黃土高原地區(qū)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)-承臺-樁基數(shù)值模擬

劉增榮，武世剛，張珊珊，劉介繼

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木學(xué)院， 陜西 西安 710055； 2.上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200030)

黃土高原地區(qū)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)-承臺-樁基數(shù)值模擬

劉增榮1，武世剛1，張珊珊1，劉介繼2

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木學(xué)院， 陜西 西安 710055； 2.上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200030)

通過現(xiàn)場勘查和室內(nèi)土工試驗(yàn)，取得風(fēng)電場地基土和回填土參數(shù)，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，利用ABAQUS建立風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)-承臺-樁基有限元模型。數(shù)值模擬結(jié)果與機(jī)組現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比表明：承臺基礎(chǔ)環(huán)自重和回填覆土沉降的模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致；上部結(jié)構(gòu)吊裝后，實(shí)測沉降值較大，原因主要是吊裝過程中大型車輛碾壓和吊裝完成后風(fēng)荷載作用。三個(gè)階段數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明建模過程正確，模型具有可行性和合理性，為后續(xù)施加風(fēng)荷載，進(jìn)行黃土高原地區(qū)風(fēng)電機(jī)組的更多研究提供參考。

風(fēng)電機(jī)組；基礎(chǔ)環(huán)；數(shù)值模擬；黃土

黃土高原地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組普遍采用多樁承臺基礎(chǔ)，上部風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)、承臺、樁基組成一個(gè)協(xié)同受力和變形的整體[1-2]。隨著風(fēng)力機(jī)的大型化，輪轂高度不斷增大，基礎(chǔ)對塔架的支撐要求更加嚴(yán)格[3]。目前建立上部發(fā)電結(jié)構(gòu)-地基基礎(chǔ)有限元模型，對風(fēng)荷載作用下地基基礎(chǔ)的受力特性研究比較有限[4]。

劉瑩等[5]提出了一個(gè)考慮循環(huán)衰減作用的軟黏土彈塑性損傷弱化模型，在此模型基礎(chǔ)上建立了一個(gè)基于剪切位移法的風(fēng)機(jī)單樁豎向承載力簡化計(jì)算方法。朱志祥[6]和鄧宗偉等[7]通過建立有限元模型，對山區(qū)風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)進(jìn)行研究，并對比實(shí)測數(shù)據(jù)，分析兩者誤差原因。Yan S等[8]結(jié)合國電鐵嶺風(fēng)電場工程，利用ABAQUS有限元模型，探討巖石錨桿鋼筋混凝土基礎(chǔ)的力學(xué)特性，并驗(yàn)證了巖石錨桿基礎(chǔ)正常使用的安全性。王熾欣等[9]以陸豐甲湖風(fēng)電場工程為例,構(gòu)建了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)有限元模型,并分析了力學(xué)性能和大風(fēng)荷載作用下的受力特點(diǎn),通過改變機(jī)組基礎(chǔ)的底板厚度與基礎(chǔ)環(huán)護(hù)壁厚等幾何參數(shù)研究了發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)受力變化。

張康[10]結(jié)合鹽池某風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降觀測數(shù)據(jù)，利用指數(shù)曲線模型對風(fēng)機(jī)沉降量進(jìn)行長期性預(yù)測。本文依托陜北定邊某風(fēng)電場實(shí)例，通過風(fēng)電場現(xiàn)場勘查和室內(nèi)土工試驗(yàn)，取得地基土和回填土參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)資料，利用ABAQUS建立風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)-承臺-樁基有限元模型，詳細(xì)闡述了建模過程中的重要細(xì)節(jié)和相關(guān)參數(shù)，將數(shù)值模擬結(jié)果與基礎(chǔ)沉降實(shí)測數(shù)據(jù)對比，分析誤差產(chǎn)生原因，證明了建模過程和參數(shù)的合理性。

1 工程背景與室內(nèi)土工試驗(yàn)

1.1 室外取土

該100 MW風(fēng)電項(xiàng)目位于陜北定邊南部，施工圖階段勘察共布置53臺風(fēng)機(jī)位，含3處備用機(jī)位。按照任務(wù)書要求，并結(jié)合區(qū)域地層巖性特點(diǎn)，勘察作業(yè)主要采用地質(zhì)調(diào)查、鉆探、探井和室內(nèi)試驗(yàn)等手段。外業(yè)完成的工作量見表1。

表1 風(fēng)機(jī)地段場區(qū)勘察工作量一覽表

按其巖性及工程性能將風(fēng)電場場區(qū)地層劃分為以下幾層，現(xiàn)將勘探揭露各層巖土的分布及特征由上至下敘述如下：

①層黃土(Q4eol—Q3eol)，淺黃色—黃褐色，干燥—稍濕，松散—稍密，廣泛分布于黃土梁、低崗斜坡表層。厚度一般為3.3 m～5.0 m，平均厚度4.1 m，局部含砂量較高。地表層主要為耕土，含植物根系和腐殖質(zhì)。

②層黃土(Q3eol)，淺黃色，稍濕，稍密，土質(zhì)均勻，以粉粒、砂粒為主，垂直節(jié)理及孔隙發(fā)育，少見鈣質(zhì)斑點(diǎn)，局部夾古土壤層。該層較為發(fā)育，場區(qū)均有分布，局部含砂量較高。厚度14.4 m～18.0 m，平均厚度16.2 m。

③層黃土(Q2eol)，黃褐色—褐黃色，稍濕，稍密—中密，土質(zhì)均勻，發(fā)育根孔及蟲孔，可見鈣質(zhì)粉末及鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，主要以粉土、粉質(zhì)黏土為主。該層連續(xù)分布，厚度變化較大。厚度2.2 m～5.9 m，平均厚度3.7 m。

④層黃土(Q2eol)，黃色—灰黃色，稍濕，稍密—中密，土質(zhì)均勻，主要成分為粉土，含少量粉砂?？梢婅F錳質(zhì)斑點(diǎn)，有少量針狀孔隙發(fā)育。本次勘探未揭穿該層。

現(xiàn)場洛陽鏟小鉆孔和人工探井作業(yè)見圖1。

圖1小鉆孔和探井

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)

為保證室內(nèi)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場取土完成后盡快進(jìn)行了室內(nèi)物理性質(zhì)試驗(yàn)、力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)、擾動(dòng)樣腐蝕性試驗(yàn)、混合擊實(shí)試驗(yàn)等。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場勘察，并參考《工程地質(zhì)手冊》[11]各層地基土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

對擾動(dòng)土試樣進(jìn)行了易溶鹽試驗(yàn)，結(jié)果顯示SO42-、Mg2+、pH值實(shí)測值分別在95 mg/kg～165 mg/kg、9 mg/kg～53 mg/kg、9.0～9.8之間。現(xiàn)場通過搖表測得風(fēng)機(jī)塔架場地土壤電阻率平均值為183.6 Ω·m。綜合判定風(fēng)機(jī)塔架場地土對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均具微腐蝕。

為對回填土進(jìn)行質(zhì)量控制，共進(jìn)行了三組混合擊實(shí)試驗(yàn)，并參考《巖土工程勘察規(guī)范》[12](GB 50021—2001)，擊實(shí)試驗(yàn)成果見表3。

表2 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)表

表3 擊實(shí)試驗(yàn)成果表

2 建立有限元模型

2.1 模型基本參數(shù)

選取某風(fēng)機(jī)位置，其基礎(chǔ)尺寸示意圖、樁位布置圖(為下文探討承臺沉降等模型結(jié)果，將沉降標(biāo)進(jìn)行編號)見圖2、圖3。

圖2 基礎(chǔ)尺寸示意圖

圖3樁位布置圖

根據(jù)有限元理論及相應(yīng)工程經(jīng)驗(yàn)，為了盡可能減小邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響，本文模型計(jì)算區(qū)域的水平方向約取承臺尺寸的10倍，豎直方向約取樁長的2倍。該風(fēng)機(jī)實(shí)例承臺直徑16 m，樁長27 m，故模型水平方向計(jì)算范圍取直徑50 m，豎直方向取60 m。

樁體、承臺和地基土的模型參數(shù)取值見表4、表5。本文模型中采用第3組擊實(shí)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)作為回填土的參數(shù)。

表4 樁體、承臺模型參數(shù)

表5 地基土模型參數(shù)

模型中的上部發(fā)電結(jié)構(gòu)主要考慮的是葉輪系統(tǒng)、機(jī)艙以及塔筒的重力荷載和塔筒、葉輪所受風(fēng)荷載。機(jī)組風(fēng)荷載依據(jù)相關(guān)資料和規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，本文不予敘述。機(jī)艙和葉輪系統(tǒng)由廠家直接提供，其主要參數(shù)見表6。

表6 葉輪系統(tǒng)和機(jī)艙模型參數(shù)

塔筒由四段筒體組成，支撐葉輪和機(jī)艙，且在模型應(yīng)用時(shí)可進(jìn)一步研究其振型、所受風(fēng)荷載等，所以在模型中單獨(dú)建立部件?；A(chǔ)環(huán)由筒身和上下法蘭組成，是重要的傳力部件，在模型中單獨(dú)建立部件。塔筒和基礎(chǔ)環(huán)的模型參數(shù)見表7。

表7 塔筒和基礎(chǔ)環(huán)模型參數(shù)

2.2 建立模型

2.2.1 回填土和地基土

施工中要求回填土壓實(shí)系數(shù)不小于0.95，滲透系數(shù)小于10-7cm/s。基坑回填時(shí)，回填土須分層碾壓夯實(shí)，分層鋪實(shí)厚度小于300 mm?；靥钔链竺娣e施工前應(yīng)采用擊實(shí)試驗(yàn)確定回填土的最大干密度和最優(yōu)含水率。其物理性質(zhì)和第一層地基土遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同，故本文將回填土單獨(dú)設(shè)置部件，通過生死單元來實(shí)現(xiàn)其對機(jī)組的影響[13]?；靥钔梁统信_側(cè)面、基坑側(cè)面設(shè)置接觸對。在模型回填覆土分析步，對其施加重力，與實(shí)測數(shù)據(jù)對比。

地基土體看做實(shí)體單元，采用彈塑性體模擬，選取Mohr-Coulomb模型，其中剪脹角取值均取內(nèi)摩擦角的一半[14]。根據(jù)彈性力學(xué)理論，土體的彈性模量E0=β·Es，其中β=(1-μ-2μ2)/(1-μ)，μ為泊松比。而在實(shí)際工程中，由該公式得到的彈性模量不夠準(zhǔn)確，對于軟土，E0和β·Es值較為接近；對于較硬的土，E0可能是β·Es值的2～8倍，土愈堅(jiān)硬，倍數(shù)愈大，本文土體彈性模量取為壓縮模量的2.5倍[15]。

2.2.2 樁-土接觸面

樁-土接觸面設(shè)置時(shí)，選取的是面-面接觸，樁-土接觸面間的樁土摩擦系數(shù)與土的性質(zhì)密切相關(guān)，其大小隨著土體強(qiáng)度的增大而增大；樁土摩擦系數(shù)還與樁身表面粗糙程度有關(guān)，樁身表面越粗糙摩擦系數(shù)就越大。一般情況下，對于混凝土樁而言，樁身與黏性土之間的摩擦系數(shù)為0.25～0.40，與砂土之間的摩擦系數(shù)為0.5～1.0。本文中假設(shè)樁身表面粗糙程度一樣，混凝土樁與樁側(cè)土體的摩擦系數(shù)為0.3[16]。

2.2.3 基礎(chǔ)環(huán)

基礎(chǔ)環(huán)通過高強(qiáng)螺栓穿過上法蘭與下段塔筒連接，下段塔筒底面和基礎(chǔ)環(huán)頂面兩個(gè)面就相當(dāng)于焊接在了一起[17-18]。在受力過程中，上部發(fā)電結(jié)構(gòu)的重力以及風(fēng)荷載通過基礎(chǔ)環(huán)傳遞給基礎(chǔ)，所以在模型中應(yīng)把基礎(chǔ)環(huán)與塔筒看作是不可分離的?；A(chǔ)環(huán)和承臺之間通過工字鋼(角鋼)支撐下法蘭與雙層穿孔鋼筋穿過筒體連接，并在水平度調(diào)整好以后，用電焊將調(diào)平用的螺栓與預(yù)埋鋼板焊接加以固定。在澆筑混凝土后，基礎(chǔ)環(huán)在承臺中是固定不動(dòng)的。所以，塔筒和基礎(chǔ)環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)和承臺之間都應(yīng)采用Tie約束。承臺基礎(chǔ)環(huán)模型圖見圖4。

2.2.4 網(wǎng)格劃分和地應(yīng)力平衡

網(wǎng)格劃分時(shí)，上部塔筒采用S4R殼單元，承臺、基礎(chǔ)環(huán)、樁和地基土和回填土均采用C3D8R實(shí)體單元。由于本模型預(yù)留承臺基坑，樁數(shù)較多，地基形狀不規(guī)則，故本例采用自動(dòng)平衡地應(yīng)力方法[19]。地應(yīng)力平衡效果與網(wǎng)格劃分見圖5。

圖4 承臺和基礎(chǔ)環(huán)模型

圖5地應(yīng)力平衡效果圖

3 與實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析

本模型依據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)取得土體參數(shù)，并采用現(xiàn)場承臺-樁基實(shí)際布置尺寸，以承臺和基礎(chǔ)環(huán)自重環(huán)模擬基礎(chǔ)施工、回填覆土自重和相互作用模擬基坑回填、塔筒機(jī)艙以及葉輪系統(tǒng)等自重模擬上部結(jié)構(gòu)吊裝。模擬結(jié)果分別與基礎(chǔ)澆筑階段、基坑回填階段、上部結(jié)構(gòu)吊裝階段完成的沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見圖6。

數(shù)值模擬結(jié)果與機(jī)組現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比顯示：基礎(chǔ)澆筑完成階段和回填土階段模擬值在4個(gè)沉降標(biāo)位置基本相同，實(shí)測值4個(gè)位置的最大沉降差為0.6 mm。表明沉降建立初始值后，基礎(chǔ)的養(yǎng)護(hù)以及基礎(chǔ)回填土的不均勻沉降較小。

吊裝完成后的模擬值在4個(gè)沉降標(biāo)位置基本相同，實(shí)測值4個(gè)位置的最大沉降差為1.00 mm，與模擬值的最大差值為1.22 mm。原因主要是：在上部發(fā)電結(jié)構(gòu)的吊裝過程，構(gòu)件的大型運(yùn)輸車輛以及吊裝機(jī)械反復(fù)碾壓，該過程甚至?xí)霈F(xiàn)地基土的回彈；葉輪系統(tǒng)和塔筒安裝后隨即受到風(fēng)荷載作用，背風(fēng)側(cè)沉降普遍大于迎風(fēng)側(cè)沉降值[3]。風(fēng)荷載的影響在后期計(jì)算過程中將會考慮，該部分誤差可以抵消。后續(xù)黃土高原地區(qū)風(fēng)電機(jī)組施加風(fēng)荷載，進(jìn)行其他研究可參考模型，沿用相關(guān)參數(shù)。

圖6模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

4 結(jié) 論

本文通過風(fēng)電場現(xiàn)場勘查室和內(nèi)土工試驗(yàn)，取得地基土和回填土參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)資料，利用ABAQUS建立風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)-承臺-樁基有限元模型。在合理范圍內(nèi)對樁和土、承臺和基礎(chǔ)環(huán)、塔筒相關(guān)參數(shù)進(jìn)行假設(shè)和優(yōu)化，通過數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)對比，得出相應(yīng)的結(jié)論。表明建模過程正確，模型具有可行性和合理性。后續(xù)黃土高原地區(qū)風(fēng)電機(jī)組施加風(fēng)荷載，進(jìn)行黃土高原地區(qū)風(fēng)電機(jī)組的更多研究提供參考。

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NumericalModelingofWindPowerStructure-Cap-PileFoundationinLoessPlateauRegion

LIU Zengrong1, WU Shigang1, ZHANG Shanshan1, LIU Jieji2

(1.SchoolofCivilEngineering,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an,Shaanxi710055,China；2.ShanghaiJiankeEngineeringConsultingCo.Ltd.,Shanghai200030,China)

Based on field investigation and laboratory soil tests, the parameters of ground soil and backfill soil are obtained, after which a finite element model of Wind Power structure-cap-pile foundation was established by using ABAQUS based on wind power structure design data. The numerical simulation results and measured data show that the simulation results of the weight settlement of cap foundation ring and the settlement of backfill soil are consistent with the measured data. The measured settlement value is large after lifting the superstructure and the main reason is the rolling of large vehicle during the lifting process and the wind load after lifting. The data comparison results of the three stages show that the modeling process is correct and the model is feasible and reasonable.

windturbine;foundationring;numericalsimulation;loess

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.044

2017-07-20

2017-08-16

陜西科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2013KTCQ)

劉增榮(1954—)，男，陜西西安人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事黃土地區(qū)巖土工程研究。E-mail:656407129@qq.com

TU4

A

1672—1144(2017)06—0221—06