风电场地基液化对桩筏基础受荷响应的影响特征

宋英龙 谷泽雨 高 礼 李卫超，* 朱碧堂 杨 敏

（1.中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，长沙 410007；2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；3.上海同济启明星科技发展有限公司，上海 200092；4.江西省地下空间技术开发工程研究中心，南昌 330013）

0 引言

近年来，作为一种清洁、可再生能源，风能得到了快速且大规模的开发，其主要利用形式为通过风力发电机转变为电能。我国对风能的开发起步稍晚，但增长速度与规模远超其他国家或地区，如2017年广东省发展改革委发布的《广东省海上风电发展规划（2017—2030年）》（修编）中提出［1］，至2030年广东省实现装机容量66.85 GW；而截至2016年，全球建成海上风电装机容量为14.38 GW，仅为我国广东省规划容量的21.5%。

作为高耸结构，风机支撑结构通常采用桩基础，具有结构柔、高度大等特征，如当前风机塔筒高度达150 m，塔筒通常为直径不超过10 m的空心圆锥形钢桶，塔筒顶部安装的风机叶片扫略面积约3.8万m2［2］。风机支撑结构在正常使用过程中主要受风导致的水平向荷载［3-4］，由于风机支撑结构高度高、迎风面积大，因此在基础顶部产生较大的水平向剪力和倾覆弯矩。此外，由地震、爆炸、机器振动等导致的地基液化是风机及支撑结构安全运行的另一个不利因素［5］。地基液化是指饱和砂土或粉土在动荷载条件下出现强度骤减、表现出流态物质的现象，如地震荷载导致的一定条件下地基抗剪强度降低至零或喷砂冒水或侧扩流滑等。地基液化导致地基抗剪强度降低或地基失稳引起构筑物基础变形过大、产生塑性破坏，进而导致上部结构的破坏或垮塌［6］，如日本神户地震中神户Higashi桥梁桩基与承台连接部位由于过大剪切而导致的破坏，又如我国唐山地震后跨越蓟运河的铁路桥梁变形过大，梁上轨道弯曲而影响正常使用。

尽管当前已在地震对地基基础和上部结构影响［7-11］及减隔震方面［12-13］开展了大量的研究，并取得了较好的成果；然而，针对地震等动力荷载作用下风机支撑结构的研究主要集中在支撑结构的动力响应方面，鲜有地震等导致的地基液化对风机支撑结构响应方面的研究。此外，在许多工程中采用处理与加固可液化地基以减小甚至消除地基液化的地基处理技术［14］，然而针对风机基础开展的可液化地基处理效果方面的研究相对较少。

基于此，本文将结合某风电场实际工程建设，采用同济启明星自主开发的风电基础分析与设计软件FDOW［15-16］，重点研究地基液化对风机塔架采用的桩筏基础响应的影响特征，以供实际工程参考。

1 工程概况

某陆上风电场位于河南濮阳，规划总容量500 MW，拟采用200台2.5 MW风力发电机组。风机轮毂高度约130 m，叶轮直径约132 m。根据地勘报告，风电场区属于中等强度地震区，地层主要为河流冲积的稍密-密实粉土、软塑-硬塑的粉质黏土及稍密-密实的粉细砂。场地地下水位常年在地面下0.0～5.6 m，其中饱和粉土、松散砂土层在动荷载作用下，可能会发生液化从而导致地基失稳或基础结构变形过大，影响风机的正常运行甚至危及结构安全。根据经济性与安全性综合评估，并通过方案比选，该工程风机拟采用低桩承台群桩基础，并拟采用地基处理方案消除浅层地基液化。下面针对该风场中的典型机位处基础设计进行分析与讨论。

1.1 工程地质与水文条件

该机位处地表标高变化小，地下水位稳定在地面下1.7 m。地下水主要靠大气降雨、地表径流、人工灌溉等方式补给，以蒸发、人工开采等方式排泄，年变幅约±1.5 m。机位处土层分布可见图1，其物理力学性质指标主要通过钻孔取样并开展室内土工试验得到，主要设计参数推荐值如表1所示。此外，还开展了标准贯入试验，经杆长修正后土层的标准贯入锤击数也绘制在图1中。

表1 各土层参数设计推荐值Table 1 Recommended values of design parameters for each soil layer

图1 土层、标准贯入锤击数、锤击临界值与液化指数随深度的分布Fig.1 Soil layers，measured and critical values of blow counts during standard penetration tests and liquefaction index versus depth

1.2 地基液化等级判别

目前常用的地基液化等级判定方法主要有两类：第一类是Seed法［7］，以及在此基础上演变而来的简化法［9］，其实质是通过判定砂土中由振动作用产生的剪应力与产生液化所需的剪应力进行比较，来判定土体产生液化的可能；第二类是基于标准贯入试验的液化判定方法，包括我国规范《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［17］（以下简称《抗震规范》）在内的多部规范均采用此类判定方法，该类方法分初判和复判对场地进行判定。初判主要考虑土体类型、地区设防烈度、建筑等级等因素。当初判认为场地需要进一步液化判断时，应该结合标准贯入试验结果对场地地面下一定深度范围内的液化情况进行判别。

在研究场地20 m深度范围内地基土主要分布有软弱-中软土，覆盖层厚度大于50 m。根据《抗震规范》第4.1.6条规定，场地类别为Ⅲ类。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）［18］，该机位处地震动峰值加速度0.172 5g，特征周期0.55 s，地震烈度7度，设计地震分组第二组。

根据《抗震规范》的公式（4.3-4），即式（1），计算得到各深度处标准贯入锤击数的临界值Ncr。

式中：N0为地基液化判别时标准贯入锤击数的基准值；β为调整系数；ds为标准贯入试验点所在的深度；dw为地下水位埋深；ρc为黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，取3。

根据《抗震规范》的公式（4.3.5）及表4.3.5对该场地的地基液化等级进行评估，液化指数IlE值通过公式（2）计算得到：

式中：n为在判定深度内每个钻孔标准贯入试验点的总数；Ni和Ncri分别为第i点标准贯入锤击数的实测值和临界值；di为第i点代表的土层厚度；Wi为i点土层考虑单位土层厚度的层位影响权函数值。

通过以上方法计算得到场地每个标准贯入试验点的分层液化指数如图1所示，最终按照式（2）得到场地液化指数IlE的值为49.4，远大于18，故该场地被判定为严重液化场地。

1.3 风机基础概况

该风机基础采用低桩承台群桩基础，由38根预应力锚栓式圆形扩展承台钻孔灌注桩（后注浆）组成，承台和桩几何尺寸及布置方式如图2所示。其中，桩径0.6 m，桩长为33.5 m，扣除上部20 m的液化层，桩在非液化层的插入深度为17 m，完全满足《抗震规范》中桩端伸入液化深度以下稳定土层长度的要求。

图2 桩筏基础尺寸Fig.2 Dimensions of piled-raft

为减小地基液化引起的安全隐患，基础周围地基采用振冲碎石桩法进行地基处理。振冲碎石桩是通过对软弱地基进行置换及挤密形成复合地基，可以提高地基变形模量和承载力，改善地基不均一性，减少不均匀沉降，同时软弱地层经过激振后，碎石桩加速孔隙水压力的消散，从而防止地基液化的产生。

在本案例中，振冲碎石桩法的处理范围为风机基础承台外沿向外外延10 m范围，消除液化土层的厚度为5 m，碎石桩直径0.9 m，桩间距2.0 m（图3），等边三角形布置，碎石桩置换率ρ为11.8%。

图3 振冲碎石桩处理范围Fig.3 Soil volume treated with vibro-replacement stone column

2 计算模型与工况

2.1 计算模型

采用同济启明星公司自主研发的风电基础分析与设计软件FDOW［16］进行模型计算。针对风电机组基础工程设计工作的关联领域多、设计计算量大、设计周期长的特点，该软件采用模块化、可视化设计，将各种不同的设计内容进行归类集成，能够满足风电基础工程设计的各项复杂要求。目前FDOW的基础模块包括单桩基础、多脚架基础、导管架基础、高桩承台基础以及低桩承台基础，能够满足本次设计计算的要求。有关FDOW软件的计算原理与建模过程已在文献［16］中详细介绍，其中在地基基础相互作用分析模块，FDOW将桩土作用通过梁-弹簧体系模拟，即国内外规范中推荐的t-z和p-y曲线模型［19］；静力分析通过迭代法求解节点位移、模态分析采用里兹向量叠加法求解、结构动力分析采用振型叠加法求解。

在各工况的建模与计算中，地基处理前土体物理力学参数推荐值见表1，而可液化地基经过地基处理与加固后的地基土参数见表2，相关参数取值的说明如下：

（1）地基液化影响折减系数

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）［20］第5.3.12条规定，地基处理前，考虑地基液化的影响折减系数值为0；地基处理后，承台底面上下非液化土层厚度大于规定值，根据《抗震规范》第4.3.3条，可依据图1计算得到的实际标贯击数与临界标贯击数之比λN=N/Ncr，以及土层深度，确定液化地基处理后液化折减系数值。

（2）m值

地基m值根据《建筑桩基技术规范》第5.7.5条确定。由于风机长期受到风浪等导致的水平往复荷载作用，地基反力比例系数m值已折减为表5.7.5中规范推荐值的40%；同时对于浅部粉土和粉质黏土，m值通过表5.7.5中推荐范围线性内插得到。

（3）地基处理后土层强度参数取值

根据图1，浅部粉土沉桩前标准贯入击数Np为3～5，取置换率ρ值为11.8%，根据《抗震规范》条文4.4.3，及公式（3）可得沉桩后标准贯入锤击数N1的值：

计算得到挤密桩地基处理后的标准贯入击数为10～14。地基处理后的标准贯入锤击数大于图1所示液化临界贯入击数，且该贯入击数与④号中密粉土层的标贯击数（9～14，平均击数11）接近。因此，对于液化地基处理后的土体可采用与④号中密粉土相同的强度参数，即黏聚力c=15 kPa和内摩擦角f=21.8°。

综上，液化土层范围内各层土体力学参数取值见表2。

表2 液化土层范围内土体力学参数Table 2 Mechanical properties of soils within the liquefied soil layers

2.2 设计工况

表3给出了在风机基础设计中需要复核的工况，其中所列荷载为风机与塔筒传递到塔筒底部的荷载。对于风机基础设计，竖向荷载Fz需包含承台和回填土的重量。根据《风电机组地基基础设计规定》［21］，考虑到场地为液化场地，多遇地震工况可作为基础变形的控制荷载工况，而极端荷载工况为基础承载力控制工况。针对基础容许变形，水平向变形容许值为10 mm［20］，文献［21］给出了沉降容许值为10～30 cm，容许倾斜为3‰～6‰，其中风机轮毂高度越高，容许值越小，地基土的压缩性越高，沉降容许值越大。

表3 风机基础设计工况Table 3 Cases for foundation design of wind turbine

2.3 计算工况

为研究地基液化对风机基础的影响规律，按照地基液化处理前、后两种情况分别进行计算分析。地基液化工况考虑地面下20 m范围内粉土层发生液化；振冲碎石桩处理地面下5 m范围内可液化土层，以消除该范围内地层的液化。

结合表3列出的设计工况，针对如下6个工况进行计算分析：工况一，无地基处理+正常运行工况；工况二，无地基处理+多遇地震工况；工况三，无地基处理+极端运行工况；工况四，地基处理+正常运行工况；工况五，地基处理+多遇地震工况；工况六，地基处理+极端运行工况。

3 计算结果分析与讨论

3.1 地基液化对基础水平向变形的影响

由于多遇地震工况为基础变形的控制荷载工况，下面对工况一、二、四、五计算结果进行对比分析。通过FDOW软件对各工况进行计算，得到各工况对应的基础水平向变形结果，如表4所示，其中图4和图5分别给出了多遇地震工况下（工况二和五）风机基础水平向变形云图。

图4 工况二对应的基础水平变形Fig.4 Lateral displacement of the foundation in case 2

图5 工况五对应的基础水平变形Fig.5 Lateral displacement of the foundation in case 5

表4 各工况对应的基础最大水平位移Table 4 Maximum lateral displacement of foundation subjected to each load case

可见考虑表层20 m土体液化的情况下，正常运行（工况一）和多遇地震（工况二）下基础最大水平向变形分别为10.39 mm和11.96 mm，按照容许水平位移10 mm的要求，两种工况不能满足设计要求。在对可液化地基进行处理与加固后，基础最大水平向变形在正常运行（工况四）和多遇地震（工况五）工况下减小到了0.5 mm左右，仅为地基处理与加固前水平变形的4.6%（工况一）和4.3%（工况二），表明土体液化对基础水平向变形影响十分显著。这是由于控制基础水平向变形的主要因素是表层土体提供的水平向抗力，土体液化导致土体水平向抗力急剧降低，由此造成了基础水平向变形的急剧增加。因此对于可液化场地，进行地基处理与加固是十分必要的。

此外，从表4中可以看出，多遇地震工况（工况二）比正常运行工况（工况一）对应的水平位移增量为1.57 mm，增率为15.1%，表明地震荷载对基础水平位移影响较明显，多遇地震工况确为基础变形的控制荷载工况。

3.2 地基液化对基础竖向变形的影响

表5给出了工况一、二、四和五对应的基础沉降和倾斜计算结果，其中图6和图7分别给出了多遇地震工况下风机基础竖向沉降计算结果。通过这些计算结果可以看出，考虑表层20 m深度范围内地基液化的情况下，正常运行（工况一）和多遇地震（工况二）工况对应的基础最大沉降分别为8.40 mm和9.21 mm；进行地基处理与加固后（工况四和五），场地液化消除，基础最大沉降为8.14 mm和8.87 mm，仅减少了3.1%和8.2%，表明场地浅层地基液化对基础沉降影响小，可忽略不计；基础的最大倾斜也表现出类似的特征，且地基是否液化工况对应的倾斜度均小于3‰，均满足规范的要求。

表5 各工况对应的承台最大沉降与倾斜Table 5 Maximum settlement and inclination of foundation subjected to each load case

图6 工况二对应的基础沉降Fig.6 Settlement of the foundation in case 2

图7 工况五对应的基础沉降Fig.7 Settlement of the foundation in case 5

此外，多遇地震工况（工况二）比正常运行工况（工况一）对应的沉降增量为0.81 mm，增率为9.6%；倾斜度增量为0.09‰，增率为15.8%，表明多遇地震对基础沉降和倾斜有一定的不利影响，应将多遇地震工况作为基础变形的控制荷载工况。

3.3 地基液化对基础承载力的影响

针对地基液化对基础承载力的影响，表6给出了极端运行工况（工况三和六）对应的基础水平承载力计算结果。由表6可知，地基处理与加固对基础水平向承载力的提升有很大帮助，即基础水平向承载力特征值由未处理与加固工况三对应的3 kN提升为处理与加固后（工况六）的217 kN。可见，对可液化地基的处理与加固对提高基础水平承载力和风机支撑结构安全性是十分有必要的。

表6 各工况对应的基础承载力Table 6 Lateral capacity of foundation subjected to each load case

4 结论

结合某风电场的实际工程建设，首先对场地的地基液化等级进行评估，然后分别针对地基液化和地基处理与加固后消除液化两种情况，采用同济启明星FDOW软件开展桩筏基础的变形与承载特性研究，得到结论如下：

（1）针对该风电场的地基情况，基于我国规范判定该场地液化等级为严重。

（2）风机支撑结构设计和分析中，多遇地震工况对应的基础水平变形、竖向变形、倾斜度均大于正常运行工况，表明地震荷载对基础变形的影响明显，因此，将多遇地震工况作为基础变形的控制荷载工况是合理的。

（3）地基液化对基础水平变形和水平承载力影响十分显著，这是由于地基液化导致浅层土体水平抗力骤降，极易引发桩基水平变形过大或承载力不足情况出现，因此，对于严重的液化场地，进行地基处理与加固是十分有必要的。

（4）相比于地基液化对基础水平向受荷响应的影响，地基液化对基础竖向变形和倾斜度的影响较小。