豎向荷載對風機基礎(chǔ)水平承載性能影響試驗研究

木林隆，李 杰，張延軍，黃茂松

(1.同濟大學 巖土與地下工程教育部重點實驗室，上海 200092； 2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092)

豎向荷載對風機基礎(chǔ)水平承載性能影響試驗研究

木林隆1,2，李 杰1,2，張延軍1,2，黃茂松1,2

(1.同濟大學 巖土與地下工程教育部重點實驗室，上海 200092； 2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092)

梁板式風機基礎(chǔ)是陸上風機基礎(chǔ)的一種新型形式。根據(jù)室內(nèi)模型試驗對梁板式樁筏基礎(chǔ)內(nèi)的梁、樁、土等的受力變形特性進行深入探討，重點討論了豎向荷載對風機梁板式樁筏基礎(chǔ)水平承載性能的影響。研究表明：豎向荷載可以提高梁板式樁筏基礎(chǔ)水平承載能力；水平荷載作用下，隨著豎向荷載的增加，樁頂軸力分配不均勻性減小，樁土荷載分擔比減小。

巖土工程；風機基礎(chǔ)；梁板式樁筏基礎(chǔ)；模型試驗；耦合荷載

0 引 言

梁板式樁筏基礎(chǔ)是一種新型的樁筏基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)的實體樁筏基礎(chǔ)，其在不明顯降低基礎(chǔ)承臺剛度的前提下，節(jié)省大量的工程材料成本，從而提高經(jīng)濟效益。近幾年風電場發(fā)展迅速，梁板式風機基礎(chǔ)作為一種新型風電基礎(chǔ)具有很大發(fā)展?jié)摿?。許多學者[1-5]采用理論分析、模型試驗、現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬等方法，對樁筏基礎(chǔ)的受力特性進行了研究。何春保等[6]采用半數(shù)值、半解析方法，通過梁、板、柱以及地基之間力與位移平衡協(xié)調(diào)分析，得到了考慮上部結(jié)構(gòu)剛度時梁板式筏基與地基共同作用的半數(shù)值、半解析解。王曙光[7]進行了豎向荷載下單跨梁板式筏形基礎(chǔ)室內(nèi)模型試驗，通過分析試驗數(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。而目前針對風機梁板式基礎(chǔ)的研究較少。連柯楠等[8]針對國華通遼風電場工程，用有限元分析了耦合荷載作用下風機的管樁軸力、環(huán)梁彎矩、肋梁彎矩的特性，并得出規(guī)范設(shè)計方法偏于保守的結(jié)論。張延軍等[9]針對風機梁板式樁筏基礎(chǔ)進行了現(xiàn)場測試試驗，得出風機運行后土體承擔荷載較大，目前的設(shè)計方法不考慮土體的承載作用，計算結(jié)果偏于安全。木林隆等[10-11]采用大型室內(nèi)模型試驗對梁板式風機基礎(chǔ)的受力變形特性進行研究，得出了樁-樁相互作用及樁-土相互作用對具有一定柔性的梁板式樁筏基礎(chǔ)受力變形特性具有重大的影響，現(xiàn)行設(shè)計時應(yīng)考慮這幾個因素。

風機基礎(chǔ)在水平荷載和豎向荷載共同作用下運行，其力學特性十分復(fù)雜，特別是豎向荷載對水平承載性能的影響機理仍不清晰，也未見文獻報道。筆者通過室內(nèi)模型試驗對梁板式樁筏基礎(chǔ)的受力變形特性進行深入探討，重點討論了豎向荷載對在水平荷載作用下梁板式樁筏基礎(chǔ)承載性能的影響。

1 模型試驗方案

1.1 模型相似關(guān)系

本次試驗根據(jù)材料物理特性決定選用鋁合金材料制作樁及承臺，由此可以確定λE=2.3。由于多維加載模型箱的大小及邊界效應(yīng)的限制，本次試驗中取λl=0.01。對于管樁模型，需要通過調(diào)整壁厚使抗壓剛度和抗彎剛度滿足相似常數(shù)。結(jié)構(gòu)模型與原型的相似關(guān)系見表1。

表1 模型相似關(guān)系

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/p>

本試驗?zāi)Ｐ筒捎娩X合金材料在生產(chǎn)車間澆鑄成型，模型尺寸可以保證足夠精確。

1.2.1 承 臺

承臺示意如圖1。樁與承臺之間采用螺紋連接，承臺對應(yīng)樁位置預(yù)留孔洞，4根肋梁和8根環(huán)梁與底板一體成型。承臺頂部嵌入突出于承臺頂面40 mm、直徑30 mm的加載頭，用于豎向荷載和水平荷載的施加。

圖1 基礎(chǔ)承臺Fig.1 Foundation platform

1.2.2 管 樁

共采用8根管樁，由外徑為14 mm，內(nèi)徑為10 mm的鋁管制作，有效樁長456 mm，如圖2。

圖2 管樁Fig.2 Tube pile

1.2.3 模型箱

模型箱尺寸為800 mm×1 070 mm，如圖3。根據(jù)設(shè)備加載頭的活動范圍布置模型初始位置?？拙V強等[12]研究表明模型樁與模型箱壁之間的距離在1倍直徑以上，邊界效應(yīng)可以忽略。本模型試驗中水平荷載加載時主要邊界影響為加載方向前方邊界對試驗結(jié)果影響較大，因此在加載前方保持基礎(chǔ)模型與試驗邊界距離在3倍基礎(chǔ)直徑。而模型后方及側(cè)向邊界均保持1倍基礎(chǔ)直徑，在模型箱側(cè)壁涂抹凡士林，保持側(cè)壁光滑減少邊界摩阻力對試驗結(jié)果的影響。

圖3 模型布置Fig.3 Model layout

1.3 量測原件

本次試驗在管樁內(nèi)壁、肋梁和環(huán)梁表面分別粘貼應(yīng)變片測量基礎(chǔ)內(nèi)力。

1.3.1 樁身及肋梁、環(huán)梁應(yīng)變片布置

根據(jù)基礎(chǔ)和荷載的對稱性，在水平荷載作用方向取2根外圈樁和1根內(nèi)圈樁，垂直于水平荷載方向取1根外圈樁，水平荷載方向取承受較大荷載的肋梁及相鄰環(huán)梁分別布設(shè)應(yīng)變片測試樁、梁內(nèi)力。每根基樁沿樁身粘貼10枚應(yīng)變片，對稱布置，如圖4(a)；肋梁、環(huán)梁各粘貼6枚應(yīng)變片，上下對稱布置，粘貼在梁側(cè)面，如圖4(b)、圖4(c)。

1.3.2 承臺底土壓力計

本次試驗采用薄膜壓力傳感器測量承臺底部土壓力。薄膜壓力計的具體布置見圖4(d)。

圖4 承臺、樁、梁應(yīng)變片布置Fig.4 Strain gauges layout of caps, pile and beam

1.4 土 樣

本次試驗采用干砂，d50≈0.15 mm。為了保證砂土密實度的一致性，砂土回填采用分層填埋壓實法，即每回填厚度40 mm，將砂土壓實，進行下一層回填，注意保證每次壓實程度一致。測試得到試驗砂土的參數(shù)如表2。

表2 砂土參數(shù)

1.5 加載工況

加載采用同濟大學自主研發(fā)的物理模型多維系統(tǒng)，可實現(xiàn)任意三向組合的荷載加載。本試驗中，豎向加載采用荷載控制方式，水平加載采用位移控制方式。豎向加載速度為100 N/min，加載位移為10 mm，通過土壓力計的數(shù)據(jù)可以判斷承臺底是否與土體表面相接觸，加載完畢后卸載。在每一組試驗之前均使用此方法，試驗過程中保證每次加載位移相同從而保證試驗初始狀態(tài)一致。具體試驗加載見表3。

表3 加載方案

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果處理

樁身截面彎矩計算公式為

(1)

樁身截面軸力計算公式為

F=EPAeε

(2)

式中：M為彎矩；F為軸力；EP為樁彈性模量；IP為樁身截面慣性矩；ε+，ε-分別為拉、壓應(yīng)變值；D為直徑；Ae為有效截面積。

肋梁、環(huán)梁截面軸力和彎矩計算類似。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 荷載位移曲線

根據(jù)工況1至工況4試驗數(shù)據(jù)可以作出豎向荷載作用下，水平方向加載至破壞時基礎(chǔ)頂部的荷載位移曲線，如圖5。由圖5可以看出，隨著豎向荷載的增加，水平承載能力增加。由于豎向荷載作用在樁頂相當是增加一個豎向約束，豎向荷載越大約束作用越大，水平承載能力增加。

圖5 不同豎向荷載下水平荷載位移曲線Fig.5 Horizontal load displacement curve underdifferent vertical load

2.2.2 樁身彎矩

周洪波等[13]指出，對于水平荷載作用下的群樁，前排樁承擔更多剪力和彎矩?，F(xiàn)以樁P2為例，根據(jù)工況1～工況4的樁身應(yīng)變值通過式(1)計算并作出不同水平荷載的情況下樁P2的樁身彎矩，如圖6。由圖6可以看出，豎向荷載不影響樁身彎矩分布規(guī)律及其隨水平荷載變化規(guī)律。

圖6 P2樁身彎矩-豎向荷載關(guān)系曲線Fig.6 P2 pile shaft moment- vertical load curve

圖7為相同水平荷載下樁頂隨豎向荷載的變化。由圖7可見，樁頂預(yù)壓豎向荷載使得樁頂彎矩減小，但豎向荷載增加到一定程度后影響減弱，樁頂彎矩基本不變。

2.2.3 樁身軸力

考慮模型中樁軸對稱分布，以水平荷載作用方向前排樁P2為典型，在承臺頂預(yù)壓豎向荷載時，P2樁身軸力分布如圖8。由圖8可以看出，無彎矩作用時，水平荷載對樁身軸力的影響較小。樁身軸力增大主要取決于豎向荷載。

圖9為水平荷載為1 000 N時，P1～P4在8根樁所承擔的總荷載中所占比例，作出樁頂軸力分擔比隨預(yù)加豎向荷載變化的曲線，可以看出，水平荷載作用到一定程度(H=1 000 N)后，樁P2承擔更高比例的豎向荷載，而樁P4承擔更小百分比的豎向荷載，樁頂軸力表現(xiàn)出不均勻分配，且預(yù)加豎向荷載越小，這種樁頂軸力的不均勻性表現(xiàn)得越明顯。由于豎向荷載對樁底有約束作用，豎向荷載越大約束作用越明顯，可知豎向荷載可以使水平荷載作用下各樁之間的軸力分配更加均勻。

圖9 樁頂軸力-豎向荷載大小關(guān)系曲線Fig.9 Axial force of piles top- vertical load size curve

圖10為樁土荷載分擔比隨豎向荷載的變化曲線。由圖10可以看出，隨著樁土變形的增長，樁底土的承載作用得到發(fā)揮，樁基承擔的荷載減小，且豎向荷載越大，樁基變形增大，樁底土承擔的荷載更多，樁土荷載分擔比減小。

圖10 樁土荷載分擔比-豎向荷載關(guān)系曲線Fig.10 Pile-soil load share ratio -vertical load curve

2.2.4 梁端彎矩

從圖5可以得到H=1 300 N為V=0時的最大水平荷載，所以作H=1 300 N時不同豎向荷載下梁截面彎矩如圖11，其中梁截面編號如圖4(d)。由圖11可以看出，由于在荷載傳遞過程中荷載通過肋梁傳遞給環(huán)梁和角樁，隨著預(yù)壓豎向荷載的增加，環(huán)梁及肋梁的梁端彎矩都呈線性增加，肋梁彎矩的最大值出現(xiàn)在近基礎(chǔ)中心端截面B1-3處。

圖11 H=1 300 N時梁截面彎矩Fig.11 Beam-sections bending moment(H=1 300 N)

2.2.5 承臺底土壓力分布

土壓力計編號如圖4(d)，圖12為豎向荷載加載完成(即H=0)和水平荷載加載到H=1 300 N時沿水平荷載作用方向承臺底土壓力分布。由圖12可以看出，無水平荷載作用時，承臺底土壓力分布呈中間小，兩端大的馬鞍形分布，隨豎向荷載增加，基底土壓力數(shù)值增加，但分布形式不變。可見梁板式基礎(chǔ)具有一定柔性。由圖12(b)可以看出，預(yù)壓豎向荷載后，施加水平荷載，沿水平荷載方向(土壓力計從7到1)基底土壓力表現(xiàn)出非線性遞減的趨勢，且豎向荷載越大，遞減趨勢越明顯。由圖12(d)可以看出，在與水平荷載垂直方向(土壓力計從10到8)，基底土壓力表現(xiàn)出內(nèi)大外小的分布，豎向荷載越大，內(nèi)外土壓力差值越大；無肋梁下(土壓力計從13到11)，基底土壓力表現(xiàn)出類似于與水平荷載作用垂直方向內(nèi)大外小的分布，但豎向荷載的影響較小。

圖12 基底土壓力分布Fig.12 Distribution of basement soil pressure

3 結(jié) 論

針對豎向荷載對風機梁板式樁筏基礎(chǔ)水平承載性能進行了室內(nèi)模型試驗，重點研究了梁板式樁筏基礎(chǔ)荷載位移曲線、樁身彎矩及軸力分布、兩端彎矩和承臺底土壓力分布，得出以下結(jié)論：

1)豎向荷載可以提高梁板式樁筏基礎(chǔ)水平承載能力。

2)豎向荷載有助于提高水平荷載作用下梁板式樁筏基礎(chǔ)樁基的抗彎能力。

3)水平荷載作用下，隨著豎向荷載的增加，樁頂軸力分配不均勻性減小，樁土荷載分擔比減小。

4)梁板式樁筏基礎(chǔ)梁端彎矩隨豎向荷載增加而增大，且近基礎(chǔ)中心端梁截面彎矩增大幅度最大。

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(責任編輯 譚緒凱)

Influence of Vertical Load on the Lateral Bearing Capacityof Wind Turbine Foundations

MU Linlong1,2, LI Jie1,2, ZHANG Yanjun1,2, HUANG Maosong1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, P.R.China;2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P.R.China)

Piled beam-raft foundation of wind generating set is a new form of the foundation for wind turbine on land and a in-depth discussion on the mechanical and deformation characteristics of beam, piles and soil of piled beam-raft foundations by laboratory model test was carried out with focus on the impact of vertical load on the lateral bearing capacity of piled beam-raft foundations. The study shows that the horizontal bearing capacity of piled beam-raft foundations will be improved under vertical load. The uneven distribution of axial pile on pilehead under horizontal load decreased with increase of vertical load and pile-soil load shear ratio reduced.

geotechnical engineering ；turbine foundations; piled beam-raft foundation; model tests; coupling load

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.10

2015-09-30；

2015-12-11

國家自然科學基金項目(41572260,51208378)

木林隆(1984— )，男，浙江溫州人，講師，博士，主要從事巖土力學與巖土工程方面的研究。E-mail:mulinlong@hotmail.com。

TU 473

A

1674-0696(2017)02- 055- 06