风机基础选型与桩基础设计优化

摘    要：机组运行的过程中风机基础有着重要的应用意义，通常来说风机有着较高的塔支架，这一过程中的弯矩也会影响到控制性荷载。

关键词：风机基础;桩基础设计;设计优化

1  相关背景

风机基础是机组安全运行的重要保障，由于风机塔架较高，水平风荷载在基础顶面产生的弯矩较大，该弯矩往往是风机基础设计的控制性荷载。风机对基础的水平位移和不均匀沉降要求高，基础选型时应选用具有较好抗变形能力的基础方案。在整个风电场投资中，风机基础的土建投资占较大比例，因此开展风机基础的优化选型具有重要的意义。

2  特点

根据埋深大小，基础可分为浅基础（一般<5m）和深基础;根据是否人工处理，可分为人工地基和天然地基。浅基础根据结构形式可分为扩展基础、联合基础、条形基础、筏形基础和壳体基础等。风机扩展基础一般适于浅部有较好持力层、地基承载力高、沉降能够满足要求的情况，如我国内蒙、新疆等西北风电场、山区风电场。桩基础适用于高耸构筑物、对倾斜限制严格的情况，具有较强的抗震性能，对地基沉降和沉降速率控制较好。目前预制钢筋混凝土桩使用最为广泛，当桩身结构成为控制因素，采用预应力桩较为合适。灌注桩可适应用地紧张、避免噪声、振动和挤土对周围环境影响等问题。大直径钻孔灌注桩混凝土的施工质量需要严格控制，有时单桩承载力往往由桩身强度控制。钢管桩强度高、连接方便、易贯入，开口钢管桩有挤土量小等优点，钢管桩价格昂贵，一般特别重大的工程考虑采用。沉井基础是一种无底无盖的井状结构物，竣工后成为基础的组成部分，适用于松软不稳定的含水土层、人工填土、黏性土、砂土和砂卵石等土层。沉井下沉的原理和方法：通过人工或机械等手段挖土，使沉井依靠自重作用，克服井壁和土之间的摩阻力，不断下沉到设计标高。主要工序包括：沉井制作等准备工作、沉井下沉、接长井壁、沉井封底。沉井基础的刚性、稳定性、抗震性都较好，有较大的支承面;下沉深度较大，并能在深水中作业;可以穿过不同性质的土层，将基底放置在承载力较大的土层或岩面上。在水中施工可兼作防水围堰。

3  风机桩基础优化要点

3.1  基础体型

由于风机上部荷载的随机性，风机基础应采用中心对称布置方案，圆形基础是比较合理的基础体型。

3.2  承台半径

减小承台半径可显著减少承台混凝土用量，还可以减少基础开挖、回填工程量。承台（含承台以上回填土）自重的减少有利于减小由于恒载引起的单桩竖向压力;但减小承台半径会使上部风机荷载引起的外圈桩单桩竖向压力和上拔力增大;因此减小承台半径对桩基础内力的影响需要综合评价上述两种因素的相对影响程度。通过优化承台半径，可达到优化基础综合工程量的目的。

3.3  承台埋深

承台埋深一般由桩顶标高决定，尽量使承台座落于较好持力层上。承台埋深及覆土自重会对单桩竖向压力和上拔力大小有影响，应予以综合考虑，当承台底面位于地下水位以下时，应采用上覆土体和承台混凝土的浮重度进行计算。

3.4  承台厚度

承台厚度应满足抗冲切强度要求，要求承台有足够的刚度保证内力传递，使桩基承台和内外桩协同工作。应保证风机塔架在基础混凝土中有足够的嵌固深度，风机塔架与基础连接节点（基础环或预埋螺栓）是风机疲劳的关键部位，应进行专门节点设计。承台厚度对承台配筋量也有一定影响。

3.5  承台配筋

根据承台弯矩包络图确定承台截面配筋，并确定钢筋的截断位置，因此绘制可靠、准确的弯矩包络图是承台配筋优化的关键。目前一般采用桩基的总反力按照简化方法确定计算截面位置的弯矩，由于承台自重大小比较明确，建议考虑承台自重（含覆土重）对减小承台底部弯矩的有利作用。圆形承台内力的空间分布特点强，目前采用的简化方法难以考虑承台的空间工作效应，难以对承台顶面内力进行计算，简化方法计算内力与实际内力分布仍有较大差异，建议采用数值计算方法确定承台内力分布。

3.6  内外圈桩的布置

按照承台完全刚性假定，应将桩尽可能布置在远离承台中心的位置，以提供更高的抗倾覆弯矩。为提高风机基础的整体性和稳定性，减小承台跨度，应布置适量内圈桩，并满足风机抗冲切要求。内外圈桩的总数由桩基竖向承载力或水平承载力控制。

3.7  桩长

最小桩长由持力层深度决定，应首先满足进入持力层2d的要求。然后根据上部荷载情况确定需要达到的单桩承载力，一般情况下桩越长单桩承载力越大，通过调整桩长满足实际承载力需求。

3.8  桩径

在相同桩长的情况下，桩径越大，单桩竖向承载力和抗拔承载力越大，采用大直径桩可使总桩数较少，总桩长减小。大直径桩单价和施工费用相对较高、管桩采购受限制。应通过不同桩长、桩径方案的技术经济比选确定最优桩长和桩径。

3.9  桩间距

桩间距应首先满足大于3.5倍桩径的要求。桩距太小不利于发挥单桩承载力且打桩施工困难，桩距太大基础的整体性稍差，宜结合内外圈桩的布置综合考虑。

3.10  桩基水平承载力

主要与桩基浅层地基土的水平抗力系数的比例系数（即m值）有关，有时风机基础竖向承载力满足要求，而水平承载力或位移不满足要求，若有条件可适当对桩基浅层土进行地基处理加固（提高m值），则可有效提高桩基的水平承载力，而不必额外增加抗水平荷载的桩。地震工况下，应对地基土水平抗力系数的比例系数进行折减，对严重液化处的单桩水平承载力设计值应按高桩承台进行计算。陆上风电的常用基础形式包括浅基础和深基础，风机扩展基础一般适于浅部有较好持力层、地基承载力高、沉降能够满足要求的情况，深基础一般用于软弱地基。桩基础承载力高、变形控制较好，适宜于沿海滩涂风电场建设。风机基础设计是一个不断反馈、修正、优化的过程，只有合理的基础选型和布置，才有可能实现基础工作性能和经济效益的双优。

3.11  静载试验

桩基础在设计过程中，往往受到时间的约束，导致结构设计人员只根据地质报告提供的参数确定单桩承载力设计值，并根据这个单桩承载力直接进行桩基础设计、施工，等工程桩施工结束后才挑选一定数量的桩进行试桩试验。这个过程具有相当的不科学性，可能因工程已施工完毕但单桩承载力偏小而补桩造成施工不便。另外地质勘察报告可能对嵌岩端承桩提供的饱和单轴极限抗压强度标准值留有冗余，会导致桩基的实际承载力大于设计值，当两者相差很大时，造成严重浪费。比如本工程800mm直径机械成孔灌注桩单桩承载力特征值估算为3201kN，而在设计时要求进行3根破坏性试桩显示实际单桩承载力可到4200kN，整整比估算值提高了30%左右。最后实际工程桩设计就采用试验值进行，所有桩径全部减小，为本工程节约了成本。另外本工程按照设计最初的要求桩长大于15m，但试桩时，钻孔机械进入11m～12m深度后运行困难，此时按经验停止钻孔，清孔后成桩，试桩时几乎每根桩都压至4500kN桩体强度破坏。也就是说桩长13m左右就已经满足进入持力层的要求，结构人员如先进行试桩再设计则至少一根桩可减短2m左右的桩长且桩承载力不减小，本工程一共815根桩，总节约桩长1630m。

4  结束语

陆地风电设施在实际应用的过程中可以使用深浅基础，风机基础可以应用在十分复杂的地形当中。

参考文献：

[1] 冯淑艳.汉十铁路浪河特大桥主墩锁口钢管桩围堰设计与施工[J].施工技术，2019（3）：62～65.

作者簡介：

徐佰峰（1985-）性别：男，民族：汉族，籍贯：辽宁大连，学历：本科，职称：中级工程师，写作方向：结构设计。