竖向荷载对风机基础水平承载性能影响试验研究

木林隆，李 杰，张延军，黄茂松

(1.同济大学 岩土与地下工程教育部重点实验室，上海 200092； 2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092)

竖向荷载对风机基础水平承载性能影响试验研究

木林隆1,2，李 杰1,2，张延军1,2，黄茂松1,2

(1.同济大学 岩土与地下工程教育部重点实验室，上海 200092； 2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092)

梁板式风机基础是陆上风机基础的一种新型形式。根据室内模型试验对梁板式桩筏基础内的梁、桩、土等的受力变形特性进行深入探讨，重点讨论了竖向荷载对风机梁板式桩筏基础水平承载性能的影响。研究表明：竖向荷载可以提高梁板式桩筏基础水平承载能力；水平荷载作用下，随着竖向荷载的增加，桩顶轴力分配不均匀性减小，桩土荷载分担比减小。

岩土工程；风机基础；梁板式桩筏基础；模型试验；耦合荷载

0 引 言

梁板式桩筏基础是一种新型的桩筏基础。相比于传统的实体桩筏基础，其在不明显降低基础承台刚度的前提下，节省大量的工程材料成本，从而提高经济效益。近几年风电场发展迅速，梁板式风机基础作为一种新型风电基础具有很大发展潜力。许多学者[1-5]采用理论分析、模型试验、现场试验、数值模拟等方法，对桩筏基础的受力特性进行了研究。何春保等[6]采用半数值、半解析方法，通过梁、板、柱以及地基之间力与位移平衡协调分析，得到了考虑上部结构刚度时梁板式筏基与地基共同作用的半数值、半解析解。王曙光[7]进行了竖向荷载下单跨梁板式筏形基础室内模型试验，通过分析试验数据得到了梁板式基础的荷载传递顺序及破坏性状，以及基底反力分布。而目前针对风机梁板式基础的研究较少。连柯楠等[8]针对国华通辽风电场工程，用有限元分析了耦合荷载作用下风机的管桩轴力、环梁弯矩、肋梁弯矩的特性，并得出规范设计方法偏于保守的结论。张延军等[9]针对风机梁板式桩筏基础进行了现场测试试验，得出风机运行后土体承担荷载较大，目前的设计方法不考虑土体的承载作用，计算结果偏于安全。木林隆等[10-11]采用大型室内模型试验对梁板式风机基础的受力变形特性进行研究，得出了桩-桩相互作用及桩-土相互作用对具有一定柔性的梁板式桩筏基础受力变形特性具有重大的影响，现行设计时应考虑这几个因素。

风机基础在水平荷载和竖向荷载共同作用下运行，其力学特性十分复杂，特别是竖向荷载对水平承载性能的影响机理仍不清晰，也未见文献报道。笔者通过室内模型试验对梁板式桩筏基础的受力变形特性进行深入探讨，重点讨论了竖向荷载对在水平荷载作用下梁板式桩筏基础承载性能的影响。

1 模型试验方案

1.1 模型相似关系

本次试验根据材料物理特性决定选用铝合金材料制作桩及承台，由此可以确定λE=2.3。由于多维加载模型箱的大小及边界效应的限制，本次试验中取λl=0.01。对于管桩模型，需要通过调整壁厚使抗压刚度和抗弯刚度满足相似常数。结构模型与原型的相似关系见表1。

表1 模型相似关系

1.2 试验模型

本试验模型采用铝合金材料在生产车间浇铸成型，模型尺寸可以保证足够精确。

1.2.1 承 台

承台示意如图1。桩与承台之间采用螺纹连接，承台对应桩位置预留孔洞，4根肋梁和8根环梁与底板一体成型。承台顶部嵌入突出于承台顶面40 mm、直径30 mm的加载头，用于竖向荷载和水平荷载的施加。

图1 基础承台Fig.1 Foundation platform

1.2.2 管 桩

共采用8根管桩，由外径为14 mm，内径为10 mm的铝管制作，有效桩长456 mm，如图2。

图2 管桩Fig.2 Tube pile

1.2.3 模型箱

模型箱尺寸为800 mm×1 070 mm，如图3。根据设备加载头的活动范围布置模型初始位置。孔纲强等[12]研究表明模型桩与模型箱壁之间的距离在1倍直径以上，边界效应可以忽略。本模型试验中水平荷载加载时主要边界影响为加载方向前方边界对试验结果影响较大，因此在加载前方保持基础模型与试验边界距离在3倍基础直径。而模型后方及侧向边界均保持1倍基础直径，在模型箱侧壁涂抹凡士林，保持侧壁光滑减少边界摩阻力对试验结果的影响。

图3 模型布置Fig.3 Model layout

1.3 量测原件

本次试验在管桩内壁、肋梁和环梁表面分别粘贴应变片测量基础内力。

1.3.1 桩身及肋梁、环梁应变片布置

根据基础和荷载的对称性，在水平荷载作用方向取2根外圈桩和1根内圈桩，垂直于水平荷载方向取1根外圈桩，水平荷载方向取承受较大荷载的肋梁及相邻环梁分别布设应变片测试桩、梁内力。每根基桩沿桩身粘贴10枚应变片，对称布置，如图4(a)；肋梁、环梁各粘贴6枚应变片，上下对称布置，粘贴在梁侧面，如图4(b)、图4(c)。

1.3.2 承台底土压力计

本次试验采用薄膜压力传感器测量承台底部土压力。薄膜压力计的具体布置见图4(d)。

图4 承台、桩、梁应变片布置Fig.4 Strain gauges layout of caps, pile and beam

1.4 土 样

本次试验采用干砂，d50≈0.15 mm。为了保证砂土密实度的一致性，砂土回填采用分层填埋压实法，即每回填厚度40 mm，将砂土压实，进行下一层回填，注意保证每次压实程度一致。测试得到试验砂土的参数如表2。

表2 砂土参数

1.5 加载工况

加载采用同济大学自主研发的物理模型多维系统，可实现任意三向组合的荷载加载。本试验中，竖向加载采用荷载控制方式，水平加载采用位移控制方式。竖向加载速度为100 N/min，加载位移为10 mm，通过土压力计的数据可以判断承台底是否与土体表面相接触，加载完毕后卸载。在每一组试验之前均使用此方法，试验过程中保证每次加载位移相同从而保证试验初始状态一致。具体试验加载见表3。

表3 加载方案

2 试验结果及分析

2.1 试验结果处理

桩身截面弯矩计算公式为

(1)

桩身截面轴力计算公式为

F=EPAeε

(2)

式中：M为弯矩；F为轴力；EP为桩弹性模量；IP为桩身截面惯性矩；ε+，ε-分别为拉、压应变值；D为直径；Ae为有效截面积。

肋梁、环梁截面轴力和弯矩计算类似。

2.2 试验结果

2.2.1 荷载位移曲线

根据工况1至工况4试验数据可以作出竖向荷载作用下，水平方向加载至破坏时基础顶部的荷载位移曲线，如图5。由图5可以看出，随着竖向荷载的增加，水平承载能力增加。由于竖向荷载作用在桩顶相当是增加一个竖向约束，竖向荷载越大约束作用越大，水平承载能力增加。

图5 不同竖向荷载下水平荷载位移曲线Fig.5 Horizontal load displacement curve underdifferent vertical load

2.2.2 桩身弯矩

周洪波等[13]指出，对于水平荷载作用下的群桩，前排桩承担更多剪力和弯矩。现以桩P2为例，根据工况1～工况4的桩身应变值通过式(1)计算并作出不同水平荷载的情况下桩P2的桩身弯矩，如图6。由图6可以看出，竖向荷载不影响桩身弯矩分布规律及其随水平荷载变化规律。

图6 P2桩身弯矩-竖向荷载关系曲线Fig.6 P2 pile shaft moment- vertical load curve

图7为相同水平荷载下桩顶随竖向荷载的变化。由图7可见，桩顶预压竖向荷载使得桩顶弯矩减小，但竖向荷载增加到一定程度后影响减弱，桩顶弯矩基本不变。

2.2.3 桩身轴力

考虑模型中桩轴对称分布，以水平荷载作用方向前排桩P2为典型，在承台顶预压竖向荷载时，P2桩身轴力分布如图8。由图8可以看出，无弯矩作用时，水平荷载对桩身轴力的影响较小。桩身轴力增大主要取决于竖向荷载。

图9为水平荷载为1 000 N时，P1～P4在8根桩所承担的总荷载中所占比例，作出桩顶轴力分担比随预加竖向荷载变化的曲线，可以看出，水平荷载作用到一定程度(H=1 000 N)后，桩P2承担更高比例的竖向荷载，而桩P4承担更小百分比的竖向荷载，桩顶轴力表现出不均匀分配，且预加竖向荷载越小，这种桩顶轴力的不均匀性表现得越明显。由于竖向荷载对桩底有约束作用，竖向荷载越大约束作用越明显，可知竖向荷载可以使水平荷载作用下各桩之间的轴力分配更加均匀。

图9 桩顶轴力-竖向荷载大小关系曲线Fig.9 Axial force of piles top- vertical load size curve

图10为桩土荷载分担比随竖向荷载的变化曲线。由图10可以看出，随着桩土变形的增长，桩底土的承载作用得到发挥，桩基承担的荷载减小，且竖向荷载越大，桩基变形增大，桩底土承担的荷载更多，桩土荷载分担比减小。

图10 桩土荷载分担比-竖向荷载关系曲线Fig.10 Pile-soil load share ratio -vertical load curve

2.2.4 梁端弯矩

从图5可以得到H=1 300 N为V=0时的最大水平荷载，所以作H=1 300 N时不同竖向荷载下梁截面弯矩如图11，其中梁截面编号如图4(d)。由图11可以看出，由于在荷载传递过程中荷载通过肋梁传递给环梁和角桩，随着预压竖向荷载的增加，环梁及肋梁的梁端弯矩都呈线性增加，肋梁弯矩的最大值出现在近基础中心端截面B1-3处。

图11 H=1 300 N时梁截面弯矩Fig.11 Beam-sections bending moment(H=1 300 N)

2.2.5 承台底土压力分布

土压力计编号如图4(d)，图12为竖向荷载加载完成(即H=0)和水平荷载加载到H=1 300 N时沿水平荷载作用方向承台底土压力分布。由图12可以看出，无水平荷载作用时，承台底土压力分布呈中间小，两端大的马鞍形分布，随竖向荷载增加，基底土压力数值增加，但分布形式不变。可见梁板式基础具有一定柔性。由图12(b)可以看出，预压竖向荷载后，施加水平荷载，沿水平荷载方向(土压力计从7到1)基底土压力表现出非线性递减的趋势，且竖向荷载越大，递减趋势越明显。由图12(d)可以看出，在与水平荷载垂直方向(土压力计从10到8)，基底土压力表现出内大外小的分布，竖向荷载越大，内外土压力差值越大；无肋梁下(土压力计从13到11)，基底土压力表现出类似于与水平荷载作用垂直方向内大外小的分布，但竖向荷载的影响较小。

图12 基底土压力分布Fig.12 Distribution of basement soil pressure

3 结 论

针对竖向荷载对风机梁板式桩筏基础水平承载性能进行了室内模型试验，重点研究了梁板式桩筏基础荷载位移曲线、桩身弯矩及轴力分布、两端弯矩和承台底土压力分布，得出以下结论：

1)竖向荷载可以提高梁板式桩筏基础水平承载能力。

2)竖向荷载有助于提高水平荷载作用下梁板式桩筏基础桩基的抗弯能力。

3)水平荷载作用下，随着竖向荷载的增加，桩顶轴力分配不均匀性减小，桩土荷载分担比减小。

4)梁板式桩筏基础梁端弯矩随竖向荷载增加而增大，且近基础中心端梁截面弯矩增大幅度最大。

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(责任编辑 谭绪凯)

Influence of Vertical Load on the Lateral Bearing Capacityof Wind Turbine Foundations

MU Linlong1,2, LI Jie1,2, ZHANG Yanjun1,2, HUANG Maosong1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, P.R.China;2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P.R.China)

Piled beam-raft foundation of wind generating set is a new form of the foundation for wind turbine on land and a in-depth discussion on the mechanical and deformation characteristics of beam, piles and soil of piled beam-raft foundations by laboratory model test was carried out with focus on the impact of vertical load on the lateral bearing capacity of piled beam-raft foundations. The study shows that the horizontal bearing capacity of piled beam-raft foundations will be improved under vertical load. The uneven distribution of axial pile on pilehead under horizontal load decreased with increase of vertical load and pile-soil load shear ratio reduced.

geotechnical engineering ；turbine foundations; piled beam-raft foundation; model tests; coupling load

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.10

2015-09-30；

2015-12-11

国家自然科学基金项目(41572260,51208378)

木林隆(1984— )，男，浙江温州人，讲师，博士，主要从事岩土力学与岩土工程方面的研究。E-mail:mulinlong@hotmail.com。

TU 473

A

1674-0696(2017)02- 055- 06