基于ANSYS的泌陽中祥風電場PH樁基礎極限承載力研究

閻 爍，王立權,李 娜

(黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 工程概況

1.1 地理位置

泌陽中祥風電場位于河南省駐馬店市泌陽縣境內。境內有海拔400 m以上的山頭27座，海拔700 m以上的山頭6座，其中以白云山為最高峰，海拔 983 m，縣境的東北部和崔村附近為全縣最低，海拔83 m，整個地區海拔高度處于83～983 m 之間，形成境內崗巒起伏，山嶺連綿，是一個典型的淺山丘陵區。

1.2 風能資源

由泌陽氣象站近30 a長系列風速觀測資料統計分析可知，泌陽氣象站多年間的平均風速為1.884 m/s，最大年平均風速為 2.280 m/s，最小年平均風速為 1.590 m/s；氣象站多年月平均風速在1.6～2.2 m/s之間變化，其中大風月份主要為2—4月，小風甚至無風月為5—8月，年內的風速變化幅度較大。

根據泌陽縣氣象站近30 a實測資料推算風機輪轂70 m高度標準空氣密度下， 50 a一遇最大風速、極大風速分別為36.8 m/s、51.5 m/s；由測風資料推算測風塔70 m高度15 m/s(±0.5)風速段的湍流強度為0.123；根據風資源模擬的結果可知中祥風電場工程可布機位點70 m高度年平均風速為5.81 m/s，年平均風功率密度為246.8 W/m2；各可布機電工協會IEC61400-1(2005)標準判定本風電場屬 IECⅢC 類安全等級，在風電機組選型時需選擇適合IECⅢC類風場的風力發電機組。

1.3 土建工程

根據《風電場工程等級劃分及設計安全標準(試行)》(FD 002—2007)、《風電機組地基基礎設計規定(試行)》(FD 003—2007)、《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2002)，本風電場工程等別為Ⅲ級，工程規模為中型；風機塔架基礎設計級別為2級，結構安全等級為二級。

升壓站內建筑物、構筑物級別為 2 級，結構安全等級均為二級；主要建筑物、構筑物的抗震設防類別為丙類。

2 PH樁基礎有限元分析

2.1 PH樁基礎簡介

2.1.1 PH樁基礎

(1)技術特點：深基礎，埋深一般在地下10 m左右。主要由被動土壓力承受風機載荷(見圖1)。

圖1 PH樁基礎

(2)優勢:造價低；沒有繁瑣的鋼筋綁扎工程，施工速度快。表1為各基礎部分造價。

(3)缺點：①此基礎的關鍵材料：預應力材料與波紋筒不易采購；需要一臺小型吊車在現場配合施工。②設計時沒有考慮土的塑性特性和時間效應，因此安全性存在問題。③錨栓腐蝕問題沒有解決，存在安全隱患。④錨栓張拉斷裂，更換成本巨大。

(4)適用條件：非濕陷性黃土地質。

表1 基礎成本(單臺價格)

基礎類型其他/元價格/萬元施工速度排序安全排序適應性錨栓式PH樁基礎梁板式巖石錨桿210 000205 000200 00090.2397.8370.80231213不宜用于濕陷性黃土通用巖石地基

注：C15混凝土按300元/m3；C40混凝土按500元/ m3；鋼筋價格按5000元/t；基礎環價格按1萬元/t；“其他”費用包括挖方、填方、吊車租賃、稅費、管理費等。

2.1.2 基礎環式基礎

(1)技術特點：風機塔架與基礎之間通過基礎環進行連接(見圖2)。

圖2 樁基礎環

(2)缺點：基礎環與混凝土基礎連接部位存在剛度突變，因此基礎環附近混凝土容易疲勞破壞。設計時需要特別注意。

(3)優點：基礎環的防腐與塔架的防腐方案一致，因此不存在后期使用過程中基礎環的腐蝕問題。

(4)適用條件：適用于所有陸上場地[1]。

2.2 極限荷載對PH樁承載能力的影響研究分析

地基承載力指的是地基承擔荷載能力的大小。荷載增大會導致地基變形，起始階段地基土處于彈性平衡的狀態，具有安全的承載能力，當荷載逐漸增加，直到地基中開始出現小區域內各點的再生剪切破壞從而處于新的極限平衡的狀態，此時土中應力也會重新分布。所以要保證地基承受荷載小于地基的承載能力，當荷載增加，地基出現大范圍的塑性區，地基也將因為地基承載力不足而失去穩定，發生失穩破壞。

通過對國內外眾多的類似工程事故的調查，在一些軟弱地基或者不良地基的地區出現了大量由于地基失穩引起的工程事故，地基問題在這些地方顯得尤為突出[2]，地基與基礎工程的事故大都是由于建筑地基不能滿足建筑物對于地基的要求所造成。各類的建筑工程對地基的要求歸納如下。

在建筑物的荷載組合中，所有作用于地基上的設計荷載應該遠遠小于地基承載能力并以此來使得地基不會發生破壞，土坡也應當能夠滿足整體的穩定性要求，使其不會產生滑動破壞。如果地基穩定性不能夠滿足設計要求，那么地基將會產生局部的剪切破壞或者造成更為嚴重的沖切剪切破壞、或者整體的剪切破壞。也將使得建筑物倒塌。

實際工程中發生了眾多因為地基承載力不足或者設計考慮不足導致的工程事故，并且很多是由于設計時出現的偏差，從而導致人員的傷亡、經濟的大量損失。

2.3 模型的構建

設計采用全新的設計理念，在整體樁基礎為混凝土的基礎上嵌入鋼環，并在樁基礎上部建基礎環連接上部和基礎。基于原型樁基礎的實際工況以及圖紙，設定縮小的比例，如表2，按同比縮小其整體模型，其構造采用了優化的設計，采用混凝土筒內嵌入鋼環，內部填入回填土，外部采用無密度的天然土[3]。為簡化計算，不考慮鋼筋的影響，將混凝土考慮為彈性材料，將風機基礎簡化為由混凝土筒和基礎環兩部分。

表2 按比例尺縮小以后基礎各部數值

圖3表示地基在基礎受力時的橫向位移變化；圖4表示地基在基礎受力時的縱向位移變化；圖5表示地基在樁基礎受力時的豎向位移變化；圖6表示地基在樁基礎受力時的合位移的變化。

樁基礎在承受荷載時，橫縱向位移變化比豎向位移變化明顯，而新的設計理念就是嵌入鋼環使其能夠承受彎矩應力，使得應力能向下傳導，從而減小基礎本身混凝土的破壞風險以及PH樁承受荷載時對邊界地基的影響。

2.4 材料參數

設計材料參數與地基變形允許值如表3、表4所示。

圖3 地基橫向位移變化圖

圖4 地基縱向位移變化圖

圖5 地基豎向位移變化圖

圖6 地基合位移變化圖

表3 設計材料參數

表4 地基變形允許值

圖7、圖8分別為混凝土筒所受第一主應力圖以及第三主應力圖；圖9表示鋼環的馮米塞斯應力圖；圖10為鋼環合位移變化圖，鋼環的變形程度不滿足要求值，有變形產生。應力分布不均，這主要也是由于此處是施加的剛性區，為主要受力區，應力變化較大。節點在極限荷載下一、三主應力見表5。

圖7 混凝土筒所受第一主應力圖

圖8 混凝土筒所受第三主應力圖

圖9 鋼環馮米塞斯應力圖

圖10 鋼環合位移變化圖

表5 節點在極限荷載下一、三主應力 kPa

此處取表5在樁基承受極限荷載時，在各工況下，混凝土以及鋼環所受的第一、第三主應力均不滿足要求，并且鋼環沒有被混凝土包裹的區域產生了嚴重的變形，但是其沉降值滿足要求的允許值。

傾斜率系指基礎傾斜方向實際受壓區域兩邊緣的沉降差與其距離的比值，按式(1)計算地基變形允許值：

(1)

式中：S1、S2為基礎傾斜方向實際受壓區域兩邊緣的最終沉降值；bs為基礎傾斜方向實際受壓區域的寬度[4]。

3 結 論

地基承載力的研究，不僅是設計最合理承載力，并且在適應地基的基礎上，不斷改進設計，使樁基礎更加穩固合理且經濟。PH樁型，樁基的承載能力由于混凝土包裹鋼環而增加，內部填充回填土節省了成本，天然土包裹混凝土的結構由鋼環受力向下傳導，樁基在承受的荷載較大時，依然保持自身的穩定，并且大部分組件沒有受到破壞?；A環不僅有支撐作用，還能起到傳遞荷載的效果。

風機的運行過程中，由于風力大小不定，所以也就使得整體受力變得非常復雜，合理的連接方式以及設計使得基礎受力均衡向下傳導。在當今的風機工程實例中，單樁的設計承載力愈來愈大，甚至達到“萬牛頓”為單位的程度，所以，為了滿足其設計承載力的要求，設計中便要從樁身材料、增加樁身的截面面積、提高樁身的混凝土的強度這些方面入手，找到新的有效的沉樁技術、對持力層進行加固等途徑，今后也可以通過樁身的改進來滿足設計承載力的增加方面的研究。