預應(yīng)力墩基礎(chǔ)的抗傾覆承載力研究

郭敏，申超

（1. 中國船舶重工集團有限公司第七一三研究所，鄭州 450015；2. 北京中水恒信環(huán)境科技發(fā)展有限公司，北京 100107）

預應(yīng)力墩基礎(chǔ)的抗傾覆承載力研究

郭敏1,2，申超1

（1. 中國船舶重工集團有限公司第七一三研究所，鄭州 450015；2. 北京中水恒信環(huán)境科技發(fā)展有限公司，北京 100107）

隨著風電機組容量的逐漸增大，傳統(tǒng)風電機組基礎(chǔ)形式已經(jīng)不能滿足使用要求，必須要在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新。預應(yīng)力墩基礎(chǔ)預應(yīng)力墩基礎(chǔ)作為一種新型基礎(chǔ)，在適用范圍、安全性能以及建造成本上具有一定優(yōu)勢。該文通過研究預應(yīng)力墩基礎(chǔ)的抗傾覆驗算方法，為計算這種新型基礎(chǔ)的抗傾覆承載力探索一種快速、合理的方法。

風電機組；預應(yīng)力墩基礎(chǔ)；抗傾覆承載力；地基反力系數(shù)法；極限平衡法；有限元法

0 引言

在文獻[1]中明確提出，當樁基礎(chǔ)樁長小于6m或樁長雖大于6m但基礎(chǔ)長度與直徑之比小于3時，即為墩基礎(chǔ)。墩基礎(chǔ)用作風電機組基礎(chǔ)，主要承受水平力和力矩，因此其抗傾覆承載力成為設(shè)計的控制因素。

1 墩基礎(chǔ)抗傾覆計算研究現(xiàn)狀

研究人員在基礎(chǔ)水平承載力分析中已經(jīng)得出許多可行的計算方法。關(guān)于墩基礎(chǔ)抗傾覆計算理論，目前主要借鑒剛性短樁以及大圓筒結(jié)構(gòu)的分析方法：地基反力系數(shù)法、極限平衡法和有限元數(shù)值模擬。

1.1 地基反力系數(shù)法

地基反力系數(shù)指的是土壓力同其相應(yīng)的位移的比值，該值隨許多相關(guān)因素變動。這一方法不考慮基礎(chǔ)同土之間的摩擦阻力和粘結(jié)力。在水平荷載或偏心豎向荷載或兩者共同作用下，基礎(chǔ)發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角為w，轉(zhuǎn)動中心在地面下深度為Z0?；A(chǔ)轉(zhuǎn)動時施加于土的水平壓力由地基反力系數(shù)同位移的乘積來表達?；A(chǔ)底面的豎向力同樣由地基反力系數(shù)同地基土的壓縮量乘積來算得。然后建立水平向力和對某點力矩的平衡方程，便可以得出基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動中心。這種方法只能得出在已知外力條件下基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)角度和中心，根據(jù)文獻[2]提出的轉(zhuǎn)角控制值，可以求解出基礎(chǔ)在極限轉(zhuǎn)角下的抗彎承載力。

1.2 極限平衡法

極限平衡法首先假定極限狀態(tài)的地基土反力分布形式，再按照土的極限靜力平衡來求解基礎(chǔ)的抗傾覆承載力。作用于基礎(chǔ)的極限狀態(tài)的地基土反力有多種分布形式，如拋物線、三角形、矩形等[3]，如圖1所示。目前比較常見的有從彈性半空間應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)推導而得的朗肯土壓力理論、適用于軟黏土的Murff－Hamilton理論以及Borm提出的反力分布形式等。

1.3 有限元數(shù)值模擬

有限元數(shù)值模擬作為最普遍的數(shù)值分析方法，不僅考慮了極限平衡分析中的平衡條件和破壞條件，同時還滿足變形協(xié)調(diào)條件，考慮土體的應(yīng)力應(yīng)變特性、土體和基礎(chǔ)的相互作用。但是由于墩基礎(chǔ)體型龐大，若用有限元分析，需要劃分較多的單元才能反應(yīng)實際情況，因此需要較高的硬件配置和一定的計算時間。

2 極限平衡理論

2.1 側(cè)向土壓力

極限平衡法首先要假定極限狀態(tài)的地基土反力分布形式。本文根據(jù)需要，并未直接采用1.2節(jié)所述的任何一種方法，而是采用文獻[4]中的取值方法。側(cè)向土壓力由兩部分組成：正面土體抗力Q和側(cè)面土體抗力F，如圖2所示。

因此，極限側(cè)向土壓力pu可用下式表示：

建設(shè)綜合立體交通走廊，把云南建成長江上游地區(qū)重要的交通樞紐。習近平總書記視察云南時明確要求，云南要加快建成面向南亞東南亞的輻射中心。緊扣這一目標要求，云南要著力推進長江上游干線和骨架支流航道治理，加快長江上游航運中心建設(shè)步伐。統(tǒng)籌推進鐵路、公路、航空交通運輸發(fā)展，大力發(fā)展鐵水聯(lián)運、江海聯(lián)運、鐵空聯(lián)運等多式聯(lián)運，構(gòu)建起多種運輸方式優(yōu)化布局、相互銜接的交通網(wǎng)絡(luò)體系。

式中：B——基礎(chǔ)直徑或?qū)挾龋?/p>

η，ξ——分別為正面和側(cè)面土壓力不均勻分布系數(shù)：

對于圓形基礎(chǔ)：η=0.8，ξ=1；

對于方形基礎(chǔ)：η=1.0，ξ=2.0；

pmax——正面土壓力；

τmax——側(cè)面土壓力。

研究人員在正面土壓力pmax的求解上做了比較全面和完善的理論和試驗研究，如朗肯土壓力理論、Borm提出的土壓力理論或者Muff-Hamilton理論，實際應(yīng)用時結(jié)合工程實際進行取值。側(cè)面土壓力τmax目前沒有在文獻中找到確切的取值方法，不過可以近似采用樁基礎(chǔ)側(cè)摩阻力的取值方法[4]，至于樁基礎(chǔ)側(cè)摩阻力的取值方法在API規(guī)范[5]中有明確的規(guī)定。

圖2 側(cè)向土壓力示意圖[4]

表1 某風電場地質(zhì)條件

2.2 計算思路

極限平衡法的分析思路為建立受力模式和各種假設(shè)－得出平衡方程－得出旋轉(zhuǎn)中心－得出極限承載力。方法的流程為根據(jù)平衡方程得出旋轉(zhuǎn)中心，然后考慮對抗傾覆貢獻的幾項因素，最后匯總為極限抗傾覆能力。其中對抗傾覆貢獻的幾項因素包括：側(cè)向土壓力貢獻部分，基底切向力貢獻部分，基底豎向力貢獻部分以及側(cè)摩阻力貢獻部分，可以根據(jù)實際需要考慮其中幾項或者全部對基礎(chǔ)抗傾覆承載力的貢獻。

3 工程實例

3.1 地質(zhì)條件

本文以某風電場2.5MW風電機組為例，進行預應(yīng)力墩基礎(chǔ)抗傾覆驗算。該風電場地質(zhì)條件如表1所示。

本風電場場址區(qū)存在季節(jié)性凍土，其標準凍深線深度為地面以下1.2m左右，因此底面向下0－1.2m只考慮重力荷載，不作為持力層。

3.2 基礎(chǔ)尺寸和設(shè)計荷載

基礎(chǔ)示意圖如圖3所示，基礎(chǔ)相關(guān)尺寸如下：

基礎(chǔ)埋深：9500mm；

基礎(chǔ)開挖直徑：頂部8500mm，底部7000mm。

荷載坐標系如圖4所示，荷載采用極限荷載修正標準值，如下：

3.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)2.1和2.2節(jié)，采用極限平衡法計算出來的結(jié)果如表2所示。

為進行對比，同時采用有限元數(shù)值模擬進行對比分析。計算模型如圖5所示。

基礎(chǔ)穩(wěn)定性計算參照文獻[2]中8.5“穩(wěn)定性計算”規(guī)定。

預應(yīng)力墩基礎(chǔ)的受力特性是主要由基坑側(cè)壁為主提供抵抗力，因此抗傾覆力矩為基坑土的抵抗力矩與基礎(chǔ)重力力矩之和，而基坑土的抵抗力矩與基坑土受壓情況有關(guān)，即基礎(chǔ)受外力越大，傾斜度越大，基坑土提供的抵抗力矩越大。所以，抗傾覆力矩與基礎(chǔ)傾斜度正相關(guān)。對于不同的控制傾斜率，將具有不同的抗傾覆系數(shù)。

表2 極限平衡法計算結(jié)果

圖3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 荷載坐標系

圖5 有限元計算模型

表3 有限元數(shù)值模擬結(jié)果

在本次計算中，采用彈塑性和彈性2種計算方法進行驗算，計算結(jié)果如表3所示。

上述抗傾覆系數(shù)均對應(yīng)于控制荷載工況的荷載修正標準值。

在極限荷載(荷載修正標準值)的作用下，基礎(chǔ)的傾斜率是2.82‰。

4 結(jié)論

由于水平荷載和力矩作用下基礎(chǔ)與土的作用機理比較復雜，雖然研究人員已經(jīng)提出不少相關(guān)理論和計算方法，但是都各有不足以及優(yōu)點。本文通過比較有限元數(shù)值模擬結(jié)果和極限平衡法計算結(jié)果，極限平衡法計算結(jié)果偏保守，可以作為有限元分析的一種補充算法。

[1] 結(jié)構(gòu)/建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司, 中國建筑標準設(shè)計研究所. 全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施-結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 中國計劃出版社, 2003.

[2] FD003-2007, 風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定 [S]. 北京 : 中國水利水電出版社 , 2008.

[3]張雁 , 劉金波 . 樁基手冊 [M]. 北京 : 中國建筑工業(yè)出版社 , 2009.

[4]Zhang, L.Y., Silva, F., Grismala, R. Ultimate lateral resistance to piles in cohesionless soils [J]. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 2005, 78-83.

[5] American Petroleum Institute. Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design: API recommended practice 2A-WSD (RP 2A-WSD) [M]. American Petroleum Institute, 1993.

Research on the Anti-overturning Bearing Capacity of Wind Turbine Prestressed Pier Foundation

Guo Min1,2, Shen Chao1
(1. 713thResearch Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China;2. ZSHX Environ-tech Co., Ltd., Beijing 100107, China)

As the gradually increasing of wind turbine capacity, traditional wind turbine foundation type can no longer meet the operating requirements. It is necessary to make innovation based on the traditional foundations. As a new type of wind turbine foundation,the prestressed pier foundation has advantages on the application range, safety performance and construction costs. This paper researched and explored a fast and reasonable method for computing the anti-overturning bearing capacity of wind turbine prestressed pier foundation through studying several calculation methods.

wind turbine; prestressed pier foundation; anti-overturning bearing capacity; modulus of subgrade reaction method; limit equilibrium method; fi nite element method

TU470+.3

A

1674-9219(2013)11-0114-04

2013-10-11。

郭敏（1987-），女，碩士，助理工程師，主要從事風電機組基礎(chǔ)設(shè)計工作。