扩展基础设计策略：针对土质地基，修正特征值的考虑

1.扩展基础的设计步骤

对于扩展基础，设计步骤可分为三大步：

1）根据风力发电机组单机容量、轮毂高度、扫掠面积、风速、载荷大小和地基情况，参考类似经验，初步拟定基础埋深、底板尺寸和高度等。《设计规定》在一般构造要求中也提出了相应的要求。

2）根据《设计规定》和风力发电机组承受的载荷等相关资料，分别计算基础基底反力、基础沉降和倾斜率、基础整体稳定性、基底脱开面积等，分别复核地基承载力是否满足要求、沉降和倾斜率是否满足规范和厂商要求、整体稳定性和基底脱开面积比是否满足规范要求。如果4个条件同时满足要求，则说明拟定的基础底板尺寸合适，可进行下一步计算；如果4个条件不能同时满足要求，则需回到第一步，调整基础外形尺寸。

3）初选钢筋直径，进行截面抗弯计算，抗剪、抗冲切和疲劳强度验算，如果同时满足要求，则底板高度的拟定合适，否则，回到第一步，调整包括底板高度在内的外形尺寸，直至满足第二步和第三步的有关要求。

外形尺寸确定后，根据裂缝宽度验算结果、构造要求等确定配筋布置；如果设有台柱，还需对台柱进行配筋计算和强度验算；对穿越法兰筒和基础环底部的局部配筋进行验算。然后，计算基础的混凝土用量和钢筋用量。

2.地基承载力计算

（1）地基承载力特征值

岩石地基承载力特征值不进行深宽修正。对土质地基来说，当扩展基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，需要对特征值进行修正。可由载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，也可按式（9-45）修正：

f_a=f_ak+η_bγ_s（b-3）+η_dγ_m（h_m-0.5） （9-45）

式中 f_a——修正后土体的地基承载力特征值，单位为kPa；

f_ak——地基承载力特征值，可由载荷试验或其他原位测试、公式计算及结合实践经验等方法综合确定，单位为kPa；

η_b、η_d——扩展基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按表9-11确定；

γ_s——扩展基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，单位为kN/m³；

b_s——扩展基础底面力矩作用方向受压宽度，当底面受压宽度大于6m时按6m取值；

γ_m——扩展基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，单位为kN/m³；

h_m——扩展基础埋置深度，单位为m。

表9-11 承载力修正系数表

注：1.全风化岩石可参照所风化成的相应土类取值，其他状态下的岩石不修正。

2.地基承载力特征值按深层平板载荷试验确定时，η_d取0，深层平板载荷试验按GB 50007执行。

图9-32 基底面未脱开地基的基底压力示意图

采用上述方法确定地基承载力特征值，在一般地基土和载荷条件下，不仅能保证地基强度，也易于控制地基沉降量。

（2）地基土压力计算

地基土压力是指基础传递给地基持力层顶面处的压力。地基压力是分布力，它取决于地基与底板的相刚度，载荷大小，基础埋深和土的性质等多种因素。塔架基础底板，无论是刚性底板还是柔性的，其刚度均大大超过地基土的刚度，实际工程中，一般把基础看做绝对刚体，地基压力分布简化为线性进行计算。

1）当扩展基础承受轴心载荷和或者在核心区内（e≤b/6）承受偏心载荷，基底面未脱开地基时（见图9-32），扩展基础底面的压力可按式（9-46）～式（9-49）计算：

①矩（方）形扩展基础承受轴心载荷时：

式中 p_k——载荷效应标准组合下，扩展基础底面处平均压力，单位为kPa；

N_k——载荷效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面竖向力修正标准值，N_k=k₀F_zk，单位为kN；

k₀——考虑风力发电机组载荷不确定性和载荷模型偏差等因素的载荷修正安全系数，取1.35；

G_k——载荷效应标准组合下，扩展基础自重和扩展基础上覆土重标准值，单位为kN；

A——扩展基础底面积，A=bl，单位为m²；

b、l——基底面宽度、长度，单位为m。

②矩（方）形扩展基础在核心区（e≤b/6）内，承受偏心载荷作用时：

式中 M_k——载荷效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面力矩合力修正标准值，M_k=k₀M_rk，单位为kN·m；

H_k——载荷效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面水平合力修正标准值，H_k=k₀F_rk，单位为kN；

p_kmin——载荷效应标准组合下，扩展基础底面边缘最小压力值，单位为kPa；

e——合力作用点的偏心距，单位为m；

h_d——基础环顶标高至基础底面的高度，单位为m。

2）当扩展基础在核心区（e＞b/6）以外承受偏心载荷，且基底脱开基土面积不大于全部面积的1/4，矩（方）形扩展基础单独承受偏心载荷（图9-33）时，基础底面压力可按下列公式计算：

式中 a——合力作用点至扩展基础底面最大压力边缘的距离，按（b/2）-e或（l/2）-e计算。

图9-33 基底面部分脱开地基的基底压力示意图

（3）地基承载力验算

地基土抗压计算应符合下列要求：

1）当承受轴心载荷时，应满足式（9-52）的要求：

p_k≤f_a （9-52）

式中 p_k——载荷效应标准组合下，扩展基础底面处平均压力，单位为kPa；

f_a——修正后地基承载力特征值，单位为kPa。

2）当承受偏心载荷时，除应满足式（9-52）的要求外，尚应满足式（9-53）的要求：

p_kmax≤1.2f_a （9-53）

式中 p_kmax——载荷效应标准组合下，扩展基础底面边缘最大压力值，单位为kPa。

3）当地基受力层范围内有软弱下卧层时，扩展基础宜按式（9-54）和式（9-55）验算软弱下卧层的承载力：

式中 p_z——载荷效应标准组合下，软弱下卧层顶面处附加压力，单位为kPa；

p_cz——软弱下卧层顶面处土自重压力，单位为kN；

f_az——软弱下卧层顶面处经深度等修正后的地基承载力特征值，单位为kPa；

p_c——扩展基础底面处土的自重压力，单位为kN；

z——扩展基础底面至软弱下卧层顶面的距离，单位为m；

θ——地基压力扩散线与垂直线的夹角，按表9-12采用。

表9-12 地基压力扩散角θ

注：1.E_s1为上层土压缩模量；E_s2为下层土压缩模量；

2.z/b＜0.25时取θ=0°，必要时宜由试验确定；z/b＞0.50时θ值不变。

3.地基变形计算

对于塔架基础，不仅承受竖向载荷，其横向载荷也很大。因此，基础变形应同时验算沉降值和倾斜率，保证其计算值不应大于地基变形允许值，见表9-13。

表9-13 地基变形允许值

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，按下式计算：

式中 S₁、S₂——基础倾斜方向实际受压区域两边缘的最终沉降值；

b_s——基础倾斜方向实际受压区域的宽度。

1）地基最终沉降量计算

计算地基沉降时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论假定。其最终沉降值可按式（9-56）计算：

式中 s——地基最终沉降值；

s′——按分层总和法计算出的地基沉降值；

n——地基沉降计算深度范围内所划分的土层数（见图9-34）；

φ_s——沉降计算经验系数，根据地区

沉降观测资料及经验确定，无地区经验时可采用表9-14的数值；

p_0k——载荷效应标准组合下，扩展基础底面处的附加压力，根据基底实际受压面积（A_s=b_sl）计算；

E_si——扩展基础底面下第i层土的压缩模量，应取土自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算；

z_i、z_i-1——扩展基础底面至第i、i-1层土底面的距离；

扩展基础底面计算点至第i、i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

图9-34 扩展基础沉降计算的分层示意图

表9-14 沉降计算经验系数φ_s(www.xing528.com)

2）地基沉降计算深度z_n

作用于地基土的附加压力随深度的增加而减少，土的压缩量一般也随深度的增加而降低。当到某一深度时土的压缩量就小到可以忽略不计的程度，这个深度称为地基沉降计算深度z_n。z_n的计算可按沉降比确定。当考虑相邻载荷影响，某深度处符合下列条件时，该深度即为该压缩层的计算深度z_n（见图9-48）应符合式（9-58）要求：

式中 ΔS′_i——计算深度z_n范围内，第i层土的计算沉降值；

ΔS′_n——由计算深度向上取厚度为Δz的土层计算沉降值，Δz按表9-15确定。

表9-15 由计算深度z_n处向上取厚度Δz值

4.稳定性计算

扩展基础的稳定性应根据工程地质和水文地质条件进行抗滑、抗倾覆计算。抗滑稳定计算应根据地质条件分别进行沿基深层结构面的稳定计算。

（1）罕遇地震工况下的稳定计算

1）抗滑稳定最危险滑动面上的抗滑力与滑动力应满足式（9-59）要求：

式中 F′_R——载荷效应偶然组合下的抗滑力；

F′_S——载荷效应偶然组合下，滑动力修正值。

2）沿基础底面的抗倾覆稳定计算，其最危险计算工况应满足式（9-60）要求：

式中 M′_R——载荷效应偶然组合下的抗倾力矩；

M′_S——载荷效应偶然组合下，倾覆力矩修正值。

（2）非罕遇工况下的稳定性计算

1）抗滑稳定最危险滑动面上的抗滑动面上的抗滑力与滑动力应满足式（9-61）要求：

式中 F_R——载荷效应基本组合下的抗滑力；

F_S——载荷效应基本组合下，滑动力修正值。

2）沿基础底面的抗倾覆稳定计算，其最危险计算工况应满足式（9-62）要求：

式中 M_R——载荷效应基本组合下的抗倾力矩；

M_S——载荷效应基本组合下，倾覆力矩修正值。

5.抗冲切强度验算

风力发电机组基础是刚性基础，其抗剪强度一般均能满足要求，只需要进行抗冲切强度验算。如果基础的高度不够时，将会沿着塔架边缘或者台柱边缘大致成45°角的斜面发生冲切破坏，如图9-35所示。为保证不发生冲切破坏，必须使冲切力小于冲切面处混凝土的抗冲切强度。因此，基础环与基础交接处以及基础台柱边缘的受冲切承载力应符合下列规定：

式中 F_l——载荷效应基本组合下，作用在A_l上的地基净反力设计值，单位为kN；

A_l——中切验算时取用的部分基底面积（图9-35中的阴影面积ABCDEF），单位为m²；

p_j——扣除基础自重及其上土重后相应于载荷效应基本组合时的地基土单位面积净反力，对偏心受压基础可取基础边缘处最大地基土单位面积净反力，单位为kN；

β_hp——受冲切承载力截面高度影响系数，当h₀＜800mm时，取1.0；当h₀≥2000mm时，取0.9，其间按线性内插法取用；

f_t——混凝土轴心抗拉强度设计值，单位为kPa；

h₀——基础冲切破坏锥体的有效高度，单位为m；

a_m——冲切破坏锥体最不利一侧计算长度，单位为m；

a_t——受冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长，当计算基础环与基础交接处的受冲切承载力时，取基础环直径，当计算基础台柱边缘处的受冲切承载力时，取台柱宽，单位为m；

a_b——受冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础

底面积范围内的下边长，当受冲切破坏锥体的底面落在基础底面以内，计算基础环与基础交接处的受冲切承载力时，取基础环直径加两倍基础有效高度，当计算基础台柱边缘受冲切承载力时，取台柱宽加两倍该处有效高度，单位为m。

图9-35 计算阶形基础的受冲切承载力截面位置

1—冲切破坏锥体最不利一侧的斜截面 2—冲切破坏锥体的底面线

6.基础底板配筋

基础底板的配筋应遵照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》按受弯构件进行计算，如图9-36所示。

（1）正截面承载力计算

1）在轴心载荷或单向偏心载荷作用下，对于方形基础，当台阶的宽高比小于或等于2.5（a₁/h）和偏心矩小于或等于1/6基础宽度时（见图9-36a），任意截面的底板受弯可按简化式（9-66）计算：

式中 M₁——载荷效应基本组合下，任意截面Ⅰ-Ⅰ处的弯矩设计值，单位为kN·m；

p_max——载荷效应基本组合下，基础底面边缘最大地基反力设计值，单位为kN；

p——载荷效应基本组合下，在任意截面Ⅰ-Ⅰ处基础底面地基反力设计值，单位为kN；

G——考虑载荷分项系数的基础自重及其上覆的土自重，单位为kN；

a_I——任意截面Ⅰ-Ⅰ至基底边缘最大反力处的距离，单位为m；

A——抗弯计算时的投影基底面积，单位为m²；

l——基础底面的边长，单位为m。

2）在单向偏心载荷作用下，对于方形基础，当台阶的宽高比小于或等于2.5（a₁/h）和偏心距大于1/6基础宽度时（见图9-36b），变高截面处的弯矩可按简化公式（9-67）

图9-36 矩形基础底板的计算示意图

a）偏心距小于或等于1/6基础宽度时 b）偏心距大于1/6基础宽度时

计算：

在求出板底弯矩的基础上，按混凝土结构设计规范进行正截面承载力计算和纵筋配置。

（2）斜截面受剪承载力

基础应按不配置箍筋和弯起钢筋的厚板受弯构件，验算斜截面受剪承载力。斜截面受剪承载力应按式（9-68）计算：

式中 V——载荷效应基本组合下，构件斜截面上最大剪力设计值，单位为kN；

β_h——受剪截面高度影响系数：当h₀＜800mm时，取h₀=800mm；当h₀＞2000mm时，取h₀=2000mm；

f_t——混凝土轴心抗拉强度设计值，单位为kPa；

h₀——截面的有效高度，单位为m；

b——矩形截面的宽度，单位为m。

（3）最大裂缝宽度验算

基础应按所处环境类别和设计工况确定相应的裂缝控制要求及最大裂缝宽度限值：

1）二类和三类环境中，基础混凝土裂缝宽度应满足下列规定：正常运行载荷工况：最大裂缝宽度不得超过0.2mm。极端载荷工况：最大裂缝宽度不得超过0.3mm。

2）四类和五类环境中的基础混凝土，其裂缝控制要求应符合专门标准的有关规定。

对于矩形截面的钢筋混凝土基础，按载荷效应的标准组合并考虑长期作用影响，其最大裂缝宽度w_max按下列公式计算

式中 α_cr——构件受力特征系数，取1.9；

——裂缝间钢筋应变不均匀系数；计算中，当ψ＜0.2时，取ψ=0.2；当ψ＞1.0时，取ψ=1.0。对直接承受重复载荷的构件，取ψ=1.0；

σ_sk——按载荷标准组合计算的构件纵向受拉钢筋应力，；

M_k——按载荷标准组合计算的弯矩值；

c——最外层纵向受力钢筋外边缘至受拉区底边的距离，单位为mm，当c＜20mm时，取c=20mm；当c＞65mm时，取c=65mm；

ρ_te——按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率，ρ_te=A_s/A_te。当ρ_te＜0.01时，取ρ_te=0.01；

A_s——纵向受拉钢筋截面面积；

A_te——有效受拉混凝土截面面积。对受弯构件，取腹板截面面积的一半，即

A_te=0.5bh；

d_eq——纵向受拉钢筋的等效直径，单位为mm；

d_i——第i种纵向受拉钢筋的直径，单位为mm；

n_i——第i种纵向受拉钢筋的根数；

υ_i——第i种纵向受拉钢筋的相对粘结特性系数，对带肋钢筋，取1.0；对光面钢筋，取0.7。