梁板式樁筏基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

張延軍 ，木林隆 ，錢(qián)建固 ，黃茂松

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土與地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092）

1 引 言

隨著風(fēng)能作為一種重要可再生能源越來(lái)越受到全世界的重視并取得了飛速發(fā)展，關(guān)于陸上風(fēng)機(jī)的研究也越來(lái)越多。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是確保風(fēng)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一，其主要承受上部風(fēng)機(jī)自重和隨機(jī)水平風(fēng)荷載的作用。由于風(fēng)向可以是任意方向，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)必須具有承受360°偏心隨機(jī)水平荷載的的受力特點(diǎn)，因此風(fēng)機(jī)一般設(shè)計(jì)為關(guān)于中心軸對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。2007年中國(guó)水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院發(fā)布了《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，對(duì)常見(jiàn)擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施有了詳細(xì)、統(tǒng)一的規(guī)定，而關(guān)于在地質(zhì)條件不好、天然地基承載力不足或持力層埋深較大的地區(qū)采用的樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，目前主要參考高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法或國(guó)外先進(jìn)風(fēng)機(jī)廠家圖紙。

風(fēng)電梁板式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)主要參照工業(yè)與民用建筑中梁板式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)，因在民用建筑中梁板式基礎(chǔ)的研究較多，也相對(duì)較為成熟。馬人樂(lè)等[2]針對(duì)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了根據(jù)不同地基土類(lèi)別和具體情況進(jìn)行合理改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議，使基礎(chǔ)受力更合理、更經(jīng)濟(jì)。王偉等[3]提出了一種豎向荷載作用下樁筏基礎(chǔ)通用分析方法。王曙光[4]進(jìn)行了豎向荷載下單跨梁板式筏形基礎(chǔ)室內(nèi)模型試驗(yàn)，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了梁板式基礎(chǔ)的荷載傳遞順序及破壞性狀，以及基底反力分布規(guī)律。利用該試驗(yàn)結(jié)果，王昆泰等[5]進(jìn)一步分析了梁板式筏形基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基的布樁方法。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是一種典型多向荷載耦合作用下的受力體系，新型梁板式樁筏風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力與變形特點(diǎn)非常復(fù)雜，耦合荷載作用下梁板式樁筏基礎(chǔ)的受力情況較為復(fù)雜，該方面的研究也較少。Kitiyodom等[6]用數(shù)值方法針對(duì)水平荷載和豎向荷載耦合作用下的非均質(zhì)土層中樁筏基礎(chǔ)，估算了隧道開(kāi)挖引起的地面彎矩作用下樁筏基礎(chǔ)的基底沉降和基底反力大小及分布。汪宏偉等[7]基于Mindlin 解，假設(shè)筏板為完全剛性，提出了一種多向荷載同時(shí)作用下的樁筏基礎(chǔ)簡(jiǎn)化計(jì)算方法，得到剛性樁筏基礎(chǔ)的受力和變形的關(guān)系。武帥等[8]利用ANSYS 軟件對(duì)實(shí)際梁板式筏形風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行三維有限元計(jì)算，探討了正常運(yùn)行工況下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及地基的應(yīng)力和變形規(guī)律。汪宏偉等[7]利用其提出的簡(jiǎn)化方法，分析了耦合荷載作用下的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力和變形特性。連柯楠等[9]在實(shí)際工程的基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元建模計(jì)算耦合荷載作用下梁板式基礎(chǔ)管樁、肋梁和環(huán)梁的受力和變形特性，并將有限元計(jì)算得出的基礎(chǔ)構(gòu)件內(nèi)力與規(guī)范設(shè)計(jì)方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)分析了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁土分擔(dān)比，研究了耦合荷載作用下土體的承載作用。耦合作用下的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力特性的復(fù)雜性決定了目前大部分方法均為數(shù)值方法，而數(shù)值方法的正確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，重點(diǎn)討論了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在靜止?fàn)顟B(tài)和正常運(yùn)行狀態(tài)工況下風(fēng)機(jī)受力特性，并將實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

2 工程概況

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)處于射陽(yáng)港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的農(nóng)牧公司附近。地基土主要為全新統(tǒng)海陸過(guò)渡相-海相淤漲沉積物，按其成因及沉積特征自上而下可劃分為7 個(gè)大層，6 個(gè)亞層和1 個(gè)夾層，見(jiàn)表1。本工程總裝機(jī)容量為51 MW，安裝17 臺(tái)華銳風(fēng)電3.0 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)輪轂高度為90 m，輪轉(zhuǎn)直徑為121 m。風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口電壓為690 V，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)配置一臺(tái)箱式變電站。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用八邊形梁板式樁筏基礎(chǔ)，通過(guò)基礎(chǔ)環(huán)及中墩將上部塔筒、葉片自重及風(fēng)荷載、風(fēng)機(jī)動(dòng)荷載傳遞到肋梁，再通過(guò)肋梁傳遞到環(huán)梁、筏板和樁?；A(chǔ)外接圓直徑為21 m，基礎(chǔ)中心預(yù)埋直徑為4.3 m 圓形基礎(chǔ)環(huán)，基礎(chǔ)環(huán)上預(yù)設(shè)孔洞便于主梁鋼筋插入后澆筑混凝土?；A(chǔ)埋深3.8 m，采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，基礎(chǔ)墊層采用C20素混凝土。樁基采用預(yù)制管樁，所有樁外徑為0.6 m，內(nèi)徑為0.34 m，樁長(zhǎng)44 m，筏板厚0.3 m。環(huán)梁截面分上下2 段，下段寬1.2 m，上段寬0.6 m，下段和上段高均為0.8 m，上下2 段軸線重合。肋梁截面尺寸：肋梁和基礎(chǔ)環(huán)相交處為1.4 m×3.6 m；肋梁和環(huán)梁相交處為1.4 m×1.711 m。圖1為測(cè)試基礎(chǔ)示意圖。

表1 地基土土層分布Table 1 Distribution of soil layer

圖1 梁板式樁筏基礎(chǔ)示意圖Fig.1 Sketch of piled beam-raft foundation

3 梁板式樁筏基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案及測(cè)試過(guò)程

3.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及下臥土層中分別埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)和土壓力盒，測(cè)試風(fēng)電基礎(chǔ)在施工過(guò)程和工作狀態(tài)下樁頂軸力及基底土壓力的大小，從而分析整個(gè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在施工過(guò)程和正常工作狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律。

3.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

土壓力盒型號(hào)為JDTYJ-20，測(cè)量范圍為0～0.3 MPa；鋼筋計(jì)型號(hào)為JDGJJ-10，測(cè)量范圍為0～80 kN；測(cè)讀儀采用型號(hào)為JDZX-2 振弦式測(cè)讀儀。

3.1.3 試驗(yàn)設(shè)備埋設(shè)

土壓力盒共13 個(gè)，在墊層鋪設(shè)完畢之后埋設(shè)在墊層下，具體埋設(shè)位置如圖2 所示。由圖3 可見(jiàn)，鋼筋計(jì)焊接在鋼筋上，插入預(yù)制樁心，并澆入膨脹混凝土，每根樁內(nèi)安鋼筋計(jì)3 個(gè)，分7 根樁布設(shè)，共21 個(gè)。其中內(nèi)環(huán)樁內(nèi)鋼筋計(jì)的埋設(shè)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，吊裝基礎(chǔ)環(huán)之前，外環(huán)樁鋼筋計(jì)的埋設(shè)在基坑開(kāi)挖之后，基礎(chǔ)底板澆筑完畢，綁扎基礎(chǔ)主體鋼筋的過(guò)程中。具體位置和個(gè)數(shù)見(jiàn)圖2。

圖2 土壓力盒及樁內(nèi)鋼筋計(jì)分布(單位:mm)Fig.2 Distribution of earth pressure cells and reinforcement meters in piles(unit:mm)

圖3 鋼筋計(jì)焊接示意圖Fig.3 Sketch of the weld of reinforcement meters

3.1.4 測(cè)試過(guò)程

在每個(gè)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)測(cè)讀并記錄儀器頻模值，具體測(cè)試時(shí)間點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 儀器測(cè)試時(shí)間Table 2 Time of measurement

3.1.5 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3、4。表3為單根鋼筋應(yīng)力，且均為與初始讀數(shù)頻模值差值換算所得，初始頻模值為設(shè)備埋入基礎(chǔ)之后而地板未澆筑之前測(cè)得儀器讀數(shù)，為同一樁內(nèi)3 個(gè)鋼筋計(jì)讀數(shù)取平均值之后計(jì)算的結(jié)果。樁及土壓力盒編號(hào)見(jiàn)圖2。

表3 樁內(nèi)鋼筋計(jì)測(cè)試結(jié)果Table 3 Measurement results of reinforcement meters

表4 基底土壓力盒測(cè)試結(jié)果Table 4 Measurement results of earth pressure cells

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 基底土壓力分析

圖4為根據(jù)表4 擬合的土壓力分布圖。其中，細(xì)黑線表示的正八邊形為次梁輪廓，斜線為肋梁輪廓。土壓力盒編號(hào)標(biāo)明了測(cè)點(diǎn)位置，豎線長(zhǎng)度和紅球縱坐標(biāo)大小標(biāo)明了各測(cè)點(diǎn)相應(yīng)土壓力大小。右側(cè)彩色圖譜同樣表示土壓力大小，顏色越深代表土壓力越大。

圖4 土壓力分布(單位:kPa)Fig.4 Distribution diagram of soil pressure(unit:kPa)

由圖4(a)為基礎(chǔ)回填之后所測(cè)得的地基土壓力分布擬合圖可以看出，T10～T13 位置土壓力較大，因上覆土體回填，肋梁間的筏板受土重作用最明顯，變形最大。土壓力最大值出現(xiàn)在T13 位置且數(shù)值較大，可能由施工其他因素造成。因?yàn)榇藭r(shí)基礎(chǔ)環(huán)直接作用在中心4 根樁上，而基礎(chǔ)構(gòu)造內(nèi)部荷載較大，外部荷載較小，所以離中心越遠(yuǎn)土壓力越小，也說(shuō)明此時(shí)荷載主要由基礎(chǔ)環(huán)附近的樁土承擔(dān)。與中心呈軸對(duì)稱(chēng)的位置土壓力大小相近。從中心到基礎(chǔ)最外邊，土壓力先增大，后減小。圖中離中心較遠(yuǎn)的T1、T5、T6、T9 處土壓力相近且較小。位于正中心的T3 位置土壓力也較小，是因?yàn)檎行奶幫翂毫χ饕獊?lái)自基礎(chǔ)和上覆土自重導(dǎo)致的基礎(chǔ)受力變形。

直接粘貼為對(duì)象格式圖片不清晰，本文均采用截屏或黏貼為圖片的方式，效果較好，以下為可編輯的對(duì)象格式。圖2為cad 繪圖，圖4為grapher 10繪圖，圖5為origin 8.5 繪圖。

圖4(b)為基礎(chǔ)在上部塔筒吊裝后的土壓力分布圖。與圖4(a)比較可以看出，基底土壓力分布規(guī)律一致，離中心較遠(yuǎn)的T1、T5、T6、T9 位置土壓力大小基本不變，僅僅是離內(nèi)圈4 根樁附近位置所測(cè)得的土壓力值略為增加，可見(jiàn)塔筒部分自重荷載主要由樁基承擔(dān)，土體承擔(dān)較小。一部分原因是塔筒吊裝完成后立即測(cè)量，土體變形尚未完成，所測(cè)得的土壓力還有增大的可能。

圖4(c)為風(fēng)機(jī)調(diào)試完成后低速運(yùn)行時(shí)基底土壓力分布圖。與圖4(a)、4(b)相比，基底土壓力分布規(guī)律基本一致，但數(shù)值較小。運(yùn)行時(shí)，在水平風(fēng)荷載和豎向自重荷載的耦合作用下，樁土荷載分擔(dān)比有了較大的變化，樁承擔(dān)了較大的荷載，從而導(dǎo)致基底土壓力變小，從樁頂軸力變化也可以得到驗(yàn)證。

3.2.2 樁頂軸力分析

（1）計(jì)算過(guò)程

首先計(jì)算得到單根樁樁心鋼筋內(nèi)力，然后計(jì)算出單根樁內(nèi)3 根鋼筋計(jì)應(yīng)變平均值 ε0，僅考慮軸心受壓的情況，由鋼筋與混凝土應(yīng)變協(xié)調(diào)得到混凝土承擔(dān)荷載，得到樁頂軸力，計(jì)算表達(dá)式為

式中：E1為插筋彈性模量；E2為混凝土彈性模量；E3為樁身預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量；A1為樁內(nèi)插筋單根鋼筋截面面積；A2為單樁除去所有插筋截面積后的凈截面面積；A3為樁身預(yù)應(yīng)力鋼筋單根鋼筋截面面積。

（2）計(jì)算結(jié)果及分析

圖5 中實(shí)心標(biāo)注的PA、PB、PC、PD是內(nèi)圈樁，空心標(biāo)注的PE、PF、PG是外圈樁。以澆筑完底板為初始狀態(tài)，所有測(cè)試數(shù)據(jù)減去初始狀態(tài)數(shù)據(jù)繪圖，可以看出，每一個(gè)施工階段樁頂軸力的相對(duì)變化。由圖中可以看出，內(nèi)圈4 根樁樁頂軸力大小隨施工進(jìn)度的變化規(guī)律相同，外圈3 根樁樁頂軸力大小隨施工進(jìn)度的變化規(guī)律也一致。

圖5 樁頂軸力分布Fig.5 Distribution diagram of the axial force of the top of piles

由于連接塔架用的基礎(chǔ)環(huán)直接架設(shè)于內(nèi)圈4 根樁上，內(nèi)圈樁承擔(dān)的荷載較大。澆完基礎(chǔ)后，內(nèi)圈樁軸力迅速增大，因基礎(chǔ)為內(nèi)圈較高的圓臺(tái)，主要荷載均在內(nèi)圈，基礎(chǔ)的變形還未使外圈樁產(chǎn)生較大反力。回填后，由于基礎(chǔ)變形，樁底土壓力發(fā)揮，外側(cè)樁承載力發(fā)揮，內(nèi)側(cè)樁軸力減小，與前述理論方法分析結(jié)論一致。吊裝之后，內(nèi)圈與外圈樁頂軸力均增加，因塔架與基礎(chǔ)環(huán)相連，而基礎(chǔ)環(huán)直接架設(shè)于內(nèi)圈樁上，因此，內(nèi)圈樁基軸力增長(zhǎng)較為明顯，說(shuō)明塔筒荷載主要由樁基承擔(dān)，這也可以從土壓力增長(zhǎng)不明顯得到驗(yàn)證。運(yùn)行后，基礎(chǔ)開(kāi)始發(fā)揮整體效應(yīng)，內(nèi)圈樁軸力降低，外圈樁軸力提高，不考慮偏心作用，內(nèi)圈樁軸力減少總值為2 100 kN，外圈樁增長(zhǎng)為2 400 kN。

外圈樁樁頂軸力大小則始終保持在一個(gè)水平，是因?yàn)榛A(chǔ)環(huán)和塔筒直接作用在內(nèi)圈4 根樁上，通過(guò)基礎(chǔ)傳遞到外圈的荷載較小。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，內(nèi)圈樁頂軸力顯著減小，外圈樁頂軸力仍有微小增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)榛A(chǔ)環(huán)直接作用在內(nèi)圈4 根樁上。風(fēng)機(jī)運(yùn)行前，基礎(chǔ)環(huán)與中墩的相互作用較小，風(fēng)機(jī)上部荷載主要由內(nèi)圈樁承擔(dān)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，基礎(chǔ)環(huán)與中墩之間產(chǎn)生相對(duì)位移，相互作用加強(qiáng)，基礎(chǔ)環(huán)傳遞到中墩，中墩傳遞到肋梁的荷載增加，外圈樁承擔(dān)的荷載增加，而基礎(chǔ)環(huán)直接傳遞到內(nèi)圈樁的荷載減小?；A(chǔ)環(huán)與中墩之間的相互作用有待進(jìn)一步研究。

3.2.3 樁土分擔(dān)比分析

（1）計(jì)算過(guò)程

基礎(chǔ)為軸對(duì)稱(chēng)圖形，認(rèn)為對(duì)稱(chēng)位置樁樁頂軸力近似相等，由此估算樁承擔(dān)豎向荷載值。

以基礎(chǔ)中心為原點(diǎn)，半徑分別為R1～R4 的圓將基礎(chǔ)覆蓋土體平面分為1 個(gè)圓和3 個(gè)圓環(huán)，共4個(gè)區(qū)域。近似認(rèn)為每個(gè)區(qū)域土壓力值相等，用區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)平均值為代表值。由此計(jì)算土體承擔(dān)豎向荷載，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 土體承擔(dān)荷載計(jì)算Table 5 Calculation of the load that the soil bears

（2）計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算塔筒吊裝完成后的樁土荷載分擔(dān)比，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 樁土分擔(dān)比計(jì)算Table 6 Calculation of the pile soil sharing

由表6 可以看出，風(fēng)機(jī)靜止時(shí)，在豎向荷載作用下土體承擔(dān)荷載大小為7 403 kN，占豎向總荷載的23.01%。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，土體承擔(dān)荷載大小為6 568 kN，占總荷載的34.20%。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)土體承擔(dān)荷載比例相對(duì)于風(fēng)機(jī)靜止時(shí)有所增大。所以，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，適當(dāng)考慮土體的承載作用是合理的。

4 與設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[10]附錄C，計(jì)算考慮水平荷載作用下承臺(tái)基樁和土協(xié)同作用下的樁基內(nèi)力和變形。規(guī)范計(jì)算方法假定：土體為彈性變形介質(zhì)，其水平抗力系數(shù)隨深度線性增加（M 法），地面處為0；樁頂與承臺(tái)固接，承臺(tái)為完全剛性。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。從表中可以看出，無(wú)論是吊裝前還是吊裝后，樁頂軸力最小值遠(yuǎn)小于承載力特征值和實(shí)際設(shè)計(jì)值，表明單樁抗拉偏于安全。吊裝前最大樁頂軸力為1 996 kN，遠(yuǎn)大于承載力特征值1 620 kN和實(shí)測(cè)樁頂最大軸力1 606.9 kN，表明設(shè)計(jì)是偏于不安全的，可能是由于基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)并未完全發(fā)揮整體效應(yīng)造成。吊裝后樁頂軸力最大值為1 689 kN與設(shè)計(jì)值接近，可見(jiàn)對(duì)于某根可能達(dá)到最大值的樁來(lái)說(shuō)是偏于不安全的。但由圖7 還可以看出，樁頂軸力出現(xiàn)最大值最可能為內(nèi)圈4 根樁，除此之外，其他樁樁頂軸力均遠(yuǎn)小于極限承載力特征值或者設(shè)計(jì)最大值，可見(jiàn)對(duì)基礎(chǔ)環(huán)與梁板式基礎(chǔ)的連接應(yīng)該加強(qiáng)。

表7 樁頂軸力對(duì)比Table 7 Contrast of the force of the top of piles

5 結(jié) 論

（1）基底土壓力最大值出現(xiàn)在肋梁之間。

（2）最外圈樁基軸力和基礎(chǔ)外邊緣基底土壓力主要來(lái)源于基礎(chǔ)自重。

（3）風(fēng)機(jī)運(yùn)行前，基礎(chǔ)環(huán)與中墩相互作用小，內(nèi)圈樁承擔(dān)主要荷載；風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，基礎(chǔ)環(huán)與中墩相互作用增強(qiáng)，內(nèi)外圈樁整體受力，內(nèi)圈樁軸力減小，外圈樁軸力增大，基礎(chǔ)整體受力趨于均勻?；A(chǔ)環(huán)與中墩之間的相互作用有待進(jìn)一步研究。

（4）基樁抗拉設(shè)計(jì)偏于安全，內(nèi)圈基樁抗壓設(shè)計(jì)偏于不安全。

（5）風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)方法不考慮土體的承載作用，計(jì)算結(jié)果偏于安全。

[1]水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.FD003-2007 風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

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