沈懿洁

1 工程概述

上海某风电场,采用国产某型号风机,单机容量2.0 MW,轮毂高度80 m。场址地势平坦,处于河口、沙嘴、沙岛地貌与潮坪地貌两种地貌类型的交汇过度地段。地质勘察资料表明,该地段土层的埋深、厚度与土性较为稳定。

由于风力电机塔架高,基础面积小,加之受风力影响,为防止塔身倾斜,因此对基础要求深入土层以保证其稳定可靠,天然地基不能提供相应的抗拔、抗倾覆等力,需采用桩基础。从揭露的土层来看,地基土主要由②3a层砂质粉土、②3b层砂质粉土,④层淤泥质黏土,⑤1层粉质黏土,⑥层黏土,⑦1a层砂质粉土、⑦1b层粉砂及⑦2层粉砂组成。②3a层砂质粉土与②3b层砂质粉土,稍密～中密,中等压缩性,土质尚可,但埋深浅,不能作为本工程风机塔基的桩端持力层,但对本工程桩基有利。④层淤泥质黏土和⑤1层粉质黏土为软土,软塑～流塑状,高压缩性,承载力低,土性差,埋深浅,不能作为本工程的桩端持力层。⑥层黏土,性状较好,中等压缩性,可塑～硬塑,但厚度较小,埋深浅,不能满足抗拔、抗倾覆等要求,不能作为本工程的桩端持力层。⑦1a层砂质粉土、⑦1b层粉砂与⑦2层粉砂性状好,中等～低压缩性,中密～密实,埋深与厚度合适,均可作为本工程的桩端持力层。⑦1a层砂质粉土与⑦1b层粉砂可优先考虑作为本工程的桩端持力层。

2 桩顶作用效应计算

2.1 按现行国家标准规定计算

根据FD003-2007风电机组地基基础设计规定7.2.2条规定,荷载效应采用标准组合,厂家提供的荷载标准值应修正为荷载修正标准值,荷载修正安全系数取为1.35。基础结构安全等级为一级,结构重要性系数为1.1。

初步确定风机基础形式和尺寸为:桩基承台分为上下两部分,上部为圆台体,下部为圆柱体。根据风机塔架荷载特点,在承台底部分别沿半径R1=8.0 m和R2=3.0 m的两圈圆周均匀布置16根和4根直径0.8 m的钻孔灌注桩,共 20根。

根据GB 50007-2002建筑地基基础设计规范、FD003-2007风电机组地基基础设计规定和JGJ 94-2008建筑桩基技术规范的有关规定,计算桩顶作用效应,结果见表1。

表1 极端荷载工况下桩顶作用效应计算结果——修正标准值 kN

2.2 按上海地方标准规定计算

由于本工程位于上海市,故除采用国家现行行业规范进行设计计算外,还应采用上海市工程建设规范DGJ 08-11-1999地基基础设计规范对桩基础进行设计计算。

根据FD003-2007风电机组地基基础设计规定和DGJ 08-11-1999地基基础设计规范6.2.1条的规定,计算时所用到的荷载设计值=荷载分项系数×荷载修正安全系数×厂家提供的荷载标准值。计算结果见表2。

表2 极端荷载工况下桩顶作用效应计算结果——修正设计值 kN

2.3 结果分析

上述计算结果的差异,是由于相应规范中设计表达式的不一致引起的。设计表达式包括现行国家标准GB 50153工程结构设计可靠性统一标准、各行业结构设计统一标准、国家各工程领域的设计标准与行业规范以及各地的地基基础地方规范在内的各类规范,情况各不相同(见表3)。

表3 地基承载力计算设计表达形式对比

正是由于表3所表示的差别,使得计算结果有较大的差别,在无法确定何种规范起控制作用时,应在设计工作中同时予以考虑。

3 试桩力计算与分析

按国家标准计算,单桩极限抗压承载力标准值为2 392×2.0=4 784 kN,试桩下压力应不低于4 784 kN;单桩极限抗拔承载力标准值为702×2.0=1 404 kN,试桩上拔力应不低于1 404 kN。

按上海规范计算,单桩极限抗压承载力标准值为3 601×1.6=5 762 kN,试桩下压力应不低于5 762 kN;单桩极限抗拔承载力标准值为1511×1.6=2 418kN,试桩上拔力应不低于2 418kN。

按照国家标准计算的试桩下压力为按上海规范计算的83.0%,而上拔力却只有58.1%。为什么上拔力计算结果如此悬殊,原因在于风电工程荷载的特殊性。

表4是风电机组制造商提供的一组极端工况荷载标准值。表4中的扭矩、水平力及水平弯矩均为活载,恒载只有竖向力。

对比JGJ 94-2008建筑桩基技术规范公式5.1.1-2和上海工程建设规范DGJ 08-11-1999地基基础设计规范公式6.2.1-3,可知结果差异在于后者存在荷载分项系数及结构重要性系数。按照FD003-2007风电机组地基基础设计规定的规定,活荷载分项系数=1.5(极端和正常运行荷载工况的水平合力、水平合弯矩、扭矩。结构重要性系数取1.1),恒荷载分项系数=1.0(极端和正常运行荷载工况的竖向力、承台和上覆土重。对上拔桩不利,结构重要性系数取1.0),1.2(极端和正常运行荷载工况的竖向力、承台和上覆土重。对下压桩不利,结构重要性系数取1.1)。

表4 厂家提供的荷载标准值(x方向为竖向)

JGJ 94-2008建筑桩基技术规范中计算单桩竖向极限承载力标准值的安全系数K=2.0,而DGJ 08-11-1999地基基础设计规范中相应的参数单桩竖向承载力分项系数 γR=1.6。一般工程中,总荷载中恒载占较大比例。因此按照恒载分项系数1.2和活载分项系数 1.4～1.5来加权平均,约等于1.25～1.30,正好与K/γR=1.25接近,使得一般工程使用两种规范的计算结果不会有太大的偏差。但是对于风电工程,由于风力等活载引起的荷载对单桩竖向受力计算结果的比重较大,使得加权平均后的荷载分项系数接近于1.50,并且承载能力基本状态下的基本组合需要考虑结构重要性系数,使得使用两种规范的计算结果偏差过大。

4 结论和建议

1)由于风电工程荷载的特殊性,分别按照国家标准和上海地方标准计算得到的单桩竖向受力及试桩力偏差较大,主要原因是活载占总荷载中的比重过大。2)在无法确定何种规范起控制作用时,应在设计工作中同时予以考虑。

[1] JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S].

[2] FD003-2007,风电机组地基基础设计规定(试行)[S].

[3] GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].

[4] DGJ 08-11-1999,地基基础设计规范[S].

[5] 王振科.桩的抗拔稳定性分析与研究[J].山西建筑,2008,34(2):110-111.