P＆H 無張力灌注樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承載特性的數(shù)值研究①

吳楚喬，賈敏才，霍宏斌

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092;2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092;3.恩格工程咨詢(北京)有限公司，北京100010)

目前，我國主要開發(fā)陸上風(fēng)電場，作為風(fēng)電機(jī)組的固定端，其最常用的基礎(chǔ)形式是重力(擴(kuò)展)式基礎(chǔ)［1－2］.無張力灌注樁基礎(chǔ)是一種新型的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式，由于其造價(jià)低廉、穩(wěn)定性高、適用性廣的特點(diǎn)越來越受歡迎［3，4］.由于風(fēng)機(jī)荷載的特殊性，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)會(huì)受到較大的水平力和彎矩，重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)依靠基礎(chǔ)本身重力和基礎(chǔ)下臥土的承載力來承擔(dān)作用于基礎(chǔ)上部的軸向力和彎距，水平力由基礎(chǔ)下臥土的摩擦阻力承擔(dān).而P＆H 無張力灌注樁基礎(chǔ)主要由環(huán)形基礎(chǔ)周圍土的水平承載力承載基礎(chǔ)所受的水平荷載和彎距，提高基礎(chǔ)抗傾覆、抗滑移、和水平承載的能力.P＆H 無張力灌注樁的主體為后張拉空心混凝土圓柱體，一般外徑3.5 ～5m，內(nèi)徑2.5 ～3m，通常埋深在9 ～11m，結(jié)構(gòu)與受力示意圖見圖1.上部風(fēng)機(jī)荷載通過法蘭盤傳給錨桿，錨桿再將荷載傳至基礎(chǔ)內(nèi)部.施加在錨桿上的預(yù)應(yīng)力可能會(huì)影響基礎(chǔ)的變形和基礎(chǔ)內(nèi)部的應(yīng)力分布，本文主要以陜西某風(fēng)電場的P＆H 無張力灌注樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為分析對象，通過FLAC3D 數(shù)值軟件分析錨桿對整個(gè)基礎(chǔ)的作用，以及錨桿預(yù)應(yīng)力對基礎(chǔ)變形和內(nèi)部應(yīng)力分布的影響.

1 FLAC3D 模型建立

1.1 幾何模型建立

采用FLAC3D 有限差分軟件對新型P＆H 無張力灌注樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行建模模擬，計(jì)算選取的幾何模型如下:CMP 波紋筒內(nèi)筒直徑3.2m，長10.1m，外筒直徑4.8m，長10.5m;內(nèi)筒底部1m 厚底板，基礎(chǔ)頂部0.4m 厚;沿半徑R=2.0m 的圓周均勻布置92 根長11m 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿，錨桿直徑40mm;建立24cm 寬的法蘭盤;計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L30m，寬30m，深25m 的長方體區(qū)域.基礎(chǔ)、法蘭盤和土體選用實(shí)體單元，錨桿選用錨桿結(jié)構(gòu)單元.模型剖面圖見圖2，基礎(chǔ)三維剖面圖見圖3.

圖1 P＆H 無張力風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和受力示意圖

圖2 FLAC3D 模型剖面圖

圖3 基礎(chǔ)三維剖面圖

圖4 施加荷載前基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力分布云圖

1.2 接觸面和邊界特性

基礎(chǔ)受偏心力作用，法蘭盤與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)與周圍土體及基礎(chǔ)與底部土體會(huì)出現(xiàn)脫離，故基礎(chǔ)與周圍土層、基礎(chǔ)與底部土體之間和基礎(chǔ)與法蘭盤之間考慮接觸面單元.其中基礎(chǔ)與法蘭盤之間接觸為抗拉粘粘模型，基礎(chǔ)受法蘭盤壓力作用時(shí)，兩者共同變形，若受拉力作用時(shí)，法蘭盤與基礎(chǔ)之間發(fā)生脫離、滑移.其余接觸面設(shè)為庫侖剪切模型.模型下部邊界全部固定，側(cè)邊界只固定其邊界面的法向.

1.3 計(jì)算參數(shù)選取

基礎(chǔ)和法蘭盤采用彈性模型;土層選用摩爾－庫倫模型，為理想彈塑性型模型.錨桿選用錨桿單元，錨桿頂部與法蘭盤錨固，錨桿底部與基礎(chǔ)錨固，錨桿與基礎(chǔ)之間不設(shè)置灌漿屬性(即只有自由段).計(jì)算參數(shù)見表1.

表1 計(jì)算參數(shù)

1.4 荷載施加

基礎(chǔ)受到上部風(fēng)機(jī)傳來的豎向荷載、剪力、彎矩荷載及扭矩，計(jì)算中，將彎矩等效轉(zhuǎn)化為作用在各錨桿頂端的豎向集中力，扭矩轉(zhuǎn)化為水平剪力，并與豎向力和水平力疊加，錨桿再將這些集中力傳遞給相應(yīng)的實(shí)體單元.本文只研究基礎(chǔ)、錨桿與土體的受力，所以不考慮上部結(jié)構(gòu)的具體形式.計(jì)算采用的荷載是此類型風(fēng)機(jī)所受到的極限荷載，具體見表2.

表2 計(jì)算荷載

2 P＆H 無張力灌注樁基礎(chǔ)的承載特性

2.1 錨桿的承載特性

采用FLAC3D 數(shù)值特有方法在錨桿上施加650kN 的預(yù)應(yīng)力，平衡后最終在錨桿中的實(shí)際預(yù)應(yīng)力為643kN 左右.錨桿與基礎(chǔ)之間采用PE 套管，除了頂部和底部與基礎(chǔ)相互作用，中間部分沒有錨固作用.計(jì)算也表明錨桿長度范圍之內(nèi)軸力沒有變化，均相同.施加荷載后，各錨桿軸力變化都較小，錨桿所受到的最大最小軸力見表3.法蘭盤與基礎(chǔ)之間保持接觸，基本沒有脫離.

表3 錨桿的最大和最小軸力

圖5 基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力分布云圖

圖6 錨桿底部基礎(chǔ)應(yīng)力分布云圖

圖7 基礎(chǔ)豎向位移二維剖面云圖

2.2 基礎(chǔ)的承載特性

施加極限荷載之前，加錨桿預(yù)應(yīng)力之后，基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力云圖如圖4.基礎(chǔ)絕大部分受壓，每根錨桿周圍的混凝土受壓應(yīng)力較大，錨桿與基礎(chǔ)錨固處，也就是法蘭盤底部和錨桿底環(huán)處應(yīng)力集中.法蘭盤下最大應(yīng)力為15.2MPa.錨桿底環(huán)下部基礎(chǔ)出現(xiàn)部分拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力為2.7MPa.

施加荷載后，基礎(chǔ)內(nèi)部豎向應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，主要集中在法蘭盤底部和錨桿底環(huán)處，但底環(huán)處的基礎(chǔ)受力比法蘭盤底部小很多.基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力分布見圖5，錨桿底部基礎(chǔ)應(yīng)力分布見圖6.法蘭盤受壓部分下部、錨桿周圍的壓應(yīng)力較大，法蘭盤下最大集中壓應(yīng)力為31.2MPa，錨桿底環(huán)處最大集中壓應(yīng)力為6.8MPa.底環(huán)下部最大拉應(yīng)力為2.9MPa，但范圍很小.另外，基礎(chǔ)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)局部拉應(yīng)力區(qū)，但均不會(huì)超過混凝土抗拉強(qiáng)度.

圖8 去除錨桿后基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力分布云圖

圖9 最大軸力與預(yù)應(yīng)力差值與預(yù)應(yīng)力的關(guān)系曲線

圖10 最大軸力與預(yù)應(yīng)力差值與預(yù)應(yīng)力的關(guān)系曲線

基礎(chǔ)的豎向位移沿垂直傾斜方向變化相對較均勻，基礎(chǔ)的變形整體性非常好，主要表現(xiàn)為產(chǎn)生一定程度的整體傾斜，基礎(chǔ)本身的變形很小，基礎(chǔ)豎向位移二維剖面云圖見圖7.

3 錨桿對基礎(chǔ)承載特性的影響

3.1 錨桿在基礎(chǔ)中的作用

基礎(chǔ)中錨桿長度為11m，是基礎(chǔ)的重要組成部分，將上部風(fēng)機(jī)荷載傳遞到底部基礎(chǔ)中，在模型中去除錨桿，研究沒有錨桿的P＆H 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力和變形的變化.圖8 是去除錨桿后基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力分布圖云圖，與圖5 相比，拉應(yīng)力區(qū)明顯擴(kuò)大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在基礎(chǔ)頂部，最大值拉應(yīng)力值為15.6MPa，是有錨桿存在的基礎(chǔ)的最大拉應(yīng)力的5 倍.基礎(chǔ)頂部一部分混凝土受到的拉應(yīng)力已超過了其抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值.基礎(chǔ)受到的最大壓應(yīng)力仍然出現(xiàn)在法蘭盤下部，最大值為31.6MPa，與存在錨桿的基礎(chǔ)的最大壓應(yīng)力值接近.基礎(chǔ)仍然保持整體傾斜，傾斜率和有錨桿存在時(shí)相比基本保持不變.因此，錨桿的作用不僅僅在于傳遞荷載，更重要的是調(diào)整基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力分布，使大部分基礎(chǔ)處于受壓狀態(tài).

3.2 錨桿預(yù)應(yīng)力的影響

這里研究不同預(yù)應(yīng)力大小對錨桿軸力、基礎(chǔ)受力和變形的影響，所施加的預(yù)應(yīng)力大小分別為590kN，610kN，630kN，650kN，670kN.從圖9 可知，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力小于670kN 時(shí)，錨桿所受的最大軸力與預(yù)應(yīng)力之間的差值隨預(yù)應(yīng)力的增加基本呈線性遞減，最大差值約為95.6kN.圖10 表明在計(jì)算所施加的預(yù)應(yīng)力范圍內(nèi)，錨桿所受最小軸力與預(yù)應(yīng)力之間的差值基本不變，保持在14.5kN 左右.另外，基礎(chǔ)受極端荷載作用，錨桿受到最大拉力處，法蘭盤與基礎(chǔ)可能會(huì)發(fā)生脫離，預(yù)應(yīng)力的大小會(huì)影響脫離量.通過計(jì)算可知，預(yù)應(yīng)力為590kN 時(shí)，法蘭盤與基礎(chǔ)之間的最大分離量可達(dá)4mm.預(yù)應(yīng)力達(dá)到650kN 后，法蘭盤與基礎(chǔ)基本保持接觸，未見分離.改變預(yù)應(yīng)力后，整個(gè)P＆H 無張力灌注樁基礎(chǔ)仍然保持整體變形，傾斜率基本不變.基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力分布基本沒有變化，但由于預(yù)應(yīng)力的增加，初始應(yīng)力狀態(tài)下法蘭盤下的局部集中應(yīng)力值會(huì)略有增加，導(dǎo)致最終在極限荷載作用下法蘭盤下的局部集中應(yīng)力值也會(huì)略有增加.

因此，需要選擇合理的錨桿預(yù)應(yīng)力才能滿足基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求，本基礎(chǔ)中選擇650kN 的預(yù)應(yīng)力是較為合適的.

4 結(jié) 論

本文通過有限差分軟件對新型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)P＆H無張力灌注樁基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論:

(1)極端荷載作用下，基礎(chǔ)內(nèi)部大部分區(qū)域受壓，法蘭盤底部和錨桿底環(huán)處有明顯的應(yīng)力集中.基礎(chǔ)本身變形很小，主要發(fā)生整體傾斜.

(2)P＆H 無張力灌注樁基礎(chǔ)中的錨桿除了將上部荷載傳遞到整個(gè)基礎(chǔ)外，還能調(diào)整基礎(chǔ)內(nèi)力，使大部分基礎(chǔ)處于受壓狀態(tài).錨桿本身對基礎(chǔ)整體變形影響較小.

(3)錨桿預(yù)應(yīng)力的大小會(huì)影響法蘭盤的變形，預(yù)應(yīng)力過小會(huì)導(dǎo)致法蘭盤與基礎(chǔ)之間發(fā)生脫離，設(shè)計(jì)過程中需要選擇適當(dāng)?shù)腻^桿預(yù)應(yīng)力.預(yù)應(yīng)力的改變對基礎(chǔ)整體傾斜和受力影響較小.

［1］ 呂靖峰.我國風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展及政策研究［D］.北京:中央民族大學(xué)，2013.

［2］ 王學(xué)文，霍宏斌，Shelton L.Stringer.對單墩P＆H 無張力新型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的對比研究［J］.北京:風(fēng)能，2012，01:70－74.

［3］ 陳銳，霍宏斌，王爾貝，曹馳.復(fù)合荷載作用下錨桿重力式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的地基承載特性［J］.中國海洋平臺(tái)，2013，05:40－44.

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