基于ANSYS的泌阳中祥风电场PH桩基础极限承载力研究

阎 烁，王立权,李 娜

(黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 工程概况

1.1 地理位置

泌阳中祥风电场位于河南省驻马店市泌阳县境内。境内有海拔400 m以上的山头27座，海拔700 m以上的山头6座，其中以白云山为最高峰，海拔 983 m，县境的东北部和崔村附近为全县最低，海拔83 m，整个地区海拔高度处于83～983 m 之间，形成境内岗峦起伏，山岭连绵，是一个典型的浅山丘陵区。

1.2 风能资源

由泌阳气象站近30 a长系列风速观测资料统计分析可知，泌阳气象站多年间的平均风速为1.884 m/s，最大年平均风速为 2.280 m/s，最小年平均风速为 1.590 m/s；气象站多年月平均风速在1.6～2.2 m/s之间变化，其中大风月份主要为2—4月，小风甚至无风月为5—8月，年内的风速变化幅度较大。

根据泌阳县气象站近30 a实测资料推算风机轮毂70 m高度标准空气密度下， 50 a一遇最大风速、极大风速分别为36.8 m/s、51.5 m/s；由测风资料推算测风塔70 m高度15 m/s(±0.5)风速段的湍流强度为0.123；根据风资源模拟的结果可知中祥风电场工程可布机位点70 m高度年平均风速为5.81 m/s，年平均风功率密度为246.8 W/m2；各可布机电工协会IEC61400-1(2005)标准判定本风电场属 IECⅢC 类安全等级，在风电机组选型时需选择适合IECⅢC类风场的风力发电机组。

1.3 土建工程

根据《风电场工程等级划分及设计安全标准(试行)》(FD 002—2007)、《风电机组地基基础设计规定(试行)》(FD 003—2007)、《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002)，本风电场工程等别为Ⅲ级，工程规模为中型；风机塔架基础设计级别为2级，结构安全等级为二级。

升压站内建筑物、构筑物级别为 2 级，结构安全等级均为二级；主要建筑物、构筑物的抗震设防类别为丙类。

2 PH桩基础有限元分析

2.1 PH桩基础简介

2.1.1 PH桩基础

(1)技术特点：深基础，埋深一般在地下10 m左右。主要由被动土压力承受风机载荷(见图1)。

图1 PH桩基础

(2)优势:造价低；没有繁琐的钢筋绑扎工程，施工速度快。表1为各基础部分造价。

(3)缺点：①此基础的关键材料：预应力材料与波纹筒不易采购；需要一台小型吊车在现场配合施工。②设计时没有考虑土的塑性特性和时间效应，因此安全性存在问题。③锚栓腐蚀问题没有解决，存在安全隐患。④锚栓张拉断裂，更换成本巨大。

(4)适用条件：非湿陷性黄土地质。

表1 基础成本(单台价格)

基础类型其他/元价格/万元施工速度排序安全排序适应性锚栓式PH桩基础梁板式岩石锚杆210 000205 000200 00090.2397.8370.80231213不宜用于湿陷性黄土通用岩石地基

注：C15混凝土按300元/m3；C40混凝土按500元/ m3；钢筋价格按5000元/t；基础环价格按1万元/t；“其他”费用包括挖方、填方、吊车租赁、税费、管理费等。

2.1.2 基础环式基础

(1)技术特点：风机塔架与基础之间通过基础环进行连接(见图2)。

图2 桩基础环

(2)缺点：基础环与混凝土基础连接部位存在刚度突变，因此基础环附近混凝土容易疲劳破坏。设计时需要特别注意。

(3)优点：基础环的防腐与塔架的防腐方案一致，因此不存在后期使用过程中基础环的腐蚀问题。

(4)适用条件：适用于所有陆上场地[1]。

2.2 极限荷载对PH桩承载能力的影响研究分析

地基承载力指的是地基承担荷载能力的大小。荷载增大会导致地基变形，起始阶段地基土处于弹性平衡的状态，具有安全的承载能力，当荷载逐渐增加，直到地基中开始出现小区域内各点的再生剪切破坏从而处于新的极限平衡的状态，此时土中应力也会重新分布。所以要保证地基承受荷载小于地基的承载能力，当荷载增加，地基出现大范围的塑性区，地基也将因为地基承载力不足而失去稳定，发生失稳破坏。

通过对国内外众多的类似工程事故的调查，在一些软弱地基或者不良地基的地区出现了大量由于地基失稳引起的工程事故，地基问题在这些地方显得尤为突出[2]，地基与基础工程的事故大都是由于建筑地基不能满足建筑物对于地基的要求所造成。各类的建筑工程对地基的要求归纳如下。

在建筑物的荷载组合中，所有作用于地基上的设计荷载应该远远小于地基承载能力并以此来使得地基不会发生破坏，土坡也应当能够满足整体的稳定性要求，使其不会产生滑动破坏。如果地基稳定性不能够满足设计要求，那么地基将会产生局部的剪切破坏或者造成更为严重的冲切剪切破坏、或者整体的剪切破坏。也将使得建筑物倒塌。

实际工程中发生了众多因为地基承载力不足或者设计考虑不足导致的工程事故，并且很多是由于设计时出现的偏差，从而导致人员的伤亡、经济的大量损失。

2.3 模型的构建

设计采用全新的设计理念，在整体桩基础为混凝土的基础上嵌入钢环，并在桩基础上部建基础环连接上部和基础。基于原型桩基础的实际工况以及图纸，设定缩小的比例，如表2，按同比缩小其整体模型，其构造采用了优化的设计，采用混凝土筒内嵌入钢环，内部填入回填土，外部采用无密度的天然土[3]。为简化计算，不考虑钢筋的影响，将混凝土考虑为弹性材料，将风机基础简化为由混凝土筒和基础环两部分。

表2 按比例尺缩小以后基础各部数值

图3表示地基在基础受力时的横向位移变化；图4表示地基在基础受力时的纵向位移变化；图5表示地基在桩基础受力时的竖向位移变化；图6表示地基在桩基础受力时的合位移的变化。

桩基础在承受荷载时，横纵向位移变化比竖向位移变化明显，而新的设计理念就是嵌入钢环使其能够承受弯矩应力，使得应力能向下传导，从而减小基础本身混凝土的破坏风险以及PH桩承受荷载时对边界地基的影响。

2.4 材料参数

设计材料参数与地基变形允许值如表3、表4所示。

图3 地基横向位移变化图

图4 地基纵向位移变化图

图5 地基竖向位移变化图

图6 地基合位移变化图

表3 设计材料参数

表4 地基变形允许值

图7、图8分别为混凝土筒所受第一主应力图以及第三主应力图；图9表示钢环的冯米塞斯应力图；图10为钢环合位移变化图，钢环的变形程度不满足要求值，有变形产生。应力分布不均，这主要也是由于此处是施加的刚性区，为主要受力区，应力变化较大。节点在极限荷载下一、三主应力见表5。

图7 混凝土筒所受第一主应力图

图8 混凝土筒所受第三主应力图

图9 钢环冯米塞斯应力图

图10 钢环合位移变化图

表5 节点在极限荷载下一、三主应力 kPa

此处取表5在桩基承受极限荷载时，在各工况下，混凝土以及钢环所受的第一、第三主应力均不满足要求，并且钢环没有被混凝土包裹的区域产生了严重的变形，但是其沉降值满足要求的允许值。

倾斜率系指基础倾斜方向实际受压区域两边缘的沉降差与其距离的比值，按式(1)计算地基变形允许值：

(1)

式中：S1、S2为基础倾斜方向实际受压区域两边缘的最终沉降值；bs为基础倾斜方向实际受压区域的宽度[4]。

3 结 论

地基承载力的研究，不仅是设计最合理承载力，并且在适应地基的基础上，不断改进设计，使桩基础更加稳固合理且经济。PH桩型，桩基的承载能力由于混凝土包裹钢环而增加，内部填充回填土节省了成本，天然土包裹混凝土的结构由钢环受力向下传导，桩基在承受的荷载较大时，依然保持自身的稳定，并且大部分组件没有受到破坏。基础环不仅有支撑作用，还能起到传递荷载的效果。

风机的运行过程中，由于风力大小不定，所以也就使得整体受力变得非常复杂，合理的连接方式以及设计使得基础受力均衡向下传导。在当今的风机工程实例中，单桩的设计承载力愈来愈大，甚至达到“万牛顿”为单位的程度，所以，为了满足其设计承载力的要求，设计中便要从桩身材料、增加桩身的截面面积、提高桩身的混凝土的强度这些方面入手，找到新的有效的沉桩技术、对持力层进行加固等途径，今后也可以通过桩身的改进来满足设计承载力的增加方面的研究。