筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的受力機(jī)理和變形試驗(yàn)研究

文 | 程峰，霍宏斌，付秋順，高建輝

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高，風(fēng)電的規(guī)模日益增大，大兆瓦風(fēng)電機(jī)組也逐漸成為主流，新型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的應(yīng)用得到了廣泛的認(rèn)可。其中筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)主要是由混凝土、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)螺桿以及內(nèi)外雙圈波紋鋼筒構(gòu)成，如圖1所示。

通常筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的波紋鋼筒外筒直徑為4.5～6.5m，波紋鋼筒內(nèi)筒直徑為2～4m，埋深為8～12m，波紋鋼筒內(nèi)筒內(nèi)部為回填原土。波紋鋼筒內(nèi)筒與外筒之間為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)螺桿以及高強(qiáng)度混凝土構(gòu)成的結(jié)構(gòu)受力內(nèi)核，波紋鋼筒外筒外部與基坑開挖面之間回填C15混凝土以增加其整體穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)螺桿底部和預(yù)埋在基礎(chǔ)底部的鋼制底環(huán)相連，上部與風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行連接，螺桿使用PE管材料包裹，與混凝土之間隔離形成自由段，施工完畢后通過對(duì)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)螺桿的拉伸，可以使波紋鋼筒內(nèi)外筒之間的高強(qiáng)度混凝土在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中永遠(yuǎn)處于受壓狀態(tài)，合理地利用了混凝土的受壓特性，防止混凝土由于產(chǎn)生拉應(yīng)力而對(duì)筒體造成破壞，同時(shí)省去傳統(tǒng)基礎(chǔ)中為防止混凝土受拉使用的鋼筋用量，基礎(chǔ)的造價(jià)也得到降低。

該基礎(chǔ)介于深埋擴(kuò)展基礎(chǔ)和受側(cè)向荷載的剛性短樁之間，其受力機(jī)理不同于傳統(tǒng)的擴(kuò)展淺基礎(chǔ)或受側(cè)向荷載作用的長(zhǎng)細(xì)柔性樁基礎(chǔ)。筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)周圍土體提供的側(cè)向承載力對(duì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，保證了基礎(chǔ)在巨大彎矩作用下具有足夠高的抗傾覆和抗滑移安全系數(shù)。基礎(chǔ)的主要受力情況如圖2所示。

圖1 筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)

圖2 筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)力學(xué)分析

為了深入理解筒型基礎(chǔ)的受力機(jī)理和變形規(guī)律，本文針對(duì)筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)際工程案例設(shè)置1∶20的微縮模型試驗(yàn)，分別選取典型的粘土與砂土作為地基土，對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行水平靜力加載以模擬風(fēng)荷載。根據(jù)加載結(jié)果得到的基礎(chǔ)失穩(wěn)和位移數(shù)據(jù)，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行受力機(jī)理和變形研究。通過土壓力盒的數(shù)據(jù)，對(duì)基礎(chǔ)周圍土體的變形與受力進(jìn)行相應(yīng)分析，為筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供合理的建議。

模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)是通過在比例縮小模型上進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并檢查設(shè)計(jì)缺陷。通過模擬實(shí)際筒型基礎(chǔ)并對(duì)該模型進(jìn)行加載，研究該基礎(chǔ)的受力狀態(tài)。

一、試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

試驗(yàn)采用1：20縮小比例（幾何尺寸，荷載）模型模擬實(shí)際筒型基礎(chǔ)，如圖3和圖4所示。模型試驗(yàn)用的土箱由鋼板焊接而成，其長(zhǎng)寬高均為1.2m，厚度為8mm。波紋鋼筒內(nèi)外筒由鋼板卷制，外筒和內(nèi)筒直徑分別為24cm和16cm。其中內(nèi)筒高度為47cm，外筒上部還有10cm高的承臺(tái)；為了便于加載水平作用力，在外筒上的承臺(tái)部位焊接一根高強(qiáng)度的中空無縫鋼管，使其將千斤頂?shù)乃阶饔昧鬟f至基礎(chǔ)。將基填土填至73cm的高度后，以土箱正中心為圓心，安裝內(nèi)筒和外筒，內(nèi)外筒間澆筑C40混凝土，同時(shí)制作混凝土檢測(cè)試塊，用以檢測(cè)該混凝土的強(qiáng)度；當(dāng)內(nèi)外筒之間的混凝土澆筑至內(nèi)筒高度，向內(nèi)筒里面回填土，回填土每10cm分層夯實(shí)；待回填土和C40混凝土達(dá)到相同高度，澆筑基礎(chǔ)頂部10cm高的承臺(tái)混凝土。此時(shí)整個(gè)基礎(chǔ)制作完成，最后將基礎(chǔ)周圍的地基土分層夯實(shí)（共分5次加水夯實(shí)），從土箱底部填至土箱表面。

二、試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d

試驗(yàn)采用反撐架裝置作為千斤頂?shù)闹吸c(diǎn)，通過機(jī)械千斤頂施加水平力，千斤頂?shù)乃酵七M(jìn)行程是18cm，重力傳感器置于千斤頂和焊接于基礎(chǔ)的無縫鋼管上用來監(jiān)測(cè)每時(shí)每刻荷載的大小。通過百分表測(cè)量在各級(jí)荷載作用下承臺(tái)頂部與底部的水平位移，用預(yù)埋土壓力盒測(cè)得各級(jí)荷載下土壓力大小。最后在加載完成后，通過鋼尺測(cè)得基礎(chǔ)與土體脫離范圍的深度與寬度。試驗(yàn)中反撐架及千斤頂裝置如圖5所示，整套加載系統(tǒng)示意圖、百分表、加載設(shè)備分別如圖6－圖8所示。

對(duì)粘土和砂土地基情況下的圓筒基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)性加載，采用慢速維持荷載法加載方式進(jìn)行加載試驗(yàn)，具體加載步驟如下：

圖3 基礎(chǔ)材料圖

圖4 基礎(chǔ)模型

圖5 反撐架及千斤頂裝置設(shè)備

圖6 加載系統(tǒng)示意圖

圖7 百分表設(shè)備

圖8 水平加載試驗(yàn)設(shè)備

圖9 基礎(chǔ)水平位移-荷載

（1）粘土地基情況下加載共分20級(jí)，每級(jí)500N，計(jì)劃加載至10kN。砂土地基情況下加載共分40級(jí)，每級(jí)250N，計(jì)劃加載至10kN。（2）每級(jí)維持時(shí)間：通過機(jī)械千斤頂進(jìn)行水平推力加載，以重力感應(yīng)器作為控制加載速率的依據(jù)，粘土地基情況下將加載速率維持在10N/s，即每級(jí)荷載加載需要50s時(shí)間，每級(jí)荷載施加完成后，維持150s的時(shí)間，待位移達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再開始施加下一級(jí)荷載。砂土地基情況下將加載速率維持在5N/s，即每級(jí)荷載加載需要50s時(shí)間，每級(jí)荷載施加完成后，維持150s的時(shí)間，待位移達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再開始施加下一級(jí)荷載。（3）加載終止條件：為防止試驗(yàn)在沒有達(dá)到預(yù)定荷載以前，基礎(chǔ)就已經(jīng)完全失去極限承載能力，當(dāng)試驗(yàn)中出現(xiàn)某級(jí)荷載加不上去、維持不住或承臺(tái)頂部位移達(dá)到0.2D時(shí)，即可終止加載。

圖10 水平位移-荷載

加載結(jié)果分析

通過對(duì)筒型基礎(chǔ)的加載分析基礎(chǔ)失穩(wěn)模式，并且針對(duì)粘土和砂土地基研究基礎(chǔ)的位移與受力的關(guān)系。

一、基礎(chǔ)失穩(wěn)模式分析

受壓側(cè)土體在受到基礎(chǔ)傳遞過來的水平推力后，土體在水平推力作用下，在基礎(chǔ)附近小范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，當(dāng)水平荷載大于這部分土體提供的水平抗力后，土體會(huì)發(fā)生隆起破壞，基礎(chǔ)即失去水平承載能力。筒型基礎(chǔ)更好地利用了基礎(chǔ)周邊土體在自身重力作用下能夠向基礎(chǔ)提供水平力的特點(diǎn)。由于該基礎(chǔ)的剛度遠(yuǎn)大于土層的剛度，因此，可以認(rèn)為基礎(chǔ)在水平極限承載力作用下，基礎(chǔ)本身撓曲變形不明顯。當(dāng)基礎(chǔ)受到水平推力后，會(huì)以距離基礎(chǔ)五分之三的位置為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)水平荷載不斷增大，基礎(chǔ)頂部的位移也隨之增加，當(dāng)基礎(chǔ)周圍土體因強(qiáng)度不夠而失穩(wěn)時(shí)，即認(rèn)為基礎(chǔ)喪失承載能力或被破壞。

二、位移測(cè)量結(jié)果

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007和《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》FD003－2007中均有對(duì)不同輪轂高度情況下風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)傾斜率允許值的相關(guān)設(shè)計(jì)要求。當(dāng)筒型基礎(chǔ)圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)基礎(chǔ)頂部位移數(shù)值和轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置可以計(jì)算出筒型基礎(chǔ)的傾斜率，從而判斷是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。本實(shí)驗(yàn)只對(duì)粘土和砂土兩種地質(zhì)情況下基礎(chǔ)頂部水平位移數(shù)值變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，不詳細(xì)分析具體傾斜率數(shù)值。

針對(duì)粘土和砂土地基，采用百分表讀數(shù)，采集整個(gè)基礎(chǔ)在各級(jí)荷載作用下的水平位移。圖9為粘土和砂土地基基礎(chǔ)在各級(jí)荷載作用下的水平位移。

對(duì)于粘土地基情況，基礎(chǔ)在前期隨著水平荷載的增加，水平位移基本均勻增大，在達(dá)到8kN以后，水平位移會(huì)有陡增的現(xiàn)象，并且隨著水平荷載的不斷增加，每級(jí)荷載下水平位移的增量也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)：在9kN以后承臺(tái)頂部與底部之間的水平位移之差越來越大，最后出現(xiàn)了傾覆的破壞模式。通過這2個(gè)指標(biāo)可以看出，筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在粘土地基情況下，水平極限荷載應(yīng)該在8kN左右。

對(duì)于砂土地基情況，由于當(dāng)水平作用力加載到6kN以后，水平荷載無法繼續(xù)加載?；A(chǔ)的水平位移變化趨勢(shì)同粘土地基相似，前期荷載較小時(shí)，位移增長(zhǎng)較慢，且承臺(tái)頂部與底部的水平位移相差不多，可以近似認(rèn)為基礎(chǔ)在水平荷載作用下以水平推移的方式產(chǎn)生很小的位移，在1kN以后承臺(tái)頂部與底部的位移差才逐漸增大，這時(shí)才產(chǎn)生傾覆的趨勢(shì)。水平位移則在3kN以后有陡增現(xiàn)象，之后與粘土地基情況下的變化相似，隨著水平荷載的不斷增加，水平位移也呈非線性不斷增大的變化趨勢(shì)。

粘土地基和砂土地基的前6kN荷載下的每級(jí)荷載下的水平位移對(duì)比結(jié)果如圖10所示。

對(duì)比6kN荷載下每級(jí)荷載的砂土與粘土地基基礎(chǔ)的水平位移可知，當(dāng)荷載較小時(shí)，粘土的位移大于砂土，但是砂土位移卻增長(zhǎng)較快。通過位移數(shù)據(jù)分析可知，筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在水平荷載作用下，主要會(huì)發(fā)生傾覆破壞形式，且基礎(chǔ)在失去承載能力之前，隨著水平荷載的均勻增大，水平位移也呈線性增加。在水平荷載超過基礎(chǔ)的水平極限荷載以后，基礎(chǔ)的水平位移會(huì)陡增，且以非線性增長(zhǎng)的方式繼續(xù)增大?；A(chǔ)周圍的土體性質(zhì)對(duì)基礎(chǔ)的水平極限承載力有影響，就試驗(yàn)數(shù)據(jù)而言，與砂土相比，粘土作為筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的地基具有更好的基礎(chǔ)水平承載性能。

結(jié)語

攝影：梁家輝

本文通過模型試驗(yàn)對(duì)筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)研究，采用微縮模型分別針對(duì)粘土和砂土地基進(jìn)行水平靜荷載作用下的基礎(chǔ)受力變形特征研究。根據(jù)最后基礎(chǔ)破壞的趨勢(shì)以及土體的破壞情況可以認(rèn)為，筒型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在水平荷載下最后主要發(fā)生傾覆的破壞模式，即基礎(chǔ)相當(dāng)于一個(gè)剛體，以距離基礎(chǔ)自身長(zhǎng)度五分之三長(zhǎng)度的地方作為中心，整個(gè)基礎(chǔ)在水平荷載作用下繞著該點(diǎn)旋轉(zhuǎn)?；A(chǔ)的水平位移在水平荷載沒有超過基礎(chǔ)的水平極限承載力之前會(huì)隨著水平荷載的不斷增大呈線性增加，而當(dāng)水平荷載超過基礎(chǔ)的水平極限承載力之后基礎(chǔ)的水平位移開始會(huì)出現(xiàn)陡增，然后隨著水平荷載不斷增大呈非線性增加的變化趨勢(shì)。通過比較粘土地基和砂土地基在同級(jí)荷載情況下的水平位移可以知道粘土地基的水平承載性能比砂土地基更優(yōu)越一些。隨著水平荷載不斷增大，基礎(chǔ)周圍土體因強(qiáng)度不夠而使基礎(chǔ)最終失穩(wěn)破壞。因此，在后期實(shí)際設(shè)計(jì)筒型基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)了解筒型基礎(chǔ)在不同地質(zhì)情況下的受力原理。

本文通過介紹筒型基礎(chǔ)并描述整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，從實(shí)驗(yàn)制備、加載方案選擇到最后加載結(jié)果分析給以后需要進(jìn)行大直徑基礎(chǔ)水平荷載加載的學(xué)者提供了一些參考性建議，以便今后對(duì)類似的基礎(chǔ)進(jìn)行更深入的研究。