CN104372806B - 钢筋混凝土空心锥体山区风电柔性基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土空心锥体山区风电柔性基础及其施工方法，它包括一个锥形基坑，沿基坑壁铺设废旧轮胎橡胶颗粒层；在橡胶颗粒层表面铺有素混凝土垫层，在素混凝土垫层上浇筑有钢筋混凝土，从而形成带有底板和侧壁的空心圆台基础，在圆台基础中分层填入由基坑挖出的渣土并平整填土表面；在渣土表面铺设有素混凝土垫层，在素混凝土垫层表面浇筑有钢筋混凝土形成基础顶板；在圆台基础中心铺设有竖立的锚固钢筋，锚固钢筋底部伸入底板的混凝土中，锚固钢筋顶部高出基础顶板后锚固在风电塔筒中。本发明不仅减少风电施工对环境的污染，同时降低山区风电基础造价成本以及提高风电机组的稳定性。

Description

钢筋混凝土空心锥体山区风电柔性基础及其施工方法

技术领域

本发明涉及土木工程及电力工程领域的基础形式，尤其适合作为山区风电基础，即一种钢筋混凝土空心锥体山区风电柔性基础。

背景技术

目前，山区大型风电基础一般采用重力式浅埋钢筋混凝土圆形基础，这种基础形式存在以下缺陷：一是混凝土用量大，至少达250m³，同时钢筋使用量较大；二是基础浇筑施工属于大体积混凝土施工，浇筑养护时必须严格控制混凝土内部水化热及变形开裂，施工工艺要求高；三是基础采用大量抗拔高强特制预应力长螺栓锚杆，不但增加了工程造价和施工流程，而且由于基础与地基采用刚性连接，在循环荷载作用下，锚杆易发生疲劳断裂和失效；四是地基开挖产生了大量废石渣，一般处理方法为就近废弃，不但造成环境破坏，同时较高的渣土堆积对临近的风电机组稳定性会产生影响。比如中国专利公开号CN2012205649715公开的倒锥台与独立柱结合的风力发电塔基础，包括混凝土垫层，所述混凝土垫层上设有混凝土独立柱，所述混凝土独立柱上设有混凝土倒锥台，所述混凝土独立柱内部竖直方向设有预应力锚杆，所述预应力锚杆上端直接与风力发电塔连接。该专利公开的基础表现出刚性即为抗力，基础底部受到较大的弯矩作用，需要使用较多钢筋和混凝土对基础进行加固；而且这种基础形式不能吸收挖出的碎石渣土，不具有环保性；此外，这种基础形式埋深较大，施工中需要开挖大量地基渣土，建设成本相对较高。

目前，我国各省正在大量开发山区风电，这些风电大都处于低矮的山顶，基础开挖产生的大量碎石、土废渣，由于运输不便，大都丢弃在风电工程附近，对环境造成影响或破坏。因此将开挖的碎石、土废渣利用在风电基础建设上也是目前欲待解决的技术问题。

发明内容

为了吸收山区风电基础开挖产生的废渣土，减少风电施工对环境的污染，同时降低山区风电基础造价成本以及提高风电机组的稳定性，本发明提出了一种钢筋混凝土空心锥体山区风电柔性基础。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种钢筋混凝土空心锥体山区风电柔性基础，它包括一个锥形基坑，基坑的坑壁与地面的夹角为30度，其深度由地基承载力确定，沿基坑壁铺设废旧轮胎橡胶颗粒层，厚度为0.04～0.06倍基坑深度。在橡胶颗粒层表面铺有素混凝土垫层，在素混凝土垫层上浇筑有钢筋混凝土，从而形成带有底板和侧壁的空心圆台基础，在圆台基础中分层填入由基坑挖出的压实系数大于0.95的渣土并平整填土表面，最终渣土表面距基坑顶面距离为0.2倍基坑深度。在渣土表面铺设有素混凝土垫层，在素混凝土垫层表面浇筑有钢筋混凝土形成基础顶板；在圆台基础中心铺设有竖立的锚固钢筋，锚固钢筋底部伸入底板的混凝土中，锚固钢筋顶部高出基础顶板后锚固在风电塔筒中，锚固钢筋的作用是固定风电塔筒。

上述废旧轮胎橡胶颗粒层施工方法是：将橡胶颗粒装入尼龙编织袋中压偏平，编织袋之间搭接长度为15～20cm，通过2m×2m压条固定在基坑侧壁；

上述基坑深度由下式进行计算：

$h=\frac{5P_{kmax}-6\[f_{ak}-{\mathrm{\η}}_d\mathrm{\γ}(d-3)\]}{6{\mathrm{\η}}_h{\mathrm{\γ}}_m}+0.5,$ 式中：

h为基坑深度，即基础高度，单位m；

P_kmax为基底所受最大压力，单位kPa；

f_ak为地基承载力特征值k，单位kPa，通过现场载荷板测试确定；

η_d、η_h—基础顶板直径和埋深的地基承载力修正系数，通过国家规范《地基基础设计规范》查表确定；

d为基础顶板直径，单位m，基础顶板直径为风电塔筒直径的2-4倍。

上述橡胶颗粒层厚度优选0.04～0.06倍基坑深度。

上述橡胶颗粒层表面的素混凝土垫层的厚度优选为0.04～0.06倍基坑深度。

上述每层渣土厚度优选为0.1～0.15倍基坑深度，渣土最终填筑高度为0.5～0.6倍基坑深度。

上述混凝土底板厚度优选0.2倍基坑深度。

上述混凝土侧壁厚度优选0.15倍基坑深度。

上述混凝土顶板厚度优选0.15倍基坑深度。

本发明风电基础的施工方法如下：

第一步：首先开挖基坑，将底部开挖成锥形，渣土堆放在基坑周围待用；

第二步：沿基坑壁铺设一层废旧轮胎橡胶颗粒层；

第三步：在橡胶颗粒层顶面铺素混凝土垫层，在素混凝土垫层表面再铺设底板及侧壁的钢筋，同时架设锚固钢筋，最后架设底板及侧壁模板，一次浇筑底板及侧壁混凝土，养护28天后，拆除模板，形成带有底板和侧壁的空心圆台基础；

第四步：向基础内部分层填入基坑挖出的渣土，每层厚度为0.1～0.15倍基坑深度，每层渣土填筑完毕后进行夯实，使压实系数大于0.95；

第五步：待渣土面达到设计标高后，在渣土层表面铺设素混凝土垫层，再铺顶板的钢筋，架设顶板模板，一次浇筑顶板混凝土，养护28天后，拆除模板，形成基础顶板，至此，整个柔性基础施工完毕。

本发的优点是：

1、基础设置为空心钢筋混凝土锥形结构，减少了基坑开挖产生的碎石土量；回填渣土补偿了基础空腔混凝土用量，使其重量与同体积实心混凝土基础重量相当，未降低基础自重及稳定性。

2、本发明铺设的一层10～15cm厚废旧轮胎橡胶颗粒垫层，使基础与地基的连接成为柔性连接，不仅缓冲了外力同时允许基础在动力作用下产生微动，如同不倒翁一样，从而释放基础底部受到的巨大弯矩。这样避免了基础与地基设置高强螺栓锚杆，使得结构尺寸、混凝土用量、配筋量比传统基础显著减小，从而降低了基础造价。

3、空腔内填充基坑开挖产生的废石渣使之成为基础自重的主要组成部分，大大减少由于基坑开挖产生的废石渣丢弃，减缓或避免对环境的污染以及对风机整体稳定性的影响。

4、本发明基础的稳定性优于传统基础，能抵抗较大的水平动力荷载：风荷载与地震荷载。这是因为，传统基础与地基采用刚性连接，完全依靠基础抗力抵抗外部荷载，在长时间较大循环荷载作用下，基础结构容易产生疲劳破坏，尤其发生锚杆螺栓失效现象，从而增加工程风险，因此，多数风电基础只能通过增加锚杆螺栓数量预防锚杆螺栓失效，使得工程造价增加；另外由于基础刚性连接，加上风电基础多为重力式浅基础形式，在极端荷载作用下(如台风天气下)，也发生过基础被拔出，风机整体倒坍的重大事故。本发明恰好可以解决该问题，通过设置橡胶颗粒层，使得基础与地基分离，变成柔性基础，缓冲了动力荷载对地基的作用力；另外基础底部做出尖端形状，利于基础产生微动，大大减少基础底部所受弯矩甚至使基础底部所受弯矩变为零，这两个措施使得该基础形式较其它风电基础更加稳定。

此外，本发明基础采用椎体形式，相比于圆形浅基础，基础侧壁与土体接触面积增大，可调动更多土体抵抗外部荷载，从而提高基础承载力；同时，橡胶颗粒层缓冲了动力荷载作用，有效控制基础侧移，同时增强基础稳定性。

附图说明

图1是本发明基础实施例的主视剖面图。

图中：1-底板，2-第一素混凝土垫层；3-侧壁，4-渣土，5-顶板，6-锚固钢筋，7-风电塔筒，8-第二素混凝土垫层，9-废旧轮胎橡胶颗粒层。

α表示坑壁与地面的夹角。

具体实施方式

下面结合施工方法和附图进一步叙述本发明的技术方案。

某一山区需要建立一2MW风电基础，基础塔筒直径为4m，基础承担的最大竖向荷载为2800kN，最大水平力380kN，最大弯矩30.6MN·m。

第一步：首先确定基础顶板直径，取基础顶板直径为9m，并代入公式，求得基坑的深度为2.5m。

第二步：开挖基坑，将底部开挖成锥形，渣土4堆放在基坑周围待用，锥形基坑坑壁与地面的夹角α为30度。

第三步：沿基坑壁铺设15cm厚的废旧轮胎橡胶颗粒层9。

第四步：在废旧轮胎橡胶颗粒层9顶面铺设10cm厚的第一素混凝土垫层2，再铺设底板及侧壁的钢筋，同时架设锚固钢筋6，最后架设模板，一次浇筑底板1及侧壁3混凝土，其中底板1厚度为50cm，侧壁3厚度为40cm。养护28天后，拆除模板，从而形成带有底板1和侧壁3的空心圆台基础。

第五步：向圆台基础内分层填入基坑挖出的渣土4，每层渣土填筑高度为30-40cm，渣土4最终填筑高度为1.25m。每层填筑完毕后进行夯实，使压实系数大于0.95。

第六步：待渣土填筑面达到设定标高后，在渣土填筑面上铺设10cm厚第二素混凝土垫层8，最后浇筑40cm厚筋混凝土形成顶板5，锚固钢筋6露出顶板5锚固在风电塔筒7中，至此，施工完毕，形成如图1所示的柔性基础。

第七步：风机安装完后，将剩余渣土均匀覆盖于基础顶部，进行绿化，既可增加基础的稳定性，又与周围环境融为一体，起到美观的作用。

Claims (3)

1.一种钢筋混凝土空心锥体山区风电柔性基础，其特征在于，它包括一个锥形基坑，基坑的坑壁与地面的夹角为30度，沿基坑壁铺设废旧轮胎橡胶颗粒层，厚度为0.04～0.06倍基坑深度；在橡胶颗粒层表面铺有素混凝土垫层，在素混凝土垫层上浇筑有钢筋混凝土，从而形成带有底板和侧壁的空心圆台基础，在圆台基础中分层填入由基坑挖出的压实系数大于0.95的渣土并平整填土表面，最终渣土表面距基坑顶面距离为0.2倍基坑深度；在渣土表面铺设有素混凝土垫层，在素混凝土垫层表面浇筑有钢筋混凝土形成基础顶板；在圆台基础中心铺设有竖立的锚固钢筋，锚固钢筋底部伸入底板的混凝土中，锚固钢筋顶部高出基础顶板后锚固在风电塔筒中，锚固钢筋的作用是固定风电塔筒；

上述废旧轮胎橡胶颗粒层施工方法是：将橡胶颗粒装入尼龙编织袋中压偏平，编织袋之间搭接长度为15～20cm，通过2m×2m压条固定在基坑侧壁；

上述基坑深度由下式进行计算： $h=\frac{5P_{kmax}-6\[f_{ak}-{\mathrm{\η}}_d\mathrm{\γ}(d-3)\]}{6{\mathrm{\η}}_h{\mathrm{\γ}}_m}+0.5,$ 式中：

h为基坑深度，即基础高度，单位m；

P_kmax为基底所受最大压力，单位kPa；

f_ak为地基承载力特征值k，单位kPa，通过现场载荷板测试确定；

η_d、η_h为基础顶板直径和埋深的地基承载力修正系数，通过国家规范《地基基础设计规范》查表确定；

d为基础顶板直径，单位m，基础顶板直径为风电塔筒直径的2-4倍。

2.如权利要求1所述的钢筋混凝土空心锥体山区风电柔性基础，其特征在于，

所述橡胶颗粒层厚度为0.04～0.06倍基坑深度；

所述橡胶颗粒层表面的素混凝土垫层的厚度为0.04～0.06倍基坑深度；

所述每层渣土厚度为0.1～0.15倍基坑深度，渣土最终填筑高度为0.5～0.6倍基坑深度；

所述混凝土底板厚度为0.2倍基坑深度；

所述混凝土侧壁厚度为0.15倍基坑深度；

所述混凝土顶板厚度为0.15倍基坑深度。

3.一种权利要求1或2所述的钢筋混凝土空心锥体山区风电柔性基础的施工方法，其特征在于：

第一步：首先开挖基坑，将底部开挖成锥形，渣土堆放在基坑周围待用；

第二步：沿基坑壁铺设一层废旧轮胎橡胶颗粒层；

第三步：在橡胶颗粒层顶面铺素混凝土垫层，在素混凝土垫层表面再铺设底板及侧壁的钢筋，同时架设锚固钢筋，最后架设底板及侧壁模板，一次浇筑底板及侧壁混凝土，养护28天后，拆除模板，形成带有底板和侧壁的空心圆台基础；

第四步：向基础内部分层填入基坑挖出的渣土，每层厚度为0.1～0.15倍基坑深度，每层渣土填筑完毕后进行夯实，使压实系数大于0.95；

第五步：待渣土面达到设计标高后，在渣土层表面铺设素混凝土垫层，再铺顶板的钢筋，架设顶板模板，一次浇筑顶板混凝土，养护28天后，拆除模板，形成基础顶板，至此，整个柔性基础施工完毕。