孫祖峰　樓蕓含　陳佩杭

摘 要：錨桿基礎(chǔ)具有開挖量小、工程造價(jià)低、對周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)，是相關(guān)規(guī)范中明確規(guī)定的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可采用的三種形式之一，且更適用于巖層地基。通過改變擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)的受力機(jī)理，從而增加了整體基礎(chǔ)的承載力。通過對實(shí)際工程案例進(jìn)行計(jì)算，明確了擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中需要考慮的內(nèi)容，并且對錨桿長度的選取、擴(kuò)底部分對承載力的影響以及如何增加錨桿基礎(chǔ)承載力等問題進(jìn)行了探究，以期對擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)的應(yīng)用和推廣起到一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)組；擴(kuò)底錨桿；錨桿基礎(chǔ)；巖石地基

中圖分類號(hào)：TU476 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.010

規(guī)范中明確規(guī)定的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可采用的類型包括重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和錨桿基礎(chǔ)。這三種基礎(chǔ)形式適用于不同的地基——重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)適用于普通地基，樁基礎(chǔ)適用于軟弱地基，錨桿基礎(chǔ)適用于巖層地基。

目前，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)多采用重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)形式施工技術(shù)較為簡便且工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富。鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)存在以下缺點(diǎn)：①抗壓能力有余，抗彎效率不高，基礎(chǔ)邊緣與地基脫開會(huì)降低基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；②對于大功率風(fēng)機(jī)，板式基礎(chǔ)懸挑長度太大，基礎(chǔ)承臺(tái)體積過大會(huì)耗費(fèi)大量鋼筋和混凝土，造價(jià)高；③基礎(chǔ)開挖量大，特別是對于巖石地基，開挖難度大、環(huán)境影響大。因此，有必要豐富風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)使用形式，以適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，發(fā)揮各自的優(yōu)越性。

1 場址位置和地質(zhì)資料

風(fēng)電場位于山西省大同市，本期裝機(jī)容量49.5 MW，裝機(jī)規(guī)模為單機(jī)容量1 500 kW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)33臺(tái)，擬建場地地勢起伏較大，對位于山頭上的風(fēng)機(jī)采用擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)。

根據(jù)勘測結(jié)果，上述場址區(qū)地層在勘測深度內(nèi)，上部主要為覆蓋粉土，下部地層為白云巖，地層巖性自上而下分別為：①粉土。黃褐色，稍密，粉質(zhì)感強(qiáng)，韌性和干強(qiáng)度低，搖振反應(yīng)迅速，局部含粉質(zhì)黏土。該層厚度較薄，一般多在0.50 m左右，考慮去除。②塊（碎）石。灰白色，稍濕，密實(shí)，填充物為粉土，棱角狀，含量及分布不均勻，局部含量少。厚度一般為0.50～1.50 m。③白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r?；疑⒒野咨?，隱晶質(zhì)，塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)，巖層厚度為中厚層、巨厚層，致密，場地范圍內(nèi)大面積分布。表層多呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，組織結(jié)構(gòu)基本破壞，風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間充填物主要為粉土，沿節(jié)理面有次生礦物，巖體較破碎。本層厚度1.50～2.00 m。下部為中等風(fēng)化狀態(tài)，局部表層亦呈中等風(fēng)化狀態(tài)，組織結(jié)構(gòu)部分破壞，風(fēng)化裂隙一般發(fā)育，節(jié)理面有次生礦物，巖體較完整，可見已風(fēng)化成40 cm左右的巖塊，巖石質(zhì)量指標(biāo)較好。將此巖石層考慮作為錨桿持力層。

2 擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型

2.1 擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)基本參數(shù)

基礎(chǔ)底板半徑6.2 m，基礎(chǔ)棱臺(tái)頂面半徑3.0 m，基礎(chǔ)臺(tái)柱半徑3.0 m，基礎(chǔ)底板外緣高度1 m，基礎(chǔ)底板棱臺(tái)高度0.8 m，臺(tái)柱高度1.5 m，基礎(chǔ)埋深3 m。錨桿中心所在圓半徑5.7 m。沿此圓周均布36根錨桿，錨桿直徑55 mm，錨直徑130 mm，錨入深度4.0 m，擴(kuò)底高度500 mm，擴(kuò)底直徑200 mm。需要說明的是，擴(kuò)底部分的高度與直徑不能隨意取值設(shè)計(jì)，需要根據(jù)已有的施工機(jī)械確定。而高500 mm、直徑200 mm的擴(kuò)底尺寸符合常用施工器械所能達(dá)到的尺寸。具體尺寸及擴(kuò)底部分分別如圖1和圖2所示。

2.2 承載力驗(yàn)算

根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》（FD 003—2007）和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011），需要對單根錨桿承載力、穩(wěn)定性、抗剪、抗臺(tái)柱沖切、抗基礎(chǔ)環(huán)沖切、桿對承臺(tái)的沖切等方面進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。其中，抗剪、抗臺(tái)柱沖切、抗基礎(chǔ)環(huán)沖切與普通擴(kuò)展式基礎(chǔ)計(jì)算方法無異。

經(jīng)計(jì)算，錨桿自身強(qiáng)度為569.9 kN，根據(jù)規(guī)范中有關(guān)砂漿與巖石的黏結(jié)強(qiáng)度特征值關(guān)系表格，較軟巖取黏結(jié)強(qiáng)度為0.4 MPa。按此黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算，強(qiáng)度特征值為220.8 kN，而最終錨桿自身強(qiáng)度特征值為220.8 kN。

關(guān)于傾覆穩(wěn)定性的驗(yàn)算，錨桿基礎(chǔ)不同于重力擴(kuò)展基礎(chǔ)，區(qū)別在于錨桿基礎(chǔ)的外界傾覆彎矩由混凝土基礎(chǔ)與錨桿共同抵抗。在計(jì)算錨桿基礎(chǔ)所能抵抗的最大彎矩的過程中，應(yīng)該首先按照擴(kuò)展基礎(chǔ)的計(jì)算方式計(jì)算出混凝土部分所能承受的最大彎矩，然后根據(jù)樁基礎(chǔ)規(guī)范中拉壓力計(jì)算公式，令其中某一根錨桿達(dá)到承載力極限值，以此來計(jì)算此時(shí)的彎矩值，最后對二者加和即可得到錨桿基礎(chǔ)所能承受的最大傾覆彎矩。

桿對承臺(tái)的沖切可以根據(jù)《鋼筋混凝土承臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CESC 88—1997）4.2.5.2條計(jì)算承臺(tái)高度，由錨桿錨入承臺(tái)的深度和錨板邊緣至承臺(tái)邊緣的距離可以計(jì)算沖切承載力。

總體來看，在設(shè)計(jì)階段，對于錨桿基礎(chǔ)除了需要對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸、配筋進(jìn)行計(jì)算外，還需要增加對錨桿承載力、整體穩(wěn)定性、局部受壓等方面的校核。但正因?yàn)殄^桿可以分擔(dān)相當(dāng)一部分傾覆彎矩，因此可以明顯縮小基礎(chǔ)尺寸，從而縮減混凝土和鋼筋的使用量。

3 討論

3.1 擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)與擴(kuò)展基礎(chǔ)的對比

重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)利用的鋼筋混凝土的自重，施工技術(shù)簡便，目前積累了較為豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)存在以下突出缺點(diǎn)：①基礎(chǔ)形式過于單一，不能適應(yīng)不同的地質(zhì)條件；②獨(dú)立擴(kuò)展基礎(chǔ)抗壓能力有余，抗彎效率不高，且基礎(chǔ)邊緣與地基脫開后，會(huì)降低基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；③對于大功率風(fēng)機(jī)，板式基礎(chǔ)懸挑長度太大，基礎(chǔ)承臺(tái)體積過大耗費(fèi)大量鋼筋和混凝土，造價(jià)高、經(jīng)濟(jì)性差，且形式不合理；④基礎(chǔ)開挖量大，特別是對于巖石地基，開挖難度大，環(huán)境影響大。此外，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，承臺(tái)底的受力狀態(tài)一直采用線性模擬的計(jì)算假定與承臺(tái)底的真實(shí)壓力情況存在較大的差距，這樣能夠有效了解、分析承臺(tái)底的基底壓力，節(jié)省基礎(chǔ)的鋼筋和混凝土用量。

對于風(fēng)機(jī)錨桿基礎(chǔ)，錨桿最主要的作用是通過抗拔來抵御外界較大的彎矩荷載。而擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)有別于普通的直錨桿，其基礎(chǔ)形式將有效提高錨桿的抗拉承載力。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)錨桿技術(shù)采用直錨，將錨桿埋于等徑巖孔之后灌注細(xì)石混凝土或砂漿形成等徑錨樁，依靠錨樁與巖孔間摩擦力抵消錨桿的上拔載荷。

3.2 錨桿長度的選取

根據(jù)實(shí)際情況，單根錨桿的抗拔力由錨桿自身的強(qiáng)度、錨桿與砂漿之間的黏結(jié)強(qiáng)度以及砂漿與巖石間黏結(jié)強(qiáng)度決定。一般情況下，錨桿自身的強(qiáng)度稍大于后兩者，因此，抗拔力往往由后兩者決定。無論是錨桿與砂漿之間的黏結(jié)強(qiáng)度，還是砂漿與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度，都與錨桿長度成正比。但實(shí)際上，大量試驗(yàn)研究表明，巖石錨桿在15～20倍錨桿直徑以深的部位已經(jīng)沒有錨固力分布。只有當(dāng)錨桿頂部周圍的巖體出現(xiàn)破壞后，錨固力才會(huì)向深部延伸。因此，一味地增加錨桿的長度并不會(huì)明顯地提升錨固力的效果。在工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，將錨桿打入良好的持力層，同時(shí)保證長度大于13倍直徑，但仍要增加一定的長度作為安全儲(chǔ)備。具體取值應(yīng)按實(shí)際情況決定。

3.3 擴(kuò)底部分對整體承載力的影響

傳統(tǒng)錨桿技術(shù)采用直錨，將錨桿埋于等徑巖孔之后灌注細(xì)石混凝土或砂漿形成等徑錨樁，依靠錨樁與巖孔間摩擦力抵消錨桿的上拔載荷。但風(fēng)化巖層中存在大量巖石節(jié)理，錨桿可能因摩擦力不足而滑動(dòng)。在風(fēng)化巖層中，錨桿基礎(chǔ)上拔力的大小取決于巖孔和錨桿砂漿柱的黏結(jié)強(qiáng)度。大量試驗(yàn)證明，上拔破壞是因錨桿砂漿柱從巖體中抽出造成的。

巖層擴(kuò)底錨桿技術(shù)是在等徑巖孔底部擴(kuò)底，對錨孔作擴(kuò)底處理。在錨桿底部安裝雙向撐板，并利用銷軸固定于錨桿桿體上。錨桿下入擴(kuò)底錨孔后雙向撐板張開，擴(kuò)撐于擴(kuò)底錨孔內(nèi)，防止錨桿體從錨孔內(nèi)拔出。

與直錨桿相比，擴(kuò)底錨桿的基礎(chǔ)受力原理發(fā)生了改變——由原來的類摩擦樁改為擴(kuò)底部分受力的承載樁基礎(chǔ)。這樣，擴(kuò)大了載荷分布范圍，使其由之前單一地依靠摩擦力承載變?yōu)橥瑫r(shí)由摩擦力和擴(kuò)底上拔力承載，從而提升了承載能力，并在樁徑和長度相同的情況下提高了承載的可靠性。

但目前的規(guī)范與規(guī)程并沒有對擴(kuò)底錨桿類型基礎(chǔ)的抗拔承載力給出明確的計(jì)算公式，且范圍仍然局限于直錨桿。盡管擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)通過改變受力方式提高了承載力，但目前這一部分仍然只作為錨桿抗拔力的安全儲(chǔ)備，并沒有體現(xiàn)在計(jì)算結(jié)果中，即擴(kuò)底錨桿抗拔力的計(jì)算仍采用直錨桿公式。在選取參數(shù)時(shí)，針對擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)可以考慮選取上限值。比如，對于砂漿與巖石間黏結(jié)強(qiáng)度特征值的選取，規(guī)范中有關(guān)較軟巖的數(shù)值是0.2～0.4 MPa。如果采用擴(kuò)底錨桿，可以考慮選取范圍中的較大值。

3.4 增加基礎(chǔ)承載力的方法

對于風(fēng)機(jī)擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)，可以通過一些途徑達(dá)到增加基礎(chǔ)承載力的目的，比如適當(dāng)增加混凝土基礎(chǔ)底部直徑，選取合適的錨桿長度，適當(dāng)增加錨桿直徑，在滿足規(guī)范要求的前提下盡量將錨桿布置在靠近基礎(chǔ)邊緣側(cè)。

4 結(jié)束語

錨桿基礎(chǔ)是規(guī)范中明確的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可采用的形式之一，對巖層地基有著較好的適應(yīng)性。同時(shí)，該基礎(chǔ)形式開挖量小，鋼筋、混凝土等用量少，具有總造價(jià)低、對周邊環(huán)境影響小等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)目前較為常用的重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)的若干不足。而與直錨桿基礎(chǔ)相比，擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)的受力原理發(fā)生了改變，載荷分布范圍得到了擴(kuò)大——由之前單一的依靠摩擦力承載變?yōu)橥瑫r(shí)由摩擦力和擴(kuò)底上拔力承載，從而加大了承載能力。

本文通過具體工程案例中擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)的相關(guān)計(jì)算，展現(xiàn)了計(jì)算過程中需要注意的事項(xiàng)，分析了擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)與擴(kuò)展基礎(chǔ)的優(yōu)、缺點(diǎn)，錨桿長度選取中需要注意的問題以及擴(kuò)底部分對整體承載力的影響，并提出可以通過適當(dāng)增加混凝土基礎(chǔ)底部直徑，選取合適的錨桿長度，適當(dāng)增加錨桿直徑，在滿足規(guī)范要求的前提下盡量將錨桿布置在靠近基礎(chǔ)邊緣側(cè)等方法來提高風(fēng)機(jī)擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)的承載力。

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〔編輯：劉曉芳〕