风机基础选型与桩基础设计优化

（内蒙古能源建设投资（集团）有限公司，内蒙古呼和浩特 010010）

0.引言

由于风机选型的基础在实际的设计过程标准比较高，在进行具体的风机基础设计过程中，要综合考虑多种设计参数，经统筹考虑后，进而为整个基础的选型提供一定的参考意义。此外，有些地区地基土为软弱土层或高压缩性土层，常规基础方案很难满足相应的要求，但是桩基础却能够更好地适应各种地质条件。在实际的设计过程中，一定要对现场的地质情况进行详细勘察，一方面是由于地基处理的费用在工程实际实施过程中所占比例较大，另一方面，根据地质情况的不同对地基处理的方案也有区别，只有综合把握各方面的数据信息后，方可进行统筹设计和优化。总之，需考虑多方面的因素，进而为后期的基础选型创造有利的条件。

1.风机基础选型

根据基础具体埋深的大小，基础主要分为浅基础与深基础。目前风电机组单机容量逐步增大，风力发电机组基础的结构形式一般可以分为以下几类（以下以锚栓式为例示意，实际中采用基础环式的也较多）：

第一类风机基础为普通扩展式基础，具体分为：方形、多边形及圆形，目前设计中，以圆形扩展基础及八边形扩展基础应用最为广泛，此类基础埋深较浅，一般约为3.0m～4.0m左右（具体埋深与风机荷载、基础持力层深度、冻深有关），结构形式较为简单，施工难度相对较小，塔筒与风机基础的连接采用预埋基础环或锚栓连接。第二类风机基础为梁板式基础，外形类似第一类风机基础，外边缘为八边形或圆形，由主梁和边梁将挑出的底板划分为几个区格，基础埋深和第一类风机基础相同，此类风机基础的结构形式相对较为复杂，施工难度也相对较大。塔筒与基础连接一般采用预应力锚栓连接，对应的需要和锚栓配套的平衡法兰等组件对施工安装的技术水平要求较高，尤其在基础钢筋布置、预应力锚栓调平及基础施工完毕后的预应力锚栓打扭矩等方面。对施工有一定的难度要求。第三类风机基础为预应力墩式基础，其本质是一种桩基础，一般来说一个基坑整个浇筑为一个基础，计算起来相对稍繁琐一些。此类风机基础抗倾覆承载力是其设计的主要控制因素，因此基础埋深较深，一般都在10m左右，基坑开挖时要求较高，对于较为松软的土层，为保证边坡稳定，基坑需要采取支护措施。对于存在较硬的土层，如砾石类、碎石类、岩石类土层地质情况时，开挖难度较大，同时需要考虑锚栓的支撑问题，因此需要针对风场地质情况来确定能否采用此类风机基础。此类风机塔筒与基础连接采用预应力锚栓，由于基础埋深的关系，锚栓的长度很长，和第二类风机基础相似，对应需要和锚栓配套的平衡法兰等组件。在基础预应力锚栓调平、基础施工完毕后，预应力锚栓上扭矩等方面有一定难度，否则一旦基础浇筑完毕后，预应力锚栓扭矩达不到要求的话，处理起来非常麻烦。第四类风机基础则为桩基础，包括混凝土预制桩和混凝土灌注桩，桩基础应为4根及以上基桩组成的群桩基础，按桩的形状和竖向受力情况可分为摩擦型桩和端承型桩。基础的埋深较深，一般视现场土质情况而定,当桩身的结构成为控制的关键因素的时候，通常会采用预应力桩，因为这种方式可以对施工创造良好的条件，而灌注桩相对于预应力桩而言桩身强度无法保证，施工较为繁琐，对周围的环境等有很大影响。

2.风机桩基础优化

（1）基础体型。由于在对风机基础选型的过程中，应采用中心对称的布置方案，由于不同种类的体型有一定的区别，因此，在使用过程中，圆形基础的采用是整个基础选型的比较适合的一种体型。（2）承台半径。通过相应减少承台半径，可以在一定程度上减少混凝土的使用量，而且也能够极大程度减少基础开挖以及相应的回填工程量，但是这种减小承台半径会导致风机的荷载压力不断增加。因此，要综合考虑各种因素对其影响程度的大小，在满足规范的前提下，必须不断优化整个承台的半径，减少相应问题的出现，以此达到最优工程量的实施目的。（3）承台厚度。在进行承台厚度选择的过程中，要满足当前的抗冲切及抗剪切的强度要求，必须要有足够的高度，这样才能保证整个内力的传递，同时要使相应的桩基承台与桩基共同工作，保证风机的塔架处于相应基础混凝土的嵌固深度。与此同时，一定要根据相应的节点进行系统化、专门化设计，只有这样才能减少承台的配筋量。（4）承台埋深。主要是由于承台厚度所决定，在设计过程中尽量采取承台坐落于较好的持力层上面，这样可以进一步减缓承台埋深以及覆土自重对其的影响，同时要综合考虑各种因素，当承台底面在地下水位以下的时候，需通过对浮重度进行分析和计算，减少在后期有更多的问题出现。（5）承台配筋。承台配筋应按抗弯计算确定，承台的弯矩计算一般按一些简化的由于整个承台的空间工作效应无法进行合理有效的计算，而且在计算内力与实际内力时仍然有较大的差异，因此，只能采用相应的数值计算方式，以此来确定整个承台内力的分布情况。（6）桩基布置。按照承台的刚性假定分析，布置时尽量使桩的承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点重合，这样才能够为后期提供更高的便利性，而且也能在一定程度上为整个风机的整体性和稳定性带来积极的作用，同时还应该根据现场土质情况布置适合、适量的圈桩。（7）桩长及桩径。桩径通常会受到承载力的影响，而在一些设计中往往使用大直径桩，大直径桩虽然可以将桩基总量相应减少。但是使用大直径桩的整体采购价格和施工费用相对来说较高，而且采购也有一定的困难。而桩长进入土层的深度，应根据地质条件、荷载等确定，一般而言，由于单桩承载力的不同，相应的桩长也会不同。在实际设计的优化过程中，需要根据相应的上部荷载情况，计算所需要达到的单桩承载力，选择桩身承载力满足要求的桩径，选定桩径后可根据地质情况确定桩长，对于摩擦型及端承型桩来说，根据分层土侧阻力及端阻力计算满足要求的抗压及抗拔承载力，采用不同的桩长及桩径进行多方案设计比较，并充分把握当前的市场情况，根据最终结果确定最佳桩长及桩径。（8）桩间距。对于其间距必须要控制在合理的范围之内，如桩间距过小，在施工过程中的挤土效应会对相邻桩基产生影响，反之如桩间距过大，会增大承台的内力，从而使配筋量加大，因此，必须要根据桩基的综合布置等方面系统考虑。（9）桩基水平承载力。桩基的水平承载力需考虑由桩群、承台、土相互作用产生的群桩效应，计算中主要是与桩基的水平变形系数与相应地基土的水平抗力系数的比例系数有关，优化过程中需整体考虑，如作用在桩基处的外力主要为水平力时，需要通过限制桩顶变位，对桩基的水平承载力进行单独验算。外力作用面的桩距较大时，水平承载力可视为各单桩水平承载力的总和，当水平力过大时，还需设置斜桩。此外，在一些特殊工程实施的情况下，必须要对地基土水平抗力系数的比例系数进行整体分析、研究，尤其对于液化土的单桩水平承载力的设计值，一定要根据承台进行仔细计算。

3.结语

总而言之，对于风机基础设计是一个不断发现问题、不断解决问题、不断优化升级的一个系统过程，只有采用合理的基础选型，通过系统的结构计算及准确的图纸设计，才能使整个设计不断优化和升级，在后期才有可能对工程的实施带来更高的经济收益，进而减少后期的维护管理工作，降低工作难度。