曾王强

（上海寰蔚电力工程有限公司，上海 200002）

0 引言

风机基础在水平载荷下背风侧及迎风侧地基压应力差别明显，这会产生较大不均匀沉降。高耸结构对不均匀沉降敏感，且如果地基主要受力层内有软弱夹层，对基础沉降分析更为重要。

1 项目概况及场址地质条件

Abay风电项目设计安装47台远景EN3.2-141风力发电机组。北片区为密实中砂~粗砂地基，承载力不小于280kPa，变形模量不小于30.0MPa，地质结构简单，设计采用天然地基重力式基础。南部场区有6台机位地基情况复杂，通过现场静力触探试验结果，埋深约-4.2~-10.1m处锥尖阻力出现陡降，换算出的比贯入阻力仅1.4~4.6MPa，此处存在局部软弱夹层，如表1、表2所示。

表1 南部场区6台基础尺寸参数

表2 南部场区6台机位代表性地质参数

2 基础结构计算

2.1 荷载工况与分项系数取值

本项目基本地震加速度0.05g，符合国内设计标准6度区的定义，其多遇地震工况和罕遇地震工况均不会其控制作用，而应重点关注正常运行工况及极端荷载工况下的基底应力、脱开比控制、滑移及倾覆、配筋及裂缝计算等。

除预制桩复合地基，基础本身为常规重力式基础。重力式基础原理为依靠基础及其上拔角范围内土体的自重以抵抗基础水平力及弯矩，因此对于地下水，因其会产生浮力，在设计过程中因注意考虑其不利影响，地下水位以下混凝土及土体均应采用浮重度。

根据规范，基础及土体自重荷载分项系数取1.2（不利）/1.0（有利），风荷载等活荷载取1.5（不利）/0（有利），另外尚需考虑结构荷载计算模型不确定性带来的安全修正系数k0=1.35，如表3所示。

表3 风机基础设计荷载

2.2 抗扭转滑移及抗倾覆验算

2.2.1 抗扭转滑移验算

风机运行主要承受水平荷载。大风天气、风机偏航会造成扭转弯矩MTS，风机基础有扭转进而滑移的趋势，而基础对地基巨大的压力产生一个静摩擦力，若静摩擦力产生的扭矩MTR大于扭转弯矩MTS的1.3倍，则滑移验算通过。

式中：G-基础及上拔角范围内填土的重度；μ-混凝土基础和地基的摩擦系数，根据经验取为0.2。

2.2.2抗倾覆验算

基础抗倾覆验算主要考虑基础、填土和塔架结构重力之和产生的抗倾覆弯矩MR，与水平荷载产生的倾覆力矩MS之比，若其比值大于1.6则抗倾覆验算通过。

根据计算，风机基础抗扭转滑移及抗倾覆计算均满足要求。

2.3 配筋计算与抗冲切验算

2.3.1 基础底板径环向配筋计算

风机基础底座为一变截面悬挑板，受力明确。取悬挑板根部单位宽度矩形截面下部径向受力钢筋的计算为例，来论述其计算方法。

悬挑板根部截面高度h=2.8m，板底保护层厚度c=0.08m，截面有效高度h0=h-c-0.015=2.705m，根据有限元分析，底部弯矩为M=4371.909kN·m，按单筋截面梁计算，混凝土相对受压区高度：

由《混凝土结构设计规范》得：

实配钢筋6187.5mm2（28+32@4.09°），满足最小配筋要求：0.15%bh=4200.0mm2。

2.3.2 抗冲切验算

基础承受上部结构传来的弯矩，在基础底板产生基底反力。此时会在底板与台柱交界处（悬挑板根部）产生冲切作用，因此需对基础底板抗冲切承载力进行验算。

由2.3.1可知，冲切锥形截面有效高度h0=2.705m，基础抗冲切承载力：

式中：βh-受冲切承载力截面高度影响系数，当h0≤800mm时，取1.0，当h0≥2000mm时取0.9，中间线性插值，此处h0=2.705m，因此βh=0.9。

bt为冲切破坏锥体斜截面的上边圆周长：

bb为冲切破坏锥体斜截面的下边圆周长：

冲切椎以外的荷载：

式中：p-根据规范公式得到的极端荷载工况下基底平均反力。

验算：

γ0Fl=1.1×18900=20790kN≤Fb=84225.118kN，抗冲切承载力满足要求。

2.4 锚栓灌浆层局部受压承载力计算

当前风机塔筒与基础普遍采用预应力锚栓进行连接。上部结构荷载通过荷载分散板（上、下锚板）传递到基础主体混凝土上，局部压应力很大且上部结构调平，通过高强度灌浆层进行过渡，因此需要对混凝土局部受压承载力进行验算，这主要包括上锚板与灌浆层之间、灌浆层与基础顶部混凝土之间、预埋下锚板与内部混凝土之间的局部受压承载力验算。以上锚板与灌浆层之间局部受压承载力验算为例，来论述其计算方法。

背风侧灌浆层所受压力最大，考虑单位区隔内锚栓预拉力、及对应锚板和垫片刚度分配到的塔筒压力，换算得到的局部最大压力为：

局部受压净面积：

灌浆层局部压应力：

灌浆料标号C90，其强度设计值：

验算之：

3 预制桩复合地基设计

本项目6台风机基础涉及局部软弱夹层，基础在偏心荷载作用下，局部沉降会超出限值（4‰）。考虑到软弱夹层较厚（＞3m），采用换填处理经济性不合理且回填土质量难以控制，若采用桩基础，则由于下卧层较硬，易成桩困难，且有效桩长较短，基桩抗拔承载力难以满足要求。通过在软弱夹层中打入一定数量的预制短桩，使桩-土共同承担基础压力，增大地基承载力与变形模量，保证地基变形处于允许的范围内。

根据《建筑地基处理技术规程（JGJ79—2012）》9.3.2及7.1.5、7.1.6，考虑采用300×300实心方桩（桩长6m）对地基进行加固。根据CPT实验报告，基础底部一定范围内软弱土承载力fsk=160kPa，计算得到的预制桩单桩竖向承载力Ra=461.5kN，预制桩单桩承载力发挥系数λ=0.7。

基底正方形布桩，预制方桩等效成圆桩，桩径为：

布桩时桩间距控制为：s=5d=1.70m

面积置换率为：

由此，计算可得复核地基承载力为：

基础在极端工况下，基底最大偏心压力为238kPa，承载力满足设计要求。

根据规范7.1.8，地基处理后的变形模量增大系数可取：

为保证桩土协同作用，预制桩顶面与基础底面之间需设置一定厚度的褥垫层，以保证基底压力能通过桩间土和基桩的刚度分散。褥垫层可采用中砂、粗砂、级配碎石等，厚度为300mm。

重新计算基础不均匀沉降，采用岩土专业有限元软件PLAXIS3D来计算基础在极端荷载作用下的地基不均匀沉降，并比较采用预制桩与不采用预制桩时基础沉降的差别。

4 有限元计算分析基础沉降

沉桩时表层土较硬需采取引孔处理，采用PLAXIS3D软件中Embedded-Pile各土层采用摩尔库伦本构，并考虑地下水位为-4m，相应岩土力学参数详见表2。

开挖基坑后施工预制桩→平铺褥垫层→施工垫层及基础本体→回填压实→风机运行承受荷载

在施工完基础本体、风机吊装但未运行的状态下，因无偏心荷载作用，基础沉降未出现不均匀沉降，最大沉降量为27.13mm。

在风机运行加载后，极端工况下地基出现不均匀沉降，未采用预制桩加固时，背风侧最大沉降量83.47mm，迎风侧基础发生脱开，竖直向上位移为22.07mm。基础倾斜率：

采用预制桩进行加固后，背风侧最大沉降量70.75mm，迎风侧基础发生脱开，竖直向上位移为11.79mm。基础倾斜率：

计算中采用的摩尔库伦本构并不能考虑地基土在受荷后的硬化效应，因此计算得到的倾斜率会比实际结果偏大。但仍能发现，采用预制桩加固后基础倾斜得到了有效控制，同时地基承载力也能满足基底最大压应力的要求。

5 结论

目前，新能源发展趋势下遇到复杂地质地貌的情况越来越多，风机基础作为保证风机正常运行的关键结构，其设计稳定性至关重要。本文介绍了一个典型的复杂软弱夹层地基结构设计思路，具有一定的指导意义。