探讨GRF桩基础在陆上风电场基础中应用的可行性

朱杰清 李亚杰

(福建省电力勘测设计院，福建 福州 350000)

0 引言

风能作为清洁无污染的新能源，风力发电为目前新能源技术中技术成熟、适宜大规模商业开发发电的方式之一，受到企业、政府等各方的大力支持而蓬勃发展。风机基础的安全性、可靠性作为风电场中风力发电机组安全正常运行的关键因素之一，而不同的地质条件下，不同类型风机基础的性能发挥程度也各不相同。随着我国风电建设的跨越式发展，我国电力工程建设者在风机基础设计优化、结构受力分析等方面也开展了大量基础性工作，风机基础型式随着技术的革新及场地条件的变化，由传统的重力式扩展基础发展为桩基础、梁板式基础等各具特色，且存在相应适应范围的基础型式。GRF桩基作为新开发的岩土增强基础型式，它在超大直径桩周围分层、辐射状分布锚杆来改善桩土相互作用机理。其设计理念是在桩主体周围增加锚杆支架，通过改善桩土之间连接来提高桩基础的抗压性、抗弯性及抗震性。本文以GRF桩基础在风电场风机基础上的应用为例进行详细论述，通过Plaxis2D对其承载力进行数值模拟，以探讨GRF基础在陆上风电场基础中的应用和发展的可能性，对今后风电场建设中的风机基础选型具有一定的参考意义。

1 GRF桩基础的结构分析

GRF桩基础由桩基础主体与连接在桩基础主体上的锚杆(即增强支架)两部分通过组装焊接等构成。

GRF桩基础的主体结构与普通钢筋混凝土桩体基本相同。增强支架为GRF桩基础独有之处，其由增强杆件和保护层2部分构成，实际施工常用锚杆作为增强构件，一端固定在主体桩上，另一端则深深的垂直插入周围的土层之中。GRF桩基础的桩主体浇筑过程与普通桩基础类似，且在浇筑过程中适宜增强支架即锚杆的架设与连接。GRF桩基础施工工艺简单，施工可操作性强，适宜在大型桩基础施工中推广使用。风电场风机基础具有直径大，施工工作面直径大等特点，可知GRF桩基础是适宜风电场建设的。

2 Plaxis2D计算模型建立

2.1 模拟软件及计算原理介绍

采用Plaxis2D软件进行模拟计算。采用15节点单元建立数值计算模型，运用Plaxis2D软件自带的Mohr-Coulomb本构模型来模拟土体。在GRF桩基础受力过程中土体内部会形成一定范围的塑性区，基于此特点采用Mohr-Coulomb模型来模拟土的弹塑性本构关系；在GRF桩基础的竖向及水平向承载力的模拟分析中，GRF桩主体、锚杆与土体之间的接触行为用接触面单元模型来模拟。

2.2 建模计算

1)约定3种桩基础型式。

a.桩基础1：目前常用的风电场桩基础型式，取直径为D。

b.桩基础2：桩基础+等半径长度的锚杆；桩基础直径D与桩长均不变，沿径向分布长为D/2的锚杆。

c.桩基础3：桩基础桩径减1/5+等半径长度的锚杆；桩基础直径取0.8D且桩长均不变，沿径向分布长为0.5D的锚杆。

2)数值模型的建立。

选用轴对称模型，用摩尔—库仑模型模拟土的强度与刚度、用板来模拟桩主体的、用锚杆单元模拟GRF桩基础增强支架、用接口单元模拟桩与土的接触面。运用Plaxis2D版本模拟竖向集中荷载、水平向集中荷载作用下的三种桩基础类型的桩顶竖向、水平向位移变化过程。桩径取D=6 m，桩长取L=10 m，基础所在区域地层土体按两层划分：上层为厚约5 m的粉质粘土；下层为厚约10 m的残积土。锚杆直径取为0.1 m，长度根据3种桩型分别选取，锚杆分3排布置，每排间距为2.0 m。每排6根，以桩中心为界对称布置,见表1。

表1 桩土体参数

3 计算结果的分析与讨论

3.1 竖向荷载位移对比分析

对比3种桩基础型式的竖向荷载位移曲线，桩顶沉降取20 mm时，对应的竖向荷载分别为2 200 kN,2 800 kN,1 900 kN；即比例为1∶1.3∶0.85，若不考虑锚杆的影响，根据桩基规范大直径单桩极限承载力的经验取值公式比例应为1∶1∶0.5，可知锚杆对风电场桩基础的竖向抗压承载力提升效果非常明显，提升比例约30%，且桩基础2未完全发挥其竖向抗压承载力，见图1。

3.2 水平向荷载位移对比分析

对比3种桩基础型式的竖向荷载位移曲线，桩顶水平位移取10 mm时，对应的水平向荷载分别为130 kN,160 kN,65 kN；即比例为1∶1.25∶0.48，若不考虑锚杆的影响，根据桩基规范单桩水平向极限承载力的经验取值公式比例应为1∶1∶0.25，可知锚杆对风电场桩基础的水平向承载力提升效果非常明显，提升比例约23%，且桩基础2未完全发挥其水平向承载力,见图2。

4 GRF桩基础的承载效果的分析与评价

1)经济效果评价。根据计算结果的分析与讨论可知，在相同的竖向承载力下，GRF桩基础与普通的摩擦桩相比较，所需桩主体钢筋混凝土体积缩小约25%～35%，即混凝土使用量减少约25%～35%；同时可知在相同的水平向承载力下，GRF桩基础与普通的摩擦桩相比较，所需桩主体钢筋混凝土体积缩小约20%～30%，即混凝土使用量减少约20%～30%，建设成本平均降低15%～25%；同时，还大大缩减了施工时间，降低了施工难度。即从经济可行性上，GRF桩基础非常适用于风电场中风机基础的建设，不但节约建造成本，且有益于减少施工时间。

2)施工可行性评价。立坑挖掘→侧壁钻孔→安装增强锚杆→填充保护层→立体桩施工，除中间需要钻孔安装增强锚杆，其余与目前传统的风电场基础型式施工方法基本吻合，可方便快速的直接推广应用。

5 结论与建议

1)风机基础作为保证风力发电机组运行关键因素之一，在风电场的运营中安全起到至关重要的作用。本文在施工技术、承载力提升效果等方面论证了GRF桩基础在风电场基础上应用的可行性。2)本文仅定性分析了GRF桩基础对风电场基础型式的影响，后续可从锚杆的数量、分布密度、长度等方面定量分析，为工程实际需要找到最优解。3)GRF桩基础与普通摩擦桩相比，具有较好的经济性和稳定性，可作为未来风电场桩基础施工的主要方向之一。

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