风力发电场基础设计土木系刘华北

1、风力发电场基础设计刘华北博士2005年3月w 联系方法n电话：(010) 62785681n电子邮件：n通讯地址：清华大学土木工程系，邮编 1000841. 概述w 范围n风力发电机组基础n箱式变电站基础w 重要性n风力发电场正常、安全运行的保证w 基础设计原则n保证地基上的荷载不超过地基容许承载力；n控制基础的沉降，保证风力发电机组不因地基的变形而损坏或影响机组的正常运行。1. 概述w 风力发电场基础设计规程n目前还没有n根据报导，正在编制。n目前其设计借鉴其他行业地基基础设计规范。w 风力发电机组基础设计责任n荷载及受力情况与机组特性直接相关；n一般由发电机组生产厂家完成；n提供给风电场设

2、计单位以后，由风电场设计单位进行具体设计。1. 概述w 地基类型n土地基n岩石地基w 基础设计所需基础知识n应力、应变、变形、强度等基本力学概念n材料力学基础n土力学、岩石力学基础n基础工程基础1. 概述w 内容n土力学、岩石力学基础知识l土的组成l土、岩石的强度l土的压缩性n基础设计分析基础l地基承载力l浅基础、条形基础、桩基础l基础沉降计算1. 概述n风力发电机组基础设计l地质勘探l受载特点l基础计算分析方法及步骤2. 土力学、岩石力学基础知识w 土的形成w 土、岩石的组成w 土的分类w 有效应力w 土体中的应力计算w 土与岩石的强度w 土的压缩变形土的形成w 土来源于岩石n岩石风化n自然

3、力量的搬运和沉积l水、风、冰等的作用w 土的特点n离散性残积土西北黄土风积土冰积土海相沉积土工程性质差湖泊沼泽沉积土冲积土洪积土坡积土运积土土的三相组成w 土是由岩石经过复杂的风化、搬运、沉积作用形成的，是离散材料，因此其组成往往并非单相的。n固相：多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质。n液相：主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。 n气相：主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。土的三相组成S : Solid 固相：土颗粒W: Liquid 液相：水 A: Air 气相：空气土的三相组成w 完全干土、未饱和土和饱和土n干土：土中没有液相n饱和土：

4、土中孔隙为水充满 。n饱和土和干土都只有两相。n未饱和土：三相w 饱和度：nSr = 水的体积 / 孔隙的体积土的三相组成土颗粒土颗粒空气空气水水体积体积质量质量Wa=0WwWsWVwVaVsVv土的三相组成w 土的孔隙率ne = 孔隙的体积 / 土颗粒的体积w 土的容重n天然容重：天然土的容重n饱和容重w ：土中孔隙充满水时的容重n干容重d ：土中没有任何水分时的容重n浮容重：土的饱和容重 水的容重 岩石的组成w 岩石的组成也比较复杂n裂隙与节理n岩石组成材料千差万别花岗岩、砂岩、泥岩等。w 从工程应用目的出发，我们可以将岩石视为一种连续材料。土的分类w 土的力学性质与下述因素相关n土颗粒的

5、物理化学性质n土颗粒的形状、大小n土的孔隙率n土的含水量w 根据土的成分的不同，可以对土进行工程分类n不同行业有不同的分类法l水电系统分类法l建筑地基基础设计规范分类法土的分类w 大体而言，土可以根据土颗粒的大小分为两大类：粗粒土和细粒土n粗粒土：l碎石土l砂类土n细粒土l粉土l粘土n具体分类可参见有关规范或参考书。土的有效应力w 作用在土单元某个面上的应力总应力w 土和岩石的应力一般以压应力为正AFAlim0土的有效应力w 饱和土受压力时，除了土颗粒将承担荷载，土中水也会将分摊部分荷载。w 土中水压uw 土的有效压应力：u土体中应力计算w 土体的自重应力n竖直向自重应力szn水平向自重应力s

6、y和sxzszszsysxk0竖直向自重应力水平向自重应力0k:土的侧压力系数土体中自重应力计算 332211HHHsz土体中应力计算w 地基中的附加应力计算n修建建筑物以后地基内新增加的应力n与基础的大小、形状以及计算点的位置有关n一般可以根据基础的形状与计算点的位置通过查表获得。n地基中的附加应力是基础沉降的直接和唯一的诱因。土与岩石的强度w 土与岩石破坏的定义n材料在荷载没有增加（甚至减小）的情况下变形不断发展或者完全丧失承载力。应变应力土与岩石的强度w 土与岩石的破坏一般为剪切破坏w 土与岩石的破坏强度可通过剪切试验得到n现场剪切试验l十字板剪切试验n室内试验l直接剪切：简单易行l三轴

7、剪切l其他土与岩石的强度直剪仪土与岩石的强度剪切盒土与岩石的强度w 剪切强度准则：莫尔库仑准则剪切强度f正压力, ctan cf土与岩石的强度w 强度指标：n粘聚力 cn内摩擦角w 土的剪切强度的影响因素n土颗粒的种类：粘性土颗粒或者无粘性土颗粒n孔隙率密实度n颗粒组成颗粒级配n应力历史n含水量土的压缩变形w 土在压力作用下，孔隙率会降低，从而产生压缩变形w 基础沉降主要是土体在附加应力作用下竖向的压缩变形造成的。w 土体的这种竖向压缩变形可近似视为侧限压缩变形。w 土的这种变形特性可通过原状土样的侧限压缩变形试验得到。w 试验所得到的曲线为土的侧限压缩曲线，可用于基础的沉降分析。土的压缩变形

8、土的压缩变形土的压缩变形1a土的压缩性w 土的压缩性指标压缩系数：2121ppeepea压缩模量：aeHHppHpEs121211H1和H2分别为土试样在受p前后的高度。e1为试件受p前的孔隙率。压缩系数a和压缩模量Es都不是常数，它们都随着压力的变化而变化。3. 基础设计分析基础w 地基承载力w 天然地基上浅基础的设计w 条形基础w 桩基础w 基础的沉降计算w 尽管目前尚无风电场基础设计规范，但地基设计的基本原理是一致的。地基承载力w 地基是建于地基土上面的直接支撑基础的地基土层称为持力层。w 基础设计的最基本原则是基础下的最大压力小于地基的承载力。w 地基承载力定义：在荷载作用下，地基到达

9、一定变形水平时的承载能力。w 地基土一般都是分层的。持力层以下的土层称为下卧层。w 为了基础的安全，下卧层的承载力也必须达到要求。地基承载力w 地基承载力决定于下述几个因素：n地基土的性质l决定因素l地基承载力直接决定于地基土的剪切强度，也就是地基土的粘聚力c和内摩擦角。n基础的埋深。l一般而言，基础埋深越大，地基承载力越大。n基础的形状。地基承载力w 获得地基承载力的最直接方法现场试验w 对于比较重要的工程，一般必须采用这种方法w 建筑地基基础设计规范规定，对于工民建上的一类建筑物，在建筑地基所在地，通过原位荷载试验获取持力层的临界荷载pcr。在同一土层取数点进行试验，以其平均值作为地基承载

10、力的标准值fk。对其进行基础宽度与埋置深度修正后，即为地基承载力设计值f。地基承载力w 宽度、深度修正公式)5 . 0()3(0dbffdbk其中，:f地基承载力设计值:kf地基承载力标准值，kPa:b基础宽度，单位m:d基础埋置深度，单位m:基地以下土的天然容重，地下水位以下用浮容重单位kN/m3:0基底以上土的容重，单位kN/m3:,db基础宽度和深度修正系数地基承载力w 承载力修正系数 地基承载力地基承载力pupcrps平板荷载试验的荷载(p)沉降(s)曲线pu:极限荷载pcr:临界荷载 (比例极限荷载）地基承载力w 对于一些二级建筑物，地基承载力可以通过抗剪强度指标计算得到kcdbcM

11、dMbMf0其中，:b基础宽度，大于6m按6m考虑，对于砂土小于3m按3m考虑:,cdbMMM承载力系数地基承载力w 承载力系数 地基承载力w 对于等级较低的建筑物，可以按照地基土的类型直接查建筑地基规范的承载力表。具体操作可参见建筑地基规范w 火力发电厂的基础的承载力确定方法依据建筑地基规范w 风力发电场地基设计依据？天然地基上的浅基础w 地基土层较好，或基础直接建于岩石上，这种地基叫“天然地基”。做在天然地基上、埋深小于5m（或埋置深度虽大于5m但小于基础宽度的大尺寸基础），在计算中基础侧面的摩擦力不必考虑，统称为“天然地基上的浅基础”w 一般风电发电场发电机组的基础为“天然地基上的浅基础

12、”，除非地基土较差，必须采用桩基等深基础。天然地基上的浅基础w 浅基础有多种类型，如单独基础、条形基础、筏型基础、箱型基础、壳体基础等。但风力发电场常用的基础形式为单独基础。条形基础一般用于箱式变电站。w 浅基础所采用材料可以有混凝土、毛石混凝土、砖、毛石、灰土、三和土、以及钢筋混凝土等。w 由砖、砌石、素混凝土和灰土等材料做成的基础髙宽比必须较大，满足基础自身的强度要求。这类基础称为刚性基础。天然地基上的浅基础w 钢筋混凝土基础髙宽比较小，称为扩展基础。w 风力发电机组基础一般为钢筋混凝土扩展基础。 天然地基上的浅基础 天然地基上的浅基础w 基础的埋置深度n尽量把基础放在良好土层上。如存在下

13、卧软土层，应尽可能浅埋。n深度太大，施工不方便，且不经济n原则：在安全可靠的前提下，尽量浅埋。n基础顶面应低于设计地面100mm以上，避免受外界破坏。n寒冷地区应考虑地基土的冻融深度。具体参见地基规范。天然地基上的浅基础 条形基础w 条形基础n条形基础一般只用于箱式变电站。n箱式变电站的基础一般为钢筋混凝土基础，基础顶预埋槽钢以支撑箱式变电站。n由于箱式变电站的重量较轻，结构较简单，在条形基础设计时，可以采用与一般浅基础类似的办法，而不考虑箱式变电站、基础与地基的共同作用。 桩基础w 当工程地质条件差，软土覆盖层很厚时，必须采用桩基础。桩基础由承台和桩群组成。w 桩基按其在土中传力作用分为端承

14、桩和摩擦桩。端承桩主要靠桩尖处 硬土层支承，桩侧摩擦阻力很小可以忽略不计；相反，摩擦桩的桩端未达硬土层，桩的荷载主要靠桩身与土的摩擦力来支承。实际的桩基是既有摩擦力又有桩端支承力共同作用的半支承桩。w 桩基比浅基础施工难度大、造价高、工期长，在同等风况条件下，应优先选择地质条件良好的风电场。浅基础的沉降计算w 基础的沉降是由地基在基础及上部结构（对风电场来说，即风力发电机组和塔架）作用下所产生的附加应力造成的压缩变形。w 基础的沉降计算一般应用分层总和法n首先，根据基础的形状、埋置深度确定基础中轴线处的附加应力系数。n根据地质勘探结果确定各层土的压缩模量Es。n将地基分层，计算各层沉降之和，即

15、为基础总沉降。浅基础沉降计算 浅基础的沉降计算沉降计算公式：niiiiisisniiszzEpss11101)(其中，:0p基底附加压力:s沉降计算经验系数，可根据当地的工程经验确定，或者根据地基规范查表确定。:siE第i层土的压缩模量:,1ii第i层和i-1层的平均附加应力系数，可从地基规范中查得。浅基础的沉降计算w 应用上式进行计算，必须确定沉降计算深度。w 沉降计算深度可通过计算z层的沉降确定。该层的沉降必须满足下述条件：ss025. 0z层的厚度取值参见下表 （单位：m)：基础宽度b,单位:m 22b44b88b1515b30z1.01.21.5桩基础的沉降计算w 桩

16、基础的沉降计算可采用“等效作用面分层总和法”。w 计算公式：niiiiisiezzEps1110)(其中，和e为经验系数，可根据规范确定。4. 风电场基础设计w 本节主要介绍风力发电机组基础设计。箱式变电站的基础设计方法与风力发电机组基础设计的方法类似。由于箱式变电站基础的荷载量级较小且单一，其设计比发电机组的设计来得简单。w 现在尚无风电场基础设计规范，其设计一般借鉴其他建筑物基础设计规程。w 机械出版社2004年出版的风电场工程技术手册介绍了发电机组基础的设计方法。风电场基础设计内容及步骤w 1. 场地地质勘察，查明地基土或岩石的强度指标和承载力，对于荷载较大、等级较高的建筑物地基还应查明

17、其地基土的压缩模量。w 2. 选择基础的结构类型和建筑材料。一般的风电场机组基础为现浇钢筋混凝土，基础的形状为方形或圆形。而对于软土层较厚的地基，必须选用桩基础。桩基可用现浇钢筋混凝土桩或钢材桩。w 3. 选择持力层，确定合适的基础埋置深度。w 4. 确定地基的承载力。风电场基础设计内容及步骤w 5. 根据地基的承载力和作用在基础上的荷载，计算基础的初步尺寸。w 6. 进行地基计算，确定基础的尺寸n地基持力层的承载力验算n软弱下卧层的承载力验算n对重要建筑物，进行变形验算w 7. 进行基础的结构和构造设计，绘制相应的设计图和施工图。风力发电机组基础的受载特点w 风力发电机组塔架的受力n自重来自

18、塔架及发电机组n风轮作用力和作用在塔架上的风荷载l弯矩l推力l扭矩 风力发电机组基础的受载特点w 基础的受力简图n机组和塔架的自重Qn基础自重Gn倾覆力矩Ml机组自重偏心l风轮产生正压力P和风荷载qn剪力Fl风轮产生正压力P风荷载qn扭矩Mn机组调向所产生风力发电机组基础的受载特点w 有工程界人员认为：剪力F与扭矩Mn一般不大，与其他荷载相比要小很多，因此在考虑到不影响计算结果的同时，又能满足工程要求的前提下，在实际计算中，此两项可忽略不计。这样，在基础设计计算时，可只考虑自重和倾覆力矩的作用。风力发电机组基础的受载特点w 风力发电机组基础的受载特性与机组的型号、容量等关系极端密切，因此基础荷

19、载必须由发电机组的生产厂家提供。 风力发电机组基础结构形式w 风力发电机组的基础可分为浅基础和桩基础两种。w 桩基础的结构形式与一般的独立桩基础没有本质区别，且应用较少。w 浅基础应用广泛，一般为钢筋混凝土重力式基础，其刚度较大，对基础进行分析时，可忽略基础的变形，将基础作为刚性体处理，而只考虑地基的变形。w 一般风力发电机组基础的结构形式有两种“凹”型基础和“凸”型基础两种。风力发电机组基础结构形式凹型基础结构（图中尺寸仅为示意）风力发电机组基础结构形式凸型基础结构（图中尺寸仅为示意） 风力发电机组浅基础的设计与计算w 风力发电机组基础的设计与计算包括如下方面：n基础混凝土重量及几何尺寸的计

20、算n基底受力偏心距计算n基底地基土承载力验算n软弱下卧层承载力验算n设计配筋n基础抗冲切强度校核n允许沉降量校核（重要机组）。n地基水平稳定验算（水平力较大时）风力发电机组浅基础的设计与计算w 基础混凝土重量及几何尺寸底计算n保证机组和地基自重G和Q所产生的稳定力矩大于机组运行时所产生的倾覆力矩M。KMBQG2)(其中，B为基底宽度，对圆形地基为基底直径。 K为安全系数，一般取2。上式中，G和B皆为未知量，因此它应该与地基承载力验算一起进行。w 基底受力偏心距计算n风力发电机组基础为偏心受压基础，为确保机组运行的安全，必须保证基底受力偏心距e不宜太大，一般有如下要求：BQGMe61)/(当e

21、1/6B时，基础一角将会与地基分开。风力发电机组浅基础的设计与计算w 基底地基土承载力的验算n地基土承载力验算应该与基础几何尺寸的确定结合进行。n基底地基土所受最大压力应该小于地基的承载力：fWMAQGP/ )(max其中A为基底面积，W为基底面的抗弯截面模量。当基础为方形时，W B3/6；当基础为圆形时，W D3/32。 风力发电机组浅基础的设计与计算w 基底的最小压力应大于零0/ )(minWMAQGP 风力发电机组浅基础的设计与计算w 软弱下卧层承载力验算n持力层以下，如存在承载力明显低于持力层的土层，称为软弱下卧层。n软弱下卧层承载力验算可以简化为如图所示的简图。风力发电机组浅基础的设

22、计与计算w 对于方形基础，作用于软弱下卧层上的附加应力为：22)tan2()(zbpbcoz其中，b为基础宽度，p为基底压力，co为基底处土的自重应力，z为软弱下卧层距基底距离，为地基压力扩散角。风力发电机组浅基础的设计与计算w 地基压力扩散角决定于持力层与下卧层的模量比Es1/Es2，模量比越大，扩散角越大。 风力发电机组浅基础的设计与计算w 下卧软弱层承载力验算需满足附加应力z和cz必须小于软弱下卧层的承载力：zdzczf其中，fdz软弱下卧层的承载力，注意必须考虑深度的因素。风力发电机组浅基础的设计与计算w 设计配筋n基础设计时，以保证基础的抗弯强度为标准。基础最危险的截面为塔架与基础交界的I-I截面（矩形基础）。)(2(121max2IfPPbBLM风力发电机组浅基础的设计与计算w 基底截面钢筋的面积为（根据混凝土结构设计规范）：hRKMAgfs9 . 0其中，K为安全系数，一般取1.4，Rg为钢筋的抗拉强度，h参见右图。风力发电机组浅基础的设计与计算w 基础抗冲切强度校核n当基础在受风力发电机组传来荷载时，如基础的高度不够，将会发生沿塔架四周大致成45方向的斜面拉裂，形成角锥体，从而发生冲切破坏。APFhBbFFLbtLmax2/ )(6 . 0其中，Ft为混凝土的抗冲切强度，A为图中阴影的面积。风力发电机组浅基础的设计与计算w 允许沉降量校核n对于重