風(fēng)電基礎(chǔ)巖土體動(dòng)參數(shù)選取分析

張 燚，趙云川，饒傳友

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2. 中國(guó)電建四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041)

動(dòng)彈性模量和泊松比是風(fēng)電基礎(chǔ)剛度計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)程規(guī)范、手冊(cè)并未給予一個(gè)較為準(zhǔn)確的取值建議；其中《陸上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10311-2019)[1]在地基計(jì)算章節(jié)內(nèi)提到了地基動(dòng)態(tài)剛度驗(yàn)算，計(jì)算的參數(shù)主要為巖土體泊松比和基礎(chǔ)底面土層土壤的動(dòng)態(tài)壓縮模量，但規(guī)程的正文和條文說(shuō)明對(duì)參數(shù)如何取值并沒(méi)有給出一個(gè)較為可行的方案；而據(jù)該規(guī)程要求參照《工程地質(zhì)手冊(cè)》[2](第五版)在表3-1-25給出了各類土在靜止?fàn)顟B(tài)下的側(cè)壓力系數(shù)及泊松比取值，在該手冊(cè)中提出了動(dòng)泊松比基于波速測(cè)試成果的取值計(jì)算公式，而動(dòng)、靜泊松比的取值及關(guān)系并未明確給出；而在表3-9-4中提出了各類土的靜彈性模量與動(dòng)彈性模量的取值，比較模量的靜動(dòng)比，砂類、礫石類土的比值在2～4之間，而黏性土的比值在3～18.75之間，所以規(guī)范[1]提出的可參考手冊(cè)[2]取值的無(wú)可行性。

DNV《Guidelines for design of the wind turbine》[3]在基礎(chǔ)章節(jié)提出了剪切模量及泊松比的取值；泊松比的取值：密實(shí)的砂土0.25～0.30、松散的砂土和堅(jiān)固的黏性土0.35～0.45、飽和黏性土≈0.50；而剪切模量是先依據(jù)孔隙率、圍壓、超固結(jié)度或不排水強(qiáng)度等求取初始剪切模量，然后基于風(fēng)電基礎(chǔ)可能在風(fēng)荷或海洋波浪荷載作用下的應(yīng)變范圍在10-2，典型在10-3情況下在土動(dòng)力試驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)曲線上選擇折減系數(shù)后，計(jì)算出動(dòng)剪切模量。

國(guó)內(nèi)基于巖體泊松比參數(shù)的試驗(yàn)主要是壓縮試驗(yàn)和波速測(cè)試，而巖體參數(shù)上的差異性不大，而對(duì)于土體參數(shù)的試驗(yàn)，在《土動(dòng)力學(xué)原理》[4]一書(shū)中提出了在不同的試驗(yàn)可能有不同的范圍，其中三軸壓縮、單剪、扭剪的大致應(yīng)變范圍在10-2，強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)在10-4～10-2之間，自由振動(dòng)試驗(yàn)在10-3～10-2之間，波速測(cè)試≈5×10-4。

而國(guó)內(nèi)基于泊松比參數(shù)取值的研究中多是基于飽和土的泊松比研究，比較有代表性文獻(xiàn)有：

文獻(xiàn)[5] 是對(duì)飽和土的泊松比及含氣體量對(duì)它的影響進(jìn)行了研究，提出了總泊松比和有效泊松比的概念，同時(shí)提出了基于波速測(cè)試成果的有效泊松比的計(jì)算公式，而在實(shí)際驗(yàn)算中可知該公式計(jì)算誤差較大，而總泊松比的結(jié)果與手冊(cè)[2]中計(jì)算的泊松比基本一致，飽和態(tài)在0.50左右[5]。

文獻(xiàn)[6]對(duì)上海軟土的靜止側(cè)壓力系數(shù)的分布和變化規(guī)律的研究，采用理論分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方式，對(duì)上海地區(qū)軟土的模擬動(dòng)力條件下的側(cè)壓力系數(shù)值約為瞬時(shí)加荷“不排水”條件下的側(cè)壓力系數(shù)的0.8；鑒于泊松比和側(cè)壓力系數(shù)的相關(guān)性，可推算上海軟土在動(dòng)力條件下的動(dòng)泊松比在0.444左右[6]。

文獻(xiàn)[7]對(duì)粘性土的側(cè)壓力系數(shù)進(jìn)行了分析，確定固結(jié)對(duì)側(cè)壓力系數(shù)的影響較大，該文提出粘性土的側(cè)壓力系數(shù)在加荷瞬間的側(cè)壓力系數(shù)為1.0(泊松比為0.5)，隨著固結(jié)度的變化側(cè)壓力系數(shù)逐漸變小，最后側(cè)壓力系數(shù)調(diào)整為一個(gè)臨界值(有效泊松比)；而該文獻(xiàn)提出砂土的靜止側(cè)壓力系數(shù)變化范圍不大0.4～0.5；從這篇論文可知：泊松比在荷載作用下是一個(gè)在有效泊松比與總泊松比之間的一個(gè)變化值[7]。

文獻(xiàn)[8]對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)的取值可知可用有效內(nèi)摩擦角、塑性指數(shù)、毛細(xì)壓力和孔壓系數(shù)、三軸試驗(yàn)、扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、原位應(yīng)力鏟試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)等獲取[8]。

文獻(xiàn)[9]用簡(jiǎn)化方法求算了粘性土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，在總結(jié)了雅基、布魯克爾、山口、波克羅夫斯基對(duì)于側(cè)壓力系數(shù)的計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，通過(guò)推導(dǎo)得出靜止側(cè)壓力系數(shù)：

對(duì)于非飽和土，黏聚力和內(nèi)摩擦角按固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果[9]。

根據(jù)試驗(yàn)可知，應(yīng)用《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)[10]可知，土體的泊松比的求取同時(shí)受到應(yīng)力變化而發(fā)生變化的，而在固結(jié)試驗(yàn)可知，土體的壓縮模量隨著固結(jié)應(yīng)力的變化也是變化的。

從上述參考文獻(xiàn)可知：巖土體的壓縮模量和泊松比受到動(dòng)力荷載頻率(排水條件、變形范圍)、圍壓、巖土體自身的特性等影響，因此如何合理選擇這兩個(gè)參數(shù)，是風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)剛度計(jì)算的關(guān)鍵。

1 工程概況

越南某風(fēng)力發(fā)電廠位于越南東南太平樣海岸，位于古氈河與湄公河之間的河口沖積堆積地帶，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)塔筒高度為140 m，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用群樁承臺(tái)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋置深度30～50 m不等，要求地質(zhì)專業(yè)提供動(dòng)態(tài)壓縮模量及靜泊松比；地基土主要分為8層，見(jiàn)表1。

表1 土層描述及波速測(cè)試成果

本項(xiàng)目進(jìn)行了波速測(cè)試(見(jiàn)表1)、取樣室內(nèi)土工試驗(yàn)進(jìn)行了常規(guī)測(cè)試、CU試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了不排水測(cè)試等。

根據(jù)DNV《Guidelines for design of the wind turbine》[3]Table8-7彈性樁表格可知樁承臺(tái)基礎(chǔ)的水平剛度和旋轉(zhuǎn)剛度主要受到樁的楊氏模量和地基土底層的楊氏模量的影響；而業(yè)主方一直要求提出土層的動(dòng)態(tài)壓縮模量和靜止泊松比，因此在第3節(jié)中將對(duì)各層土的壓縮模量和泊松比進(jìn)行分析計(jì)算并取值。

2 動(dòng)參數(shù)分析及取值

根據(jù)可行性研究成果可知各土層各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土層物理力學(xué)測(cè)試成果

壓縮模量結(jié)果可能受到取樣擾動(dòng)的影響，試驗(yàn)成果可靠性較低，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推薦各土層的壓縮模量及采用文獻(xiàn)[9]計(jì)算的總泊松比和有效泊松比，及用波速測(cè)試的動(dòng)泊松比和動(dòng)壓縮模量見(jiàn)表3。

表3 土層泊松比計(jì)算統(tǒng)計(jì)成果

從上述泊松比計(jì)算結(jié)果可知，飽和態(tài)的粘性土還是砂土在波速測(cè)試(應(yīng)變?cè)?×10-4)的泊松比接近于0.50，采用直接剪切強(qiáng)度的時(shí)候，由于受到排水條件的限制，泊松比比較接近于總泊松比，而采用CU剪試驗(yàn)，在考慮孔隙水壓力的情況下計(jì)算的泊松比應(yīng)該是更接近于靜止泊松比。

從表4可知：采用波速測(cè)試推算的動(dòng)壓縮模量在低圍壓下300 kPa(15 m深)下，數(shù)值量級(jí)和采用文獻(xiàn)[3]的基本一直，但隨著圍壓的增加，量值差異逐漸加大，在圍壓達(dá)到1 000 kPa(50 m深)左右，前者竟達(dá)后者的5.5倍；主要原因是波速測(cè)試受圍壓的影響相對(duì)較大，而采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算成果較為穩(wěn)定。

表4 土層壓縮模量計(jì)算統(tǒng)計(jì)成果

因此越南某風(fēng)力發(fā)電廠，若按照文獻(xiàn)[3]提供計(jì)算剛度的土層楊氏模量應(yīng)該是第⑥土層，建議取值218×0.3≈65 MPa。

泊松比的取值，應(yīng)該是受到應(yīng)變速率的影響較大，在現(xiàn)階段，對(duì)于飽和土的泊松比的取值的問(wèn)題僅文獻(xiàn)[6]中側(cè)壓力系數(shù)的基礎(chǔ)上換算出來(lái)了一個(gè)值，上海飽和粘性土和本工程的土層③的特性基本一致，因此在以有效應(yīng)力計(jì)算的有效泊松比為基礎(chǔ)上，考慮總泊松比，按照這兩個(gè)點(diǎn)的中點(diǎn)作為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的泊松比取值是可行的，而砂類土由于排水條件較好，泊松比建議取值有效泊松比；非飽和土建議取值有效泊松比，見(jiàn)表5。

表5 基礎(chǔ)動(dòng)剛度計(jì)算參數(shù)推薦值

3 風(fēng)電基礎(chǔ)動(dòng)參數(shù)選取原則及流程

風(fēng)電基礎(chǔ)的動(dòng)參數(shù)的選擇一定要注意動(dòng)參數(shù)是在一定的動(dòng)應(yīng)變(10-2，典型10-3)對(duì)應(yīng)，同時(shí)要考慮動(dòng)荷載作用下導(dǎo)致孔隙水壓力消散對(duì)泊松比等參數(shù)的影響。泊松比的取值應(yīng)在雅基公式的基礎(chǔ)上計(jì)算有效泊松比，總泊松比可采用不固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度計(jì)算，飽和度大于90的粘性土或砂土的總泊松比可取值0.5；砂土的計(jì)算泊松比建議取有效泊松比或有效泊松比與總泊松比之間0.25分位值；飽和粘性土建議取有效泊松比和總泊松比的平均值；非飽和土的泊松比建議取有效泊松比。

波速測(cè)試推算的動(dòng)壓縮模量在基礎(chǔ)埋深8 m以內(nèi)，可按照0.3的乘積作為基礎(chǔ)剛度計(jì)算的動(dòng)壓縮模量；在軟弱土層較厚的土層中，由于受到土層重力的影響，深度差異較大；建議按照DNV《Guidelines for design of the wind turbine》內(nèi)相關(guān)公式計(jì)算。

從DNV《Guidelines for design of the wind turbine》可知：實(shí)際計(jì)算參數(shù)的變化誤差在50%以上，考慮試驗(yàn)取樣等因素的影響，可能誤差達(dá)到100%以上，但對(duì)于風(fēng)基選型來(lái)說(shuō)，若地基土不是軟土，一般情況下計(jì)算基礎(chǔ)的剛度均滿足相關(guān)要求，尤其是巖石地基或樁基承臺(tái)基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)越南某風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)參數(shù)選取分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)風(fēng)電基礎(chǔ)的動(dòng)參數(shù)的選擇一定要注意動(dòng)參數(shù)是在一定的動(dòng)應(yīng)變(10-2，典型10-3)對(duì)應(yīng)，同時(shí)要考慮動(dòng)荷載作用下導(dǎo)致孔隙水壓力消散對(duì)泊松比等參數(shù)的影響；

2)波速測(cè)試的動(dòng)壓縮模量在淺部可作為動(dòng)壓縮模量參數(shù)值，并采用0.3的修正，而在深度不可使用；

3)規(guī)程[1]和手冊(cè)[2]上的動(dòng)參數(shù)沒(méi)有應(yīng)變邊界條件，可參照DNV《Guidelines for design of the wind turbine》確定試驗(yàn)環(huán)境、應(yīng)變情況、使用條件等邊界條件。

4)DNV《Guidelines for design of the wind turbine》對(duì)于G(和動(dòng)壓縮模量相關(guān))的參數(shù)計(jì)算的誤差較大，考慮取樣、試驗(yàn)誤差等，實(shí)際誤差均較大，若地基土不是軟土，一般情況下計(jì)算基礎(chǔ)的剛度均滿足相關(guān)要求，尤其是巖石地基或樁基承臺(tái)基礎(chǔ)。

5)本文的相關(guān)分析成果，均是主要參考前人的經(jīng)驗(yàn)公式和試驗(yàn)過(guò)程中可能的變化，基于泊松比的選擇上欠缺較大，對(duì)于基礎(chǔ)剛度的問(wèn)題，建議在各類覆蓋層地基上的風(fēng)電基礎(chǔ)多做一些原位監(jiān)測(cè)測(cè)試，用反分析的方法來(lái)解決計(jì)算粗燥的問(wèn)題應(yīng)該是可行且合適的；在現(xiàn)有的研究和水平下，本文對(duì)參數(shù)的分析和取值可作為類似工程動(dòng)參數(shù)取值的參考。