔn)值(x方向?yàn)樨Q向)

JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范中計(jì)算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的安全系數(shù)K=2.0,而DGJ 08-11-1999地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中相應(yīng)的參數(shù)單樁豎向承載力分項(xiàng)系數(shù) γR=1.6。一般工程中,總荷載中恒載占較大比例。因此按照恒載分項(xiàng)系數(shù)1.2和活載分項(xiàng)系數(shù) 1.4～1.5來加權(quán)平均,約等于1.25～1.30,正好與K/γR=1.25接近,使得一般工程使用兩種規(guī)范的計(jì)算結(jié)果不會(huì)有太大的偏差。但是對(duì)于風(fēng)電工程,由于風(fēng)力等活載引起的荷載對(duì)單樁豎向受力計(jì)算結(jié)果的比重較大,使得加權(quán)平均后的荷載分項(xiàng)系數(shù)接近于1.50,并且承載能力基本狀態(tài)下的基本組合需要考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),使得使用兩種規(guī)范的計(jì)算結(jié)果偏差過大。

4 結(jié)論和建議

1)由于風(fēng)電工程荷載的特殊性,分別按照國家標(biāo)準(zhǔn)和上海地方標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的單樁豎向受力及試樁力偏差較大,主要原因是活載占總荷載中的比重過大。2)在無法確定何種規(guī)范起控制作用時(shí),應(yīng)在設(shè)計(jì)工作中同時(shí)予以考慮。

[1] JGJ 94-2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2] FD003-2007,風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)[S].

[3] GB 50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] DGJ 08-11-1999,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 王振科.樁的抗拔穩(wěn)定性分析與研究[J].山西建筑,2008,34(2):110-111.