風力機組中擴底錨桿基礎設計問題研究

孫祖峰　樓蕓含　陳佩杭

摘 要：錨桿基礎具有開挖量小、工程造價低、對周圍環境影響小等特點，是相關規范中明確規定的風機基礎可采用的三種形式之一，且更適用于巖層地基。通過改變擴底錨桿基礎的受力機理，從而增加了整體基礎的承載力。通過對實際工程案例進行計算，明確了擴底錨桿基礎設計中需要考慮的內容，并且對錨桿長度的選取、擴底部分對承載力的影響以及如何增加錨桿基礎承載力等問題進行了探究，以期對擴底錨桿基礎的應用和推廣起到一定的參考作用。

關鍵詞：風力機組；擴底錨桿；錨桿基礎；巖石地基

中圖分類號：TU476 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.010

規范中明確規定的風機基礎可采用的類型包括重力式擴展基礎、樁基礎和錨桿基礎。這三種基礎形式適用于不同的地基——重力式擴展基礎適用于普通地基，樁基礎適用于軟弱地基，錨桿基礎適用于巖層地基。

目前，我國風力發電機組基礎多采用重力式擴展基礎。該基礎形式施工技術較為簡便且工程實踐經驗豐富。鋼筋混凝土擴展基礎存在以下缺點：①抗壓能力有余，抗彎效率不高，基礎邊緣與地基脫開會降低基礎的穩定性；②對于大功率風機，板式基礎懸挑長度太大，基礎承臺體積過大會耗費大量鋼筋和混凝土，造價高；③基礎開挖量大，特別是對于巖石地基，開挖難度大、環境影響大。因此，有必要豐富風機基礎的設計使用形式，以適應不同的地質條件，發揮各自的優越性。

1 場址位置和地質資料

風電場位于山西省大同市，本期裝機容量49.5 MW，裝機規模為單機容量1 500 kW 的風力發電機33臺，擬建場地地勢起伏較大，對位于山頭上的風機采用擴底錨桿基礎。

根據勘測結果，上述場址區地層在勘測深度內，上部主要為覆蓋粉土，下部地層為白云巖，地層巖性自上而下分別為：①粉土。黃褐色，稍密，粉質感強，韌性和干強度低，搖振反應迅速，局部含粉質黏土。該層厚度較薄，一般多在0.50 m左右，考慮去除。②塊（碎）石。灰白色，稍濕，密實，填充物為粉土，棱角狀，含量及分布不均勻，局部含量少。厚度一般為0.50～1.50 m。③白云巖、白云質灰巖。灰色、灰白色，隱晶質，塊狀或厚層狀結構，巖層厚度為中厚層、巨厚層，致密，場地范圍內大面積分布。表層多呈強風化狀態，組織結構基本破壞，風化節理裂隙發育，裂隙間充填物主要為粉土，沿節理面有次生礦物，巖體較破碎。本層厚度1.50～2.00 m。下部為中等風化狀態，局部表層亦呈中等風化狀態，組織結構部分破壞，風化裂隙一般發育，節理面有次生礦物，巖體較完整，可見已風化成40 cm左右的巖塊，巖石質量指標較好。將此巖石層考慮作為錨桿持力層。

2 擴底錨桿基礎設計選型

2.1 擴底錨桿基礎基本參數

基礎底板半徑6.2 m，基礎棱臺頂面半徑3.0 m，基礎臺柱半徑3.0 m，基礎底板外緣高度1 m，基礎底板棱臺高度0.8 m，臺柱高度1.5 m，基礎埋深3 m。錨桿中心所在圓半徑5.7 m。沿此圓周均布36根錨桿，錨桿直徑55 mm，錨直徑130 mm，錨入深度4.0 m，擴底高度500 mm，擴底直徑200 mm。需要說明的是，擴底部分的高度與直徑不能隨意取值設計，需要根據已有的施工機械確定。而高500 mm、直徑200 mm的擴底尺寸符合常用施工器械所能達到的尺寸。具體尺寸及擴底部分分別如圖1和圖2所示。

2.2 承載力驗算

根據《風電機組地基基礎設計規定》（FD 003—2007）和《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011），需要對單根錨桿承載力、穩定性、抗剪、抗臺柱沖切、抗基礎環沖切、桿對承臺的沖切等方面進行復核驗算。其中，抗剪、抗臺柱沖切、抗基礎環沖切與普通擴展式基礎計算方法無異。

經計算，錨桿自身強度為569.9 kN，根據規范中有關砂漿與巖石的黏結強度特征值關系表格，較軟巖取黏結強度為0.4 MPa。按此黏結強度計算，強度特征值為220.8 kN，而最終錨桿自身強度特征值為220.8 kN。

關于傾覆穩定性的驗算，錨桿基礎不同于重力擴展基礎，區別在于錨桿基礎的外界傾覆彎矩由混凝土基礎與錨桿共同抵抗。在計算錨桿基礎所能抵抗的最大彎矩的過程中，應該首先按照擴展基礎的計算方式計算出混凝土部分所能承受的最大彎矩，然后根據樁基礎規范中拉壓力計算公式，令其中某一根錨桿達到承載力極限值，以此來計算此時的彎矩值，最后對二者加和即可得到錨桿基礎所能承受的最大傾覆彎矩。

桿對承臺的沖切可以根據《鋼筋混凝土承臺設計規程》（CESC 88—1997）4.2.5.2條計算承臺高度，由錨桿錨入承臺的深度和錨板邊緣至承臺邊緣的距離可以計算沖切承載力。

總體來看，在設計階段，對于錨桿基礎除了需要對風機基礎尺寸、配筋進行計算外，還需要增加對錨桿承載力、整體穩定性、局部受壓等方面的校核。但正因為錨桿可以分擔相當一部分傾覆彎矩，因此可以明顯縮小基礎尺寸，從而縮減混凝土和鋼筋的使用量。

3 討論

3.1 擴底錨桿基礎與擴展基礎的對比

重力式擴展基礎利用的鋼筋混凝土的自重，施工技術簡便，目前積累了較為豐富的工程實踐經驗。

鋼筋混凝土擴展基礎存在以下突出缺點：①基礎形式過于單一，不能適應不同的地質條件；②獨立擴展基礎抗壓能力有余，抗彎效率不高，且基礎邊緣與地基脫開后，會降低基礎的穩定性；③對于大功率風機，板式基礎懸挑長度太大，基礎承臺體積過大耗費大量鋼筋和混凝土，造價高、經濟性差，且形式不合理；④基礎開挖量大，特別是對于巖石地基，開挖難度大，環境影響大。此外，基礎設計時，承臺底的受力狀態一直采用線性模擬的計算假定與承臺底的真實壓力情況存在較大的差距，這樣能夠有效了解、分析承臺底的基底壓力，節省基礎的鋼筋和混凝土用量。

對于風機錨桿基礎，錨桿最主要的作用是通過抗拔來抵御外界較大的彎矩荷載。而擴底錨桿基礎有別于普通的直錨桿，其基礎形式將有效提高錨桿的抗拉承載力。通過對比可以發現，傳統錨桿技術采用直錨，將錨桿埋于等徑巖孔之后灌注細石混凝土或砂漿形成等徑錨樁，依靠錨樁與巖孔間摩擦力抵消錨桿的上拔載荷。

3.2 錨桿長度的選取

根據實際情況，單根錨桿的抗拔力由錨桿自身的強度、錨桿與砂漿之間的黏結強度以及砂漿與巖石間黏結強度決定。一般情況下，錨桿自身的強度稍大于后兩者，因此，抗拔力往往由后兩者決定。無論是錨桿與砂漿之間的黏結強度，還是砂漿與巖石間的粘結強度，都與錨桿長度成正比。但實際上，大量試驗研究表明，巖石錨桿在15～20倍錨桿直徑以深的部位已經沒有錨固力分布。只有當錨桿頂部周圍的巖體出現破壞后，錨固力才會向深部延伸。因此，一味地增加錨桿的長度并不會明顯地提升錨固力的效果。在工程實踐中，應根據地質條件，將錨桿打入良好的持力層，同時保證長度大于13倍直徑，但仍要增加一定的長度作為安全儲備。具體取值應按實際情況決定。

3.3 擴底部分對整體承載力的影響

傳統錨桿技術采用直錨，將錨桿埋于等徑巖孔之后灌注細石混凝土或砂漿形成等徑錨樁，依靠錨樁與巖孔間摩擦力抵消錨桿的上拔載荷。但風化巖層中存在大量巖石節理，錨桿可能因摩擦力不足而滑動。在風化巖層中，錨桿基礎上拔力的大小取決于巖孔和錨桿砂漿柱的黏結強度。大量試驗證明，上拔破壞是因錨桿砂漿柱從巖體中抽出造成的。

巖層擴底錨桿技術是在等徑巖孔底部擴底，對錨孔作擴底處理。在錨桿底部安裝雙向撐板，并利用銷軸固定于錨桿桿體上。錨桿下入擴底錨孔后雙向撐板張開，擴撐于擴底錨孔內，防止錨桿體從錨孔內拔出。

與直錨桿相比，擴底錨桿的基礎受力原理發生了改變——由原來的類摩擦樁改為擴底部分受力的承載樁基礎。這樣，擴大了載荷分布范圍，使其由之前單一地依靠摩擦力承載變為同時由摩擦力和擴底上拔力承載，從而提升了承載能力，并在樁徑和長度相同的情況下提高了承載的可靠性。

但目前的規范與規程并沒有對擴底錨桿類型基礎的抗拔承載力給出明確的計算公式，且范圍仍然局限于直錨桿。盡管擴底錨桿基礎通過改變受力方式提高了承載力，但目前這一部分仍然只作為錨桿抗拔力的安全儲備，并沒有體現在計算結果中，即擴底錨桿抗拔力的計算仍采用直錨桿公式。在選取參數時，針對擴底錨桿基礎可以考慮選取上限值。比如，對于砂漿與巖石間黏結強度特征值的選取，規范中有關較軟巖的數值是0.2～0.4 MPa。如果采用擴底錨桿，可以考慮選取范圍中的較大值。

3.4 增加基礎承載力的方法

對于風機擴底錨桿基礎，可以通過一些途徑達到增加基礎承載力的目的，比如適當增加混凝土基礎底部直徑，選取合適的錨桿長度，適當增加錨桿直徑，在滿足規范要求的前提下盡量將錨桿布置在靠近基礎邊緣側。

4 結束語

錨桿基礎是規范中明確的風機基礎可采用的形式之一，對巖層地基有著較好的適應性。同時，該基礎形式開挖量小，鋼筋、混凝土等用量少，具有總造價低、對周邊環境影響小等顯著優點，可以彌補目前較為常用的重力式擴展基礎的若干不足。而與直錨桿基礎相比，擴底錨桿基礎的受力原理發生了改變，載荷分布范圍得到了擴大——由之前單一的依靠摩擦力承載變為同時由摩擦力和擴底上拔力承載，從而加大了承載能力。

本文通過具體工程案例中擴底錨桿基礎的相關計算，展現了計算過程中需要注意的事項，分析了擴底錨桿基礎與擴展基礎的優、缺點，錨桿長度選取中需要注意的問題以及擴底部分對整體承載力的影響，并提出可以通過適當增加混凝土基礎底部直徑，選取合適的錨桿長度，適當增加錨桿直徑，在滿足規范要求的前提下盡量將錨桿布置在靠近基礎邊緣側等方法來提高風機擴底錨桿基礎的承載力。

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〔編輯：劉曉芳〕