基于P&H樁基礎(chǔ)力學(xué)性能研究

李學(xué)山 丁波濤 王 浩 何智武,3 王忞煊

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510663；2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450000； 3.中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450000)

0 引言

風(fēng)能是清潔的可再生能源，隨著全球化石能源枯竭、供應(yīng)緊張、氣候變化形勢嚴(yán)峻，世界各國都認(rèn)識到了發(fā)展可再生能源的重要性，并對風(fēng)電發(fā)展高度重視，世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展[1]。P&H無張力灌注樁基礎(chǔ)作為新型的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，是迄今為止最經(jīng)濟(jì)的風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)。其低廉的造價、超高的穩(wěn)定性、廣泛的適用性等諸多的優(yōu)點，越來越受到人們的歡迎。

Erin E．Bachynski等[2]對于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的研究表明，在不同的波浪和風(fēng)荷載的重疊作用下，下部平臺基礎(chǔ)對上部風(fēng)機(jī)塔架會有很大的影響，并且提出了對海上風(fēng)機(jī)張力腿平臺基礎(chǔ)的優(yōu)化方案；Chris Horgan[3]研究分析了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和陸上基礎(chǔ)在整個工程中造價所占的比重，得出了基礎(chǔ)造價在工程中的造價占有很大的比重，因此優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)可獲得極大的經(jīng)濟(jì)效益；Inge Lotsberg[4]進(jìn)行了風(fēng)機(jī)鋼管混凝土樁基礎(chǔ)的正常使用極限狀態(tài)下及極限疲勞狀態(tài)下的試驗研究，試驗主要研究了塔筒與基礎(chǔ)連接處圓周的剪力及焊接處的疲勞強(qiáng)度，分析了現(xiàn)有的設(shè)計的合理性以及提出了新的設(shè)計方法；薛志慶學(xué)者等[5]深入探討了陸上風(fēng)機(jī)八邊形基礎(chǔ)的計算以及設(shè)計方法，對其受力進(jìn)行了理論分析，得到了該類型的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計方法以及荷載計算表格。許新勇等[6]針對砂土軟基上的發(fā)電機(jī)組塔架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，建立了三維有限元數(shù)值模型，研究了砂土軟基對風(fēng)機(jī)塔架基礎(chǔ)特殊形式的受力影響，分析了塔架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力特性和規(guī)律。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于P&H樁的力學(xué)性能研究較少。因此本文建立了地基—基礎(chǔ)三維有限元模型，對P&H樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)性能有限元分析，驗證P&H樁基礎(chǔ)能否滿足風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定和強(qiáng)度要求，為今后P&H樁的研究提供理論依據(jù)和有益參考。

1 工程實例

1.1 設(shè)計方案

結(jié)合某風(fēng)電場的地基情況，基礎(chǔ)埋深為9.5 m，外波紋管直徑為5.2 m，內(nèi)波紋管直徑為3.2 m；整個樁基礎(chǔ)外部的回填混凝土部分，基坑上部外緣半徑為8.4 m，下部外緣半徑為7.4 m，整體呈倒置圓臺狀。本文主要進(jìn)行不同工況的穩(wěn)定性分析。

1.2 材料參數(shù)

1)回填混凝土的力學(xué)參數(shù)。

樁基礎(chǔ)外部的回填混凝土，強(qiáng)度為C15,彈性模量E1=2.20×104N/mm2，泊松比ν1=0.167，重度γ1=24 kN/m3。內(nèi)部的回填混凝土，強(qiáng)度為C30，彈性模量E2=3.00×104N/mm2；強(qiáng)度為C35，彈性模量E3=3.15×104N/mm2；強(qiáng)度為C40，彈性模量E4=3.25×104N/mm2；強(qiáng)度為C45，彈性模量E5=3.35×104N/mm2；強(qiáng)度為C50，彈性模量E6=3.45×104N/mm2；泊松比ν2,3,4,5=0.167，重度γ2,3,4,5,6=25 kN/m3。

2)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿的力學(xué)參數(shù)。

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿的彈性模量E7=2.20×104N/mm2，泊松比ν7=0.167，重度γ7=78.5 kN/m3。

3)回填土、地基土的力學(xué)參數(shù)。

回填土、地基土的彈性模量E8，9=1.7×104N/mm2,泊松比ν8,9=0.167,重度γ8=17 kN/m3。

1.3 有限元模型

在有限元模型計算中，基礎(chǔ)部分的外部回填混凝土、波紋管內(nèi)部回填混凝土以及中芯回填土的材料單元為Solid65單元；預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿所在面簡化為一圓桶面，材料單元屬性為Shell63單元。其中劃分單元后的P&H樁地基及基礎(chǔ)網(wǎng)格劃分圖及P&H樁基礎(chǔ)有限元模型半剖圖見圖1，圖2。

2 模型計算分析

2.1 位移分析

圖3為正常工況和極端工況下的基礎(chǔ)位移圖。在其截面的上邊緣取得5個特征點，分別為外部回填混凝土的最外緣點(節(jié)點1)、內(nèi)部回填混凝土的內(nèi)外緣點(節(jié)點2，4)、高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿最上端點(節(jié)點3)，中心點(節(jié)點5)。由圖3中可以看出：1)極端工況下，基礎(chǔ)的位移變化顯著。2)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿最上端點的位移最小，其中心點的位移最大。

2.2 應(yīng)力分析

初步擬定樁基礎(chǔ)為C40混凝土，圖4a),圖4b)和圖5a)，圖5b)為正常工況和極端工況的第一、三主應(yīng)力圖。由圖4a)、圖4b)可以看出：1)正常工況下，第一主應(yīng)力值為1.8 MPa；極端工況下，應(yīng)力值為8.73 MPa。2)正常工況下，整體上其拉應(yīng)力值小于1.19 MPa，除了應(yīng)力集中區(qū)域外其他大部分混凝土的拉應(yīng)力都小于其設(shè)計值ft=1.71 N/mm2；極端工況下，整體上拉應(yīng)力值小于0.81 MPa。由圖5a)，圖5b)可以看出：1)正常工況下，第三主應(yīng)力值為2.99 MPa；極端工況下，應(yīng)力值為9.88 MPa。2)正常工況和極端工況下，材料整體上符合強(qiáng)度要求。

2.3 優(yōu)化分析

將初設(shè)為C40強(qiáng)度的需要回填到兩波紋管中間的混凝土替換為C30,C35,C45,C50強(qiáng)度等級的混凝土。由表1可以看出：1)混凝土 所承受的拉應(yīng)力都小于該型號混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值ft。2)壓應(yīng)力也都小于該型號混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fc。3)在一定程度上可以對C40強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行替換。

表1 不同工況下第一、三主應(yīng)力的最值

3 結(jié)語

1)擬定混凝土強(qiáng)度C40的P&H樁基礎(chǔ)滿足風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定和強(qiáng)度要求。2)不同工況下混凝土強(qiáng)度從C30到C50作為回填混凝土對應(yīng)力的影響不太明顯，在一定程度上可以對初擬定的的混凝土進(jìn)行替換。