P＆H 无张力灌注桩风机基础承载特性的数值研究①

吴楚乔，贾敏才，霍宏斌

(1.同济大学地下建筑与工程系，上海200092;2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092;3.恩格工程咨询(北京)有限公司，北京100010)

目前，我国主要开发陆上风电场，作为风电机组的固定端，其最常用的基础形式是重力(扩展)式基础［1－2］.无张力灌注桩基础是一种新型的风机基础形式，由于其造价低廉、稳定性高、适用性广的特点越来越受欢迎［3，4］.由于风机荷载的特殊性，风机基础会受到较大的水平力和弯矩，重力式扩展基础依靠基础本身重力和基础下卧土的承载力来承担作用于基础上部的轴向力和弯距，水平力由基础下卧土的摩擦阻力承担.而P＆H 无张力灌注桩基础主要由环形基础周围土的水平承载力承载基础所受的水平荷载和弯距，提高基础抗倾覆、抗滑移、和水平承载的能力.P＆H 无张力灌注桩的主体为后张拉空心混凝土圆柱体，一般外径3.5 ～5m，内径2.5 ～3m，通常埋深在9 ～11m，结构与受力示意图见图1.上部风机荷载通过法兰盘传给锚杆，锚杆再将荷载传至基础内部.施加在锚杆上的预应力可能会影响基础的变形和基础内部的应力分布，本文主要以陕西某风电场的P＆H 无张力灌注桩风机基础为分析对象，通过FLAC3D 数值软件分析锚杆对整个基础的作用，以及锚杆预应力对基础变形和内部应力分布的影响.

1 FLAC3D 模型建立

1.1 几何模型建立

采用FLAC3D 有限差分软件对新型P＆H 无张力灌注桩风机基础进行建模模拟，计算选取的几何模型如下:CMP 波纹筒内筒直径3.2m，长10.1m，外筒直径4.8m，长10.5m;内筒底部1m 厚底板，基础顶部0.4m 厚;沿半径R=2.0m 的圆周均匀布置92 根长11m 预应力高强锚杆，锚杆直径40mm;建立24cm 宽的法兰盘;计算区域为长30m，宽30m，深25m 的长方体区域.基础、法兰盘和土体选用实体单元，锚杆选用锚杆结构单元.模型剖面图见图2，基础三维剖面图见图3.

图1 P＆H 无张力风机基础结构和受力示意图

图2 FLAC3D 模型剖面图

图3 基础三维剖面图

图4 施加荷载前基础内部应力分布云图

1.2 接触面和边界特性

基础受偏心力作用，法兰盘与基础、基础与周围土体及基础与底部土体会出现脱离，故基础与周围土层、基础与底部土体之间和基础与法兰盘之间考虑接触面单元.其中基础与法兰盘之间接触为抗拉粘粘模型，基础受法兰盘压力作用时，两者共同变形，若受拉力作用时，法兰盘与基础之间发生脱离、滑移.其余接触面设为库仑剪切模型.模型下部边界全部固定，侧边界只固定其边界面的法向.

1.3 计算参数选取

基础和法兰盘采用弹性模型;土层选用摩尔－库伦模型，为理想弹塑性型模型.锚杆选用锚杆单元，锚杆顶部与法兰盘锚固，锚杆底部与基础锚固，锚杆与基础之间不设置灌浆属性(即只有自由段).计算参数见表1.

表1 计算参数

1.4 荷载施加

基础受到上部风机传来的竖向荷载、剪力、弯矩荷载及扭矩，计算中，将弯矩等效转化为作用在各锚杆顶端的竖向集中力，扭矩转化为水平剪力，并与竖向力和水平力叠加，锚杆再将这些集中力传递给相应的实体单元.本文只研究基础、锚杆与土体的受力，所以不考虑上部结构的具体形式.计算采用的荷载是此类型风机所受到的极限荷载，具体见表2.

表2 计算荷载

2 P＆H 无张力灌注桩基础的承载特性

2.1 锚杆的承载特性

采用FLAC3D 数值特有方法在锚杆上施加650kN 的预应力，平衡后最终在锚杆中的实际预应力为643kN 左右.锚杆与基础之间采用PE 套管，除了顶部和底部与基础相互作用，中间部分没有锚固作用.计算也表明锚杆长度范围之内轴力没有变化，均相同.施加荷载后，各锚杆轴力变化都较小，锚杆所受到的最大最小轴力见表3.法兰盘与基础之间保持接触，基本没有脱离.

表3 锚杆的最大和最小轴力

图5 基础内部应力分布云图

图6 锚杆底部基础应力分布云图

图7 基础竖向位移二维剖面云图

2.2 基础的承载特性

施加极限荷载之前，加锚杆预应力之后，基础内部应力云图如图4.基础绝大部分受压，每根锚杆周围的混凝土受压应力较大，锚杆与基础锚固处，也就是法兰盘底部和锚杆底环处应力集中.法兰盘下最大应力为15.2MPa.锚杆底环下部基础出现部分拉应力区，最大拉应力为2.7MPa.

施加荷载后，基础内部竖向应力集中现象更为明显，主要集中在法兰盘底部和锚杆底环处，但底环处的基础受力比法兰盘底部小很多.基础内部应力分布见图5，锚杆底部基础应力分布见图6.法兰盘受压部分下部、锚杆周围的压应力较大，法兰盘下最大集中压应力为31.2MPa，锚杆底环处最大集中压应力为6.8MPa.底环下部最大拉应力为2.9MPa，但范围很小.另外，基础内部会出现局部拉应力区，但均不会超过混凝土抗拉强度.

图8 去除锚杆后基础内部应力分布云图

图9 最大轴力与预应力差值与预应力的关系曲线

图10 最大轴力与预应力差值与预应力的关系曲线

基础的竖向位移沿垂直倾斜方向变化相对较均匀，基础的变形整体性非常好，主要表现为产生一定程度的整体倾斜，基础本身的变形很小，基础竖向位移二维剖面云图见图7.

3 锚杆对基础承载特性的影响

3.1 锚杆在基础中的作用

基础中锚杆长度为11m，是基础的重要组成部分，将上部风机荷载传递到底部基础中，在模型中去除锚杆，研究没有锚杆的P＆H 风机基础的受力和变形的变化.图8 是去除锚杆后基础内部应力分布图云图，与图5 相比，拉应力区明显扩大，最大拉应力出现在基础顶部，最大值拉应力值为15.6MPa，是有锚杆存在的基础的最大拉应力的5 倍.基础顶部一部分混凝土受到的拉应力已超过了其抗拉强度的设计值.基础受到的最大压应力仍然出现在法兰盘下部，最大值为31.6MPa，与存在锚杆的基础的最大压应力值接近.基础仍然保持整体倾斜，倾斜率和有锚杆存在时相比基本保持不变.因此，锚杆的作用不仅仅在于传递荷载，更重要的是调整基础内部应力分布，使大部分基础处于受压状态.

3.2 锚杆预应力的影响

这里研究不同预应力大小对锚杆轴力、基础受力和变形的影响，所施加的预应力大小分别为590kN，610kN，630kN，650kN，670kN.从图9 可知，当锚杆预应力小于670kN 时，锚杆所受的最大轴力与预应力之间的差值随预应力的增加基本呈线性递减，最大差值约为95.6kN.图10 表明在计算所施加的预应力范围内，锚杆所受最小轴力与预应力之间的差值基本不变，保持在14.5kN 左右.另外，基础受极端荷载作用，锚杆受到最大拉力处，法兰盘与基础可能会发生脱离，预应力的大小会影响脱离量.通过计算可知，预应力为590kN 时，法兰盘与基础之间的最大分离量可达4mm.预应力达到650kN 后，法兰盘与基础基本保持接触，未见分离.改变预应力后，整个P＆H 无张力灌注桩基础仍然保持整体变形，倾斜率基本不变.基础内部应力分布基本没有变化，但由于预应力的增加，初始应力状态下法兰盘下的局部集中应力值会略有增加，导致最终在极限荷载作用下法兰盘下的局部集中应力值也会略有增加.

因此，需要选择合理的锚杆预应力才能满足基础的设计要求，本基础中选择650kN 的预应力是较为合适的.

4 结 论

本文通过有限差分软件对新型风机基础P＆H无张力灌注桩基础进行数值模拟，得出以下结论:

(1)极端荷载作用下，基础内部大部分区域受压，法兰盘底部和锚杆底环处有明显的应力集中.基础本身变形很小，主要发生整体倾斜.

(2)P＆H 无张力灌注桩基础中的锚杆除了将上部荷载传递到整个基础外，还能调整基础内力，使大部分基础处于受压状态.锚杆本身对基础整体变形影响较小.

(3)锚杆预应力的大小会影响法兰盘的变形，预应力过小会导致法兰盘与基础之间发生脱离，设计过程中需要选择适当的锚杆预应力.预应力的改变对基础整体倾斜和受力影响较小.

［1］ 吕靖峰.我国风能产业发展及政策研究［D］.北京:中央民族大学，2013.

［2］ 王学文，霍宏斌，Shelton L.Stringer.对单墩P＆H 无张力新型风电机组基础的对比研究［J］.北京:风能，2012，01:70－74.

［3］ 陈锐，霍宏斌，王尔贝，曹驰.复合荷载作用下锚杆重力式海上风机基础的地基承载特性［J］.中国海洋平台，2013，05:40－44.

［4］ 霍宏斌，王尔贝，陈锐，徐涛.一种新型重力式海上风机基础承载特性分析［J］.地下空间与工程学报，2013:1554－1558.