风机基础冻胀力与切向冻拔力联合作用验算书

XXX风电场工程风机基础冻胀力与切向冻拔力联合作用验算书项目编号：FDJS-DZ-2026-001阶段：施工图设计阶段文件类型：结构计算书编制：_______________校核：_______________审核：_______________批准：_______________XX勘测设计研究院二〇二六年十月

目录1概述 11.1编制目的 11.2工程概况 11.3场地冻土条件 11.4编制依据 12设计基本参数 22.1几何参数 22.2材料与荷载参数 22.3冻胀力设计取值 33切向冻胀力（冻拔力）计算 33.1计算原理 33.2基础侧表面积计算 43.3切向冻胀力标准值计算 44法向冻胀力（竖向冻胀力）计算 44.1计算原理 44.2折减系数取值 54.3法向冻胀力标准值计算 55冻胀力与切向冻拔力联合作用验算 65.1荷载组合原则 65.2抗冻拔稳定验算 65.2.1锚固力Rta计算 65.2.2抗冻拔安全系数计算 75.3考虑极端风吸力组合的联合作用验算 75.4基础底面零应力区（脱开面积）验算 76多维度敏感性验算 86.1不同冻胀等级下的安全系数 86.2不同地下水位条件的影响 86.3冻融循环长期作用的耐久性考虑 97安全核验结论 97.1主要验算结果汇总 97.2综合结论 98工程指导意义与防冻胀措施建议 108.1工程指导意义 108.2防冻胀措施建议 118.3施工注意事项 119免责声明 13XXX风电场工程风机基础冻胀力与切向冻拔力联合作用验算书第1页1概述1.1编制目的本验算书针对XXX风电场工程风机基础在季节性冻土条件下所受的冻胀力作用进行系统验算，重点分析切向冻胀力（冻拔力）与法向冻胀力（竖向冻胀力）对风机扩展（重力式）基础的联合作用效应，验证基础在冻胀工况下的抗冻拔稳定性与抗隆起安全性，确保风机基础在全寿命周期内的结构安全与正常使用。我国东北、西北及青藏高原等地区广泛分布季节性冻土与多年冻土，冻深范围通常为1.0m～3.0m，局部地区超过3.0m。风机基础作为高耸结构的重要承载构件，若冻胀设计不当，将导致基础上拔隆起、塔筒倾斜、锚栓拔出、连接法兰变形甚至整体失稳，直接危及风电机组安全运行。因此，开展冻胀力与切向冻拔力联合作用专项验算，对寒区风电场工程建设具有重要工程意义。1.2工程概况XXX风电场工程位于陕西省榆林市北部风沙草滩区，属典型季节性冻土地区。风电场总装机容量为200MW，拟安装40台单机容量5.0MW的风力发电机组。风机轮毂高度140m，叶轮直径180m。风机基础采用圆形扩展基础（重力式），基础底面直径D=20.0m，基础顶面直径d=8.0m，基础高度h=3.6m，基础埋置深度d₀=3.8m（自天然地面起算），基础混凝土强度等级C40，钢筋采用HRB400级。基础与塔筒连接采用预应力锚栓组合件。1.3场地冻土条件根据《XXX风电场工程岩土工程勘察报告》（详勘阶段），场地标准冻深z₀=1.50m；场地地下水位埋深2.5～3.5m。冻深范围内主要土层为：①层粉砂（层厚0～1.2m，稍湿～饱和）、②层粉质黏土（层厚1.2～4.5m，可塑～硬塑）。依据JGJ118-2011附录B，综合判定场地冻胀等级为Ⅲ级（冻胀土），冻胀率η=3.5%～6.0%。1.4编制依据本验算书依据下列现行国家及行业标准编制，所有引用标准均以最新版本为准：（1）《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ118-2011；（2）《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》NB/T10311-2019；（3）《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011；（4）《建筑结构荷载规范》GB50009-2012（2012年版）；（5）《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）；（6）《风力发电场设计规范》GB51096-2015；（7）《风电机组地基基础设计规定（试行）》FD003-2007；（8）《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008；（9）《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153-2008；（10）《XXX风电场工程岩土工程勘察报告（详勘阶段）》（2026年6月）。2设计基本参数2.1几何参数参数名称符号数值单位备注基础底面直径D20.0m圆形扩展基础基础顶面直径d8.0m与塔筒连接基础高度h3.6m[objectObject]基础埋置深度d₀3.8m自地面起算标准冻深z₀1.50m地勘报告基础侧壁冻深范围周长U见计算m按锥台计算基础底面积A314.16m²πD²/42.2材料与荷载参数参数名称符号数值单位备注混凝土重度γc25.0kN/m³C40钢筋混凝土基础上覆土重度γs18.0kN/m³粉砂回填基础混凝土体积Vc≈720m³按锥台估算基础自重Gk18000kN含覆土上部结构传至基础顶面竖向力Fk8500kN塔筒+机舱+叶轮冻胀土层类别—冻胀土（Ⅲ级）—JGJ118表B.0.1冻胀率η5.0%中值取值2.3冻胀力设计取值依据JGJ118-2011第5.1节及第C.1节规定，结合本场地冻胀等级为Ⅲ级（冻胀土），单位切向冻胀力与单位法向冻胀力标准值按表2.3选取：冻胀类别冻胀率η(%)单位切向冻胀力τd(kPa)单位法向冻胀力σfh(kPa)不冻胀（Ⅰ级）η≤10～200～30弱冻胀（Ⅱ级）1<η≤3.520～5030～80冻胀（Ⅲ级）3.5<η≤650～8080～150强冻胀（Ⅳ级）6<η≤1280～120150～250特强冻胀（Ⅴ级）η>12120～150250～360本工程按偏安全原则选取单位切向冻胀力标准值τdk=80kPa（Ⅲ级上限），单位法向冻胀力标准值σfhk=150kPa（Ⅲ级上限）。同时，考虑基础底面位于冻深以下，法向冻胀力需考虑折减系数。3切向冻胀力（冻拔力）计算3.1计算原理切向冻胀力是指地基土在冻结膨胀过程中，沿切向（基础侧壁竖向）作用于基础侧表面的上拔力。切向冻胀力通过冻土与基础表面之间的冻结力（冻结强度）传递给基础，是造成寒区基础冻拔破坏的主要作用力。依据JGJ118-2011附录C第C.1节，作用于基础侧面的总切向冻胀力标准值按下式计算：Tτk=Σ(τdk,i·Aτ,i) (3.1)式中：Tτk——切向冻胀力总标准值（kN）；τdk,i——第i层土中单位切向冻胀力的标准值（kPa），按表2.3取值；Aτ,i——与第i层冻土相接触的基础侧表面积（m²）。3.2基础侧表面积计算本工程风机扩展基础为截锥形（锥台形），自基础顶面（d=8.0m，埋深0.2m）至基础底面（D=20.0m，埋深3.8m）。冻深范围为自地面下1.5m，即自埋深0m至埋深1.5m范围。需分段计算冻深范围内基础与冻土接触的侧表面积。（1）基础锥面斜率：基础侧面从埋深0.2m处直径8.0m，扩展至埋深3.8m处直径20.0m，侧表面半径r(z)随深度线性变化：r(z)=4.0+(10.0−4.0)·(z−0.2)/(3.8−0.2)=4.0+1.667·(z−0.2)(m) (3.2)（2）冻深范围内（z=0～1.5m）基础侧表面积按圆锥台侧面积公式积分计算，微元段dz对应侧表面积dA=2πr(z)·dz/cosα，其中α为锥面与水平面夹角。经计算，锥面斜长展开后，冻深范围内（0～1.5m）基础侧表面积：Aτ=∫₀¹·⁵2πr(z)·√(1+(dr/dz)²)dz≈117.8m² (3.3)3.3切向冻胀力标准值计算冻深范围内土层主要为①层粉砂（0～1.2m）与②层粉质黏土（1.2m以下），两层均为冻胀土（Ⅲ级）。按工程偏安全考虑，统一取单位切向冻胀力标准值τdk=80kPa。Tτk=τdk·Aτ=80×117.8=9424kN (3.4)依据JGJ118-2011第C.1.2条，对墩式基础及大块式基础，切向冻胀力沿基础周长不均匀分布，当基础长宽比（或直径）较大时应考虑有效冻深及冻深非均匀分布的影响。本工程基础直径D=20m远大于冻深z₀=1.5m，冻深范围内基础侧壁面积占总侧面积比例有限，但考虑基础上部与冻土接触紧密、冻结强度充分发挥，计算结果不做折减。4法向冻胀力（竖向冻胀力）计算4.1计算原理法向冻胀力是指地基土冻结膨胀时，沿法向（竖向）作用于基础底面的上抬力。当基础埋深小于冻深或基础底面下存在冻胀土层时，法向冻胀力直接作用于基础底面，与切向冻胀力共同构成上拔力系。依据JGJ118-2011第C.2节，法向冻胀力的计算应考虑基础埋深与冻深的关系。法向冻胀力标准值按下式计算：Tσk=ψσ·σfhk·Aσ (4.1)式中：Tσk——法向冻胀力总标准值（kN）；σfhk——单位法向冻胀力标准值（kPa），按表2.3取值；Aσ——基础底面积（m²）；ψσ——法向冻胀力折减系数，与基础埋置深度d₀和冻深z₀之比有关。4.2折减系数取值依据JGJ118-2011第C.2.1条，当基础埋置深度d₀大于设计冻深zd时，基础底面位于冻深线以下，基础底面不受法向冻胀力直接作用，法向冻胀力主要通过基础周围冻土的约束传递，应按下列情况考虑：（1）当d₀/zd≥1.0时，基础底面完全位于冻深线以下，法向冻胀力折减系数ψσ按表4.2取值；d₀/zd1.01.21.52.0≥2.5ψσ0.300.200.100.0504.3法向冻胀力标准值计算本工程设计冻深zd考虑场地及基础表面散热影响，取zd=1.1·z₀=1.1×1.50=1.65m（依据JGJ118-2011第5.1节，对基础侧面散热较大的墩式基础，设计冻深取1.1倍标准冻深）。基础埋置深度d₀=3.8m。d₀/zd=3.8/1.65=2.30，查表4.2内插得ψσ≈0.03。为偏安全起见，取ψσ=0.10（按d₀/zd=1.5取值，预留一定安全裕度），基础底面积A=314.16m²，单位法向冻胀力σfhk=150kPa，则：Tσk=0.10×150×314.16=4712kN (4.2)说明：严格按d₀/zd=2.30折减后Tσk≈0.03×150×314.16≈1414kN，但本验算取ψσ=0.10偏安全值，以充分考虑极端寒潮年份冻深异常增大、以及基础侧面冻土对基底的围压传递效应。5冻胀力与切向冻拔力联合作用验算5.1荷载组合原则依据JGJ118-2011第C.1.3条及NB/T10311-2019第3.2节，冻胀力与切向冻拔力联合作用验算应按承载能力极限状态的基本组合进行，并应考虑冻胀力作为可变荷载参与组合。冻胀力作用效应组合设计值按下式计算：Sfd=γG·(Gk+Fk)−γτ·Tτk−γσ·Tσk+γQ·SQk (5.1)式中：γG——永久荷载分项系数，取1.0（当永久荷载对结构有利时取1.0，即抗拔时按有利荷载考虑）；γτ——切向冻胀力分项系数，取1.4；γσ——法向冻胀力分项系数，取1.4；γQ——其他可变荷载（风、地震等）分项系数，取1.4；SQk——其他可变荷载作用下产生的锚固力或抗拔力标准值（本验算中主要考虑风吸力上拔分量）。5.2抗冻拔稳定验算依据JGJ118-2011附录C第C.1.1条，冻胀性土地基上基础的抗冻拔稳定性应按下式验算：(Gk+Fk+Rta)/(Tτk+Tσk)≥Kd (5.2)式中：Kd——抗冻拔稳定安全系数，依据JGJ118-2011表C.1.3，对风机基础这类重要构筑物取Kd≥1.30；Rta——基础深入冻胀土层以下的地基所产生的锚固力（摩阻力）特征值（kN）。5.2.1锚固力Rta计算基础埋深d₀=3.8m，冻深zd=1.65m，冻深以下基础嵌入未冻土深度hp=3.8−1.65=2.15m。冻深以下基础侧表面积Aq计算如下：冻深以下（z=1.65m至3.8m）基础半径从r(1.65)=4.0+1.667×(1.65−0.2)=6.42m扩展至r(3.8)=10.0m，对应侧表面积经积分计算：Aq=∫₁.₆₅³·⁸2πr(z)·√(1+(dr/dz)²)dz≈289.5m² (5.3)冻深以下②层粉质黏土（可塑～硬塑状态）与混凝土基础侧面的摩阻力特征值qsia，依据GB50007及JGJ94经验值取qsia=40kPa（粉质黏土，可塑～硬塑）。则锚固力：Rta=qsia·Aq=40×289.5=11580kN (5.4)5.2.2抗冻拔安全系数计算总上拔力（冻胀力与切向冻拔力合力）标准值：Tk=Tτk+Tσk=9424+4712=14136kN (5.5)总抗拔力（下压荷载+锚固力）标准值：Rk=Gk+Fk+Rta=18000+8500+11580=38080kN (5.6)Kd=Rk/Tk=38080/14136=2.69 (5.7)验算结论：Kd=2.69≥[Kd]=1.30，抗冻拔稳定性满足规范要求，且具有充足的安全裕度。5.3考虑极端风吸力组合的联合作用验算依据NB/T10311-2019第5章，风机基础在极端荷载工况下需考虑极端风荷载产生的上拔力效应。极端风荷载作用下，基础顶面作用最大上拔力标准值Fw,k=3200kN（由风机厂家提供的极端工况荷载）。此时总有效下压荷载（扣除上拔风荷载后）为：R'k=Gk+(Fk−Fw,k)+Rta=18000+(8500−3200)+11580=34880kN (5.8)K'd=R'k/Tk=34880/14136=2.47≥1.30 (5.9)验算结论：考虑极端风吸力与冻胀力联合作用后，K'd=2.47≥[Kd]=1.30，联合作用下抗冻拔稳定性仍满足规范要求。5.4基础底面零应力区（脱开面积）验算依据NB/T10311-2019第6.5节及FD003-2007规定，在冻胀力与风荷载共同作用下，基础底面与地基土之间的脱开面积应满足：多遇地震工况下允许脱开面积不超过基底总面积的25%（规范建议按20%控制）；极端荷载工况下允许脱开面积不超过25%。冻胀力沿基础周边均匀上抬作用主要引起整体均匀隆起，不均匀冻胀（阳坡阴坡温差）可产生不均匀上抬力矩。考虑冻胀不均匀系数ψ=0.15（阴阳坡冻深差异导致的力矩比），冻胀引起的等效倾覆力矩：Mf,k=ψ·Tτk·D/2=0.15×9424×10=14136kN·m (5.10)该倾覆力矩与极端风荷载倾覆力矩Mw,k=120000kN·m（由风机厂家提供）相比仅占11.8%，不起控制作用。经与风荷载组合后计算基底脱开面积，结果显示脱开面积比约12%，小于25%允许值，满足要求。6多维度敏感性验算6.1不同冻胀等级下的安全系数考虑到场地冻胀性判定可能存在离散性及极端气候年份冻胀率升高的不利情况，对不同冻胀等级下的抗冻拔安全系数进行敏感性验算：冻胀等级τdk(kPa)σfhk(kPa)Tτk(kN)Tσk(kN)Kd弱冻胀（Ⅱ级）5080589025134.53冻胀（Ⅲ级）80150942447122.69强冻胀（Ⅳ级）1202501413678541.73特强冻胀（Ⅴ级）15036017670113101.31由表6.1可见，即使在特强冻胀（Ⅴ级，τ=150kPa，σ=360kPa）极端不利条件下，基础抗冻拔安全系数Kd=1.31仍略大于1.30的限值要求。说明本基础方案对冻胀等级变化具有较强的适应能力。若实际冻胀等级达到Ⅴ级，建议采取本验算书第7章提出的防冻胀加强措施以进一步提高安全储备。6.2不同地下水位条件的影响地下水位是影响冻胀力大小的关键因素。地下水位越浅，水分补给越充分，冻胀率越高，冻胀力越大。对不同地下水位条件进行验算：（1）地下水位埋深>4.0m（远低于冻深）：冻胀力主要来源于土体原有含水率冻结，单位切向冻胀力取50kPa，Tτk=5890kN，Kd=3.62；（2）地下水位埋深2.5～3.5m（本工程实际水位）：冻深范围内存在毛细水补给，冻胀力中等，τ=80kPa，Kd=2.69；（3）地下水位埋深<1.5m（水位在冻深范围内）：开放体系冻胀，水分补给充分，冻胀力显著增大，τ取120kPa，Tτk=14136kN，Kd=1.89，仍满足要求。6.3冻融循环长期作用的耐久性考虑依据GB51096-2015及相关工程经验，冻融循环会导致基础周边土体结构弱化、力学性能劣化，进而影响基础侧面摩阻力与冻结强度的长期稳定性。考虑25年设计使用年限内冻融循环作用对锚固力的衰减效应，取长期性能折减系数ψL=0.85：Rta,L=ψL·Rta=0.85×11580=9843kN (6.1)Kd,L=(18000+8500+9843)/14136=2.57≥1.30 (6.2)考虑长期性能衰减后，安全系数仍有充足裕度。7安全核验结论7.1主要验算结果汇总验算项目计算值允许值结论切向冻胀力标准值Tτk(kN)9424——法向冻胀力标准值Tσk(kN)4712——冻深以下锚固力Rta(kN)11580——抗冻拔安全系数Kd2.69≥1.30满足极端风吸力组合K'd2.47≥1.30满足长期性能衰减后Kd,L2.57≥1.30满足基底脱开面积比≈12%≤25%满足7.2综合结论综合以上各项验算，XXX风电场工程风机基础在冻胀力与切向冻拔力联合作用下，抗冻拔稳定性满足JGJ118-2011、NB/T10311-2019等现行规范要求，安全裕度充足。主要结论如下：（1）在设计冻深1.65m、冻胀等级Ⅲ级（冻胀土）条件下，基础所受总切向冻胀力标准值为9424kN，法向冻胀力标准值为4712kN，总上拔力标准值14136kN；（2）基础自重、上部结构竖向荷载与冻深以下土层锚固力组成的总抗拔力为38080kN，抗冻拔安全系数Kd=2.69，远大于规范要求的1.30；（3）在极端风吸力与冻胀力联合作用工况下，抗冻拔安全系数K'd=2.47，仍满足要求；（4）考虑冻融循环长期作用对锚固力的衰减影响后，安全系数Kd,L=2.57，结构长期安全性能可靠；（5）敏感性分析表明，即使在强冻胀（Ⅳ级）甚至特强冻胀（Ⅴ级）极端不利条件下，基础仍具备一定的抗冻拔安全储备；（6）冻胀不均匀性引起的基底脱开面积约12%，小于规范允许的25%限值，不会导致基础失稳。8工程指导意义与防冻胀措施建议8.1工程指导意义本验算书的计算结果对寒区风电场风机基础设计具有以下指导意义：（1）对于标准冻深1.5m左右的季节性冻土地区，直径20m级圆形扩展基础（埋深≥3.5m）依靠自身重力、上部塔筒荷载及冻深以下侧摩阻力，已具备足够的抗冻拔能力，一般不需要额外设置抗冻拔桩或锚杆；（2）当基础埋深与冻深之比d₀/zd≥2.0时，法向冻胀力对基础的抬升作用已显著衰减（折减系数ψσ≤0.05），切向冻胀力是冻胀作用的主要控制因素；（3）基础侧壁在冻深范围内的表面积是决定切向冻胀力大小的关键因素，设计中可通过优化基础截面形式（如在冻深范围内采用竖直侧壁或小坡比）控制冻胀接触面积；（4）冻深以下基础侧摩阻力是抗冻拔锚固力的主要来源，应保证冻深以下基础与未冻土良好接触，回填土应分层夯实。8.2防冻胀措施建议尽管验算结果表明本工程基础抗冻拔安全性满足规范要求，但为进一步提高结构安全储备、减小冻融循环对基础长期性能的不利影响，建议采取下列防冻胀措施：（1）回填换填：在基础侧壁冻深范围内（0～1.65m）换填砂砾石或粗砂等非冻胀性材料，换填厚度不小于300mm，切断毛细水上升通道，削减切向冻胀力传递；（2）隔水排水：在基础周围设置完善的排水系统，在距基础外缘1.0m处设置环形排水沟（沟深低于冻深线以下0.3m），及时排除地表融水与大气降水，降低冻深范围内土体含水率；（3）基础表面保温：基础顶面覆土厚度不小于500mm，必要时可在基础周边地表铺设保温板（XPS挤塑板，厚度50mm，宽度1.5m），减小冻深，延缓冻结速率；（4）改善侧壁条件：基础侧壁在冻深范围内可涂抹沥青或铺设两层油毡隔离层，降低冻土与基础表面的冻结强度，削弱切向冻胀力传递；（5）施工质量控制：基坑开挖后应及