风力机组中扩底锚杆基础设计问题研究

孙祖峰　楼芸含　陈佩杭

摘 要：锚杆基础具有开挖量小、工程造价低、对周围环境影响小等特点，是相关规范中明确规定的风机基础可采用的三种形式之一，且更适用于岩层地基。通过改变扩底锚杆基础的受力机理，从而增加了整体基础的承载力。通过对实际工程案例进行计算，明确了扩底锚杆基础设计中需要考虑的内容，并且对锚杆长度的选取、扩底部分对承载力的影响以及如何增加锚杆基础承载力等问题进行了探究，以期对扩底锚杆基础的应用和推广起到一定的参考作用。

关键词：风力机组；扩底锚杆；锚杆基础；岩石地基

中图分类号：TU476 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.010

规范中明确规定的风机基础可采用的类型包括重力式扩展基础、桩基础和锚杆基础。这三种基础形式适用于不同的地基——重力式扩展基础适用于普通地基，桩基础适用于软弱地基，锚杆基础适用于岩层地基。

目前，我国风力发电机组基础多采用重力式扩展基础。该基础形式施工技术较为简便且工程实践经验丰富。钢筋混凝土扩展基础存在以下缺点：①抗压能力有余，抗弯效率不高，基础边缘与地基脱开会降低基础的稳定性；②对于大功率风机，板式基础悬挑长度太大，基础承台体积过大会耗费大量钢筋和混凝土，造价高；③基础开挖量大，特别是对于岩石地基，开挖难度大、环境影响大。因此，有必要丰富风机基础的设计使用形式，以适应不同的地质条件，发挥各自的优越性。

1 场址位置和地质资料

风电场位于山西省大同市，本期装机容量49.5 MW，装机规模为单机容量1 500 kW 的风力发电机33台，拟建场地地势起伏较大，对位于山头上的风机采用扩底锚杆基础。

根据勘测结果，上述场址区地层在勘测深度内，上部主要为覆盖粉土，下部地层为白云岩，地层岩性自上而下分别为：①粉土。黄褐色，稍密，粉质感强，韧性和干强度低，摇振反应迅速，局部含粉质黏土。该层厚度较薄，一般多在0.50 m左右，考虑去除。②块（碎）石。灰白色，稍湿，密实，填充物为粉土，棱角状，含量及分布不均匀，局部含量少。厚度一般为0.50～1.50 m。③白云岩、白云质灰岩。灰色、灰白色，隐晶质，块状或厚层状结构，岩层厚度为中厚层、巨厚层，致密，场地范围内大面积分布。表层多呈强风化状态，组织结构基本破坏，风化节理裂隙发育，裂隙间充填物主要为粉土，沿节理面有次生矿物，岩体较破碎。本层厚度1.50～2.00 m。下部为中等风化状态，局部表层亦呈中等风化状态，组织结构部分破坏，风化裂隙一般发育，节理面有次生矿物，岩体较完整，可见已风化成40 cm左右的岩块，岩石质量指标较好。将此岩石层考虑作为锚杆持力层。

2 扩底锚杆基础设计选型

2.1 扩底锚杆基础基本参数

基础底板半径6.2 m，基础棱台顶面半径3.0 m，基础台柱半径3.0 m，基础底板外缘高度1 m，基础底板棱台高度0.8 m，台柱高度1.5 m，基础埋深3 m。锚杆中心所在圆半径5.7 m。沿此圆周均布36根锚杆，锚杆直径55 mm，锚直径130 mm，锚入深度4.0 m，扩底高度500 mm，扩底直径200 mm。需要说明的是，扩底部分的高度与直径不能随意取值设计，需要根据已有的施工机械确定。而高500 mm、直径200 mm的扩底尺寸符合常用施工器械所能达到的尺寸。具体尺寸及扩底部分分别如图1和图2所示。

2.2 承载力验算

根据《风电机组地基基础设计规定》（FD 003—2007）和《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），需要对单根锚杆承载力、稳定性、抗剪、抗台柱冲切、抗基础环冲切、杆对承台的冲切等方面进行复核验算。其中，抗剪、抗台柱冲切、抗基础环冲切与普通扩展式基础计算方法无异。

经计算，锚杆自身强度为569.9 kN，根据规范中有关砂浆与岩石的黏结强度特征值关系表格，较软岩取黏结强度为0.4 MPa。按此黏结强度计算，强度特征值为220.8 kN，而最终锚杆自身强度特征值为220.8 kN。

关于倾覆稳定性的验算，锚杆基础不同于重力扩展基础，区别在于锚杆基础的外界倾覆弯矩由混凝土基础与锚杆共同抵抗。在计算锚杆基础所能抵抗的最大弯矩的过程中，应该首先按照扩展基础的计算方式计算出混凝土部分所能承受的最大弯矩，然后根据桩基础规范中拉压力计算公式，令其中某一根锚杆达到承载力极限值，以此来计算此时的弯矩值，最后对二者加和即可得到锚杆基础所能承受的最大倾覆弯矩。

杆对承台的冲切可以根据《钢筋混凝土承台设计规程》（CESC 88—1997）4.2.5.2条计算承台高度，由锚杆锚入承台的深度和锚板边缘至承台边缘的距离可以计算冲切承载力。

总体来看，在设计阶段，对于锚杆基础除了需要对风机基础尺寸、配筋进行计算外，还需要增加对锚杆承载力、整体稳定性、局部受压等方面的校核。但正因为锚杆可以分担相当一部分倾覆弯矩，因此可以明显缩小基础尺寸，从而缩减混凝土和钢筋的使用量。

3 讨论

3.1 扩底锚杆基础与扩展基础的对比

重力式扩展基础利用的钢筋混凝土的自重，施工技术简便，目前积累了较为丰富的工程实践经验。

钢筋混凝土扩展基础存在以下突出缺点：①基础形式过于单一，不能适应不同的地质条件；②独立扩展基础抗压能力有余，抗弯效率不高，且基础边缘与地基脱开后，会降低基础的稳定性；③对于大功率风机，板式基础悬挑长度太大，基础承台体积过大耗费大量钢筋和混凝土，造价高、经济性差，且形式不合理；④基础开挖量大，特别是对于岩石地基，开挖难度大，环境影响大。此外，基础设计时，承台底的受力状态一直采用线性模拟的计算假定与承台底的真实压力情况存在较大的差距，这样能够有效了解、分析承台底的基底压力，节省基础的钢筋和混凝土用量。

对于风机锚杆基础，锚杆最主要的作用是通过抗拔来抵御外界较大的弯矩荷载。而扩底锚杆基础有别于普通的直锚杆，其基础形式将有效提高锚杆的抗拉承载力。通过对比可以发现，传统锚杆技术采用直锚，将锚杆埋于等径岩孔之后灌注细石混凝土或砂浆形成等径锚桩，依靠锚桩与岩孔间摩擦力抵消锚杆的上拔载荷。

3.2 锚杆长度的选取

根据实际情况，单根锚杆的抗拔力由锚杆自身的强度、锚杆与砂浆之间的黏结强度以及砂浆与岩石间黏结强度决定。一般情况下，锚杆自身的强度稍大于后两者，因此，抗拔力往往由后两者决定。无论是锚杆与砂浆之间的黏结强度，还是砂浆与岩石间的粘结强度，都与锚杆长度成正比。但实际上，大量试验研究表明，岩石锚杆在15～20倍锚杆直径以深的部位已经没有锚固力分布。只有当锚杆顶部周围的岩体出现破坏后，锚固力才会向深部延伸。因此，一味地增加锚杆的长度并不会明显地提升锚固力的效果。在工程实践中，应根据地质条件，将锚杆打入良好的持力层，同时保证长度大于13倍直径，但仍要增加一定的长度作为安全储备。具体取值应按实际情况决定。

3.3 扩底部分对整体承载力的影响

传统锚杆技术采用直锚，将锚杆埋于等径岩孔之后灌注细石混凝土或砂浆形成等径锚桩，依靠锚桩与岩孔间摩擦力抵消锚杆的上拔载荷。但风化岩层中存在大量岩石节理，锚杆可能因摩擦力不足而滑动。在风化岩层中，锚杆基础上拔力的大小取决于岩孔和锚杆砂浆柱的黏结强度。大量试验证明，上拔破坏是因锚杆砂浆柱从岩体中抽出造成的。

岩层扩底锚杆技术是在等径岩孔底部扩底，对锚孔作扩底处理。在锚杆底部安装双向撑板，并利用销轴固定于锚杆杆体上。锚杆下入扩底锚孔后双向撑板张开，扩撑于扩底锚孔内，防止锚杆体从锚孔内拔出。

与直锚杆相比，扩底锚杆的基础受力原理发生了改变——由原来的类摩擦桩改为扩底部分受力的承载桩基础。这样，扩大了载荷分布范围，使其由之前单一地依靠摩擦力承载变为同时由摩擦力和扩底上拔力承载，从而提升了承载能力，并在桩径和长度相同的情况下提高了承载的可靠性。

但目前的规范与规程并没有对扩底锚杆类型基础的抗拔承载力给出明确的计算公式，且范围仍然局限于直锚杆。尽管扩底锚杆基础通过改变受力方式提高了承载力，但目前这一部分仍然只作为锚杆抗拔力的安全储备，并没有体现在计算结果中，即扩底锚杆抗拔力的计算仍采用直锚杆公式。在选取参数时，针对扩底锚杆基础可以考虑选取上限值。比如，对于砂浆与岩石间黏结强度特征值的选取，规范中有关较软岩的数值是0.2～0.4 MPa。如果采用扩底锚杆，可以考虑选取范围中的较大值。

3.4 增加基础承载力的方法

对于风机扩底锚杆基础，可以通过一些途径达到增加基础承载力的目的，比如适当增加混凝土基础底部直径，选取合适的锚杆长度，适当增加锚杆直径，在满足规范要求的前提下尽量将锚杆布置在靠近基础边缘侧。

4 结束语

锚杆基础是规范中明确的风机基础可采用的形式之一，对岩层地基有着较好的适应性。同时，该基础形式开挖量小，钢筋、混凝土等用量少，具有总造价低、对周边环境影响小等显著优点，可以弥补目前较为常用的重力式扩展基础的若干不足。而与直锚杆基础相比，扩底锚杆基础的受力原理发生了改变，载荷分布范围得到了扩大——由之前单一的依靠摩擦力承载变为同时由摩擦力和扩底上拔力承载，从而加大了承载能力。

本文通过具体工程案例中扩底锚杆基础的相关计算，展现了计算过程中需要注意的事项，分析了扩底锚杆基础与扩展基础的优、缺点，锚杆长度选取中需要注意的问题以及扩底部分对整体承载力的影响，并提出可以通过适当增加混凝土基础底部直径，选取合适的锚杆长度，适当增加锚杆直径，在满足规范要求的前提下尽量将锚杆布置在靠近基础边缘侧等方法来提高风机扩底锚杆基础的承载力。

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〔编辑：刘晓芳〕