風(fēng)機(jī)在風(fēng)荷載作用下水平受力研究

摘? 要：在樁基工程中，自由端的風(fēng)荷載較為普遍，通常存在于風(fēng)力發(fā)電樁基礎(chǔ)的頂端。由于對風(fēng)荷載前后荷載傳遞機(jī)理的了解以及樁基承載性能的變化，實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程的計(jì)算往往導(dǎo)致計(jì)算不合理，造成工程不安全或不經(jīng)濟(jì)。因此，有必要對風(fēng)荷載前后的荷載傳遞機(jī)理和承載性能的變化進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以便采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧﹣硖岣唢L(fēng)電場的安全性。本文依據(jù)持續(xù)循環(huán)風(fēng)荷載作用下，應(yīng)力歷史的變化使得樁基承載性狀發(fā)生變化，隨著樁身承載力的降低，對基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的安全性能將產(chǎn)生潛在的威脅。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ);風(fēng)荷載;安全分析

隨著我國城市化和工業(yè)建設(shè)的快速發(fā)展，大量需要承受水平荷載的建筑物不斷涌現(xiàn)，對樁基水平阻力的要求不再局限于海上工程。但是，與實(shí)際工程需要相對應(yīng)的樁基理論研究相對落后。軟土由于其壓縮性高，承載力低等特點(diǎn)，提出了較高的承載力要求。由于樁基豎向剛度大，垂向拉拔承載力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，樁基逐漸成為軟土地基常用的基本形式。對于樁基豎向承載力研究和不均勻沉降研究，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)取得了顯著的研究成果，并逐漸形成了比較完整的理論體系。但是相應(yīng)地，對樁基水平承載力的研究相對較少，水平荷載作用下樁基應(yīng)力機(jī)理，計(jì)算模式和破壞過程等方面還沒有一個(gè)完整清晰的理論體系。在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)師大多傾向于經(jīng)驗(yàn)公式。因此，從以上原因可以看出，在水平荷載的作用下，研究樁基，特別是軟土地基樁的承載性狀具有重要的理論和實(shí)際意義。

一、風(fēng)荷載對樁基礎(chǔ)承載性狀影響的試驗(yàn)研究

風(fēng)荷載作用下樁基承載力變化的試驗(yàn)研究結(jié)果相對較少。最早是對橋梁風(fēng)荷載現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié)，分析總結(jié)了風(fēng)荷載對樁基水平承載力的影響。結(jié)果表明，風(fēng)荷載會(huì)大大降低粘性土中樁基的水平承載力。采用室內(nèi)模型試驗(yàn)對風(fēng)荷載和風(fēng)荷載后兩組的豎向承載力進(jìn)行了試驗(yàn)。得到豎向沉降曲線和沿樁身的軸力。風(fēng)荷載的最終阻力和荷載傳遞規(guī)律，總結(jié)了風(fēng)荷載對群樁豎向承載性狀的影響。因此，大量的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)荷載對樁的承載力特別是水平承載力影響較大，但這方面的研究未能形成系統(tǒng)而深入的結(jié)果。由于風(fēng)荷載承載力的降低受土體特性和樁身結(jié)構(gòu)等因素的影響，因此僅靠實(shí)驗(yàn)手段難以得到一致的規(guī)律，尤其是對于復(fù)雜海洋環(huán)境下的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的海上平臺。由于海洋平臺比海洋環(huán)境復(fù)雜，比橋梁樁基的風(fēng)荷載要復(fù)雜得多。風(fēng)荷載對海上平臺樁基承載性能的影響研究甚少。

二、風(fēng)荷載對樁基礎(chǔ)承載性狀影響的數(shù)值模擬

采用數(shù)值模擬方法研究了風(fēng)荷載作用下樁基承載力的變化。有很多文獻(xiàn)，包括有限元分析軟件，有限差分分析軟件和樁基礎(chǔ)分析軟件（如LPILE，F(xiàn)LAC3D，GEP）等，對風(fēng)荷載作用前后的承載力進(jìn)行了分析和模擬。大部分的研究是風(fēng)荷載對樁的水平承載性能的影響。

根據(jù)風(fēng)荷載作用下砂土地基的土體特性變化，討論了平臺樁基的承載力?？紤]風(fēng)荷載引起的土體特性變化，估算風(fēng)荷載作用后砂土地基的摩擦角，相對密度和超固結(jié)率。提出應(yīng)消除樁基周圍的土體，考慮風(fēng)荷載。均勻土體的簡化方法在一定程度上會(huì)低估樁基周圍土體的側(cè)向土阻力?；诖?，提出了風(fēng)荷載后砂土地基極限承載力公式，修正了p-y曲線?；赗eese等人提出的沙粒p-y曲線，考慮了風(fēng)荷載作用后土體的應(yīng)力歷史，修正了基礎(chǔ)反應(yīng)的體積密度，內(nèi)摩擦角和模量。修改后的p-y曲線進(jìn)入樁分析軟件LPILEPlusV5.0，計(jì)算結(jié)果與原位測試結(jié)果較為相似。結(jié)果表明，從正常固結(jié)土到超固結(jié)土的土體會(huì)增加樁基的水平土阻力。如果忽略土體的應(yīng)力歷史，設(shè)計(jì)結(jié)果將是部分安全的。

數(shù)值模擬這些方法的準(zhǔn)確性關(guān)鍵在于樁土相互作用的應(yīng)用和風(fēng)荷載過程的擬合方法。由于采用的方法，樁身結(jié)構(gòu)和土體特性的差異，數(shù)值模擬結(jié)果出現(xiàn)較大差異，對于不同的土體，不同類型的樁沒有形成比較系統(tǒng)的理論。在現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法中，假設(shè)主要用于考慮樁土相互作用。將土體模擬成無質(zhì)量的彈簧。同時(shí)風(fēng)荷載過程的擬合多采用開挖方法，不考慮上覆土層的變化，經(jīng)過一段時(shí)間后，會(huì)造成一定的計(jì)算誤差。同時(shí)，由于缺少工程實(shí)例和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果無法驗(yàn)證，不能在工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用。

三、風(fēng)荷載下樁基承載特性的數(shù)值模擬研究

在樁基工程中，風(fēng)荷載問題較為普遍，一般存在于樁基附近的風(fēng)電中。本文在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了風(fēng)荷載作用下的單樁模型。采用有限元軟件ANSYS模擬風(fēng)荷載對單樁水平承載力的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果，采用ANSYS軟件，得到適合實(shí)際工程狀態(tài)的樁土接觸面參數(shù)，并討論了水平力和彎矩變化特性。得到了一些對實(shí)際工程有用的結(jié)論。具體來說，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）樁的變形規(guī)律符合典型柔性樁的變形規(guī)律。在水平荷載作用下，樁土相互作用首先發(fā)生在土體表面。隨著水平荷載的增加，土體的阻力逐漸沿樁身深度傳遞，沿樁身直徑方向的側(cè)向土的沖擊力逐漸減小。這就解釋了為什么最大水平位移出現(xiàn)在樁的頂部，同樣的位移極限狀態(tài)也應(yīng)該由樁的頂部位移來控制。

（2）從荷載的增加與樁的最大彎矩的增加之間的關(guān)系可以看出。隨著深度的增加，樁身與樁側(cè)土體發(fā)生壓縮，樁側(cè)土的阻力也增大，樁與土之間的相互作用形成一個(gè)復(fù)雜的體系，這也是樁身彎矩的原因不會(huì)一直增加。樁深-11m附近的彎矩接近于0，表明實(shí)際樁長符合設(shè)計(jì)要求。最大值出現(xiàn)的位置不隨負(fù)載的增加而增加。因此，有必要考慮樁設(shè)計(jì)的彎矩是否滿足約2（D + 1）處彎曲能力的要求。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對樁-土界面的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。采用現(xiàn)場測試和ANSYS軟件仿真的結(jié)果以及標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的理論結(jié)果對側(cè)向承載力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，該數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果具有較好的相似性，誤差在可接受的范圍內(nèi)。

總結(jié)：

建議使用ansys軟件有效模擬樁土相互作用。同時(shí)利用模型試驗(yàn)結(jié)果，得到反映樁-土應(yīng)力實(shí)際狀態(tài)的界面參數(shù)，使得數(shù)值模型能夠反映樁-土的實(shí)際應(yīng)力。通過建立能夠反映項(xiàng)目實(shí)際情況的樁承載力數(shù)值模型，討論了不同風(fēng)荷載因素對樁基承載力的影響規(guī)律，并將其應(yīng)用于更多的工程領(lǐng)域。針對風(fēng)荷載引起的樁基破壞工程問題，將風(fēng)荷載的主要影響因素與樁基承載力相結(jié)合，在現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，比較了風(fēng)荷載深度對樁基承載力的影響，深入研究并提出了考慮風(fēng)荷載影響的樁端阻力的相應(yīng)公式。

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作者簡介：李昂（1985-），漢族，出生于遼寧省沈陽市，2015年就讀于沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院。