應(yīng)用于強(qiáng)凍脹土的光伏支架基礎(chǔ)方案分析

于滿滿，杜佼蕾

(龍?jiān)?北京)太陽能技術(shù)有限公司，北京 100034)

0 引言

如今可利用的優(yōu)質(zhì)土地的面積日益減少，隨著光伏發(fā)電總裝機(jī)容量地不斷擴(kuò)大，光伏電站用地問題已成為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展中首當(dāng)其沖需要解決的問題，光伏電站建設(shè)者不得不開發(fā)利用地形復(fù)雜的土地。

由于地基土凍脹會引起與凍土接觸的光伏支架基礎(chǔ)發(fā)生不同部位的變形或變位，進(jìn)而影響基礎(chǔ)上部支架結(jié)構(gòu)發(fā)生拉伸變形，會造成光伏組件隱裂等，而這種破壞作用是不可逆的，一旦出現(xiàn)，所產(chǎn)生的破壞速度會越來越快，將嚴(yán)重影響光伏電站的安全及正常運(yùn)行。因此，如何消除光伏支架基礎(chǔ)周圍土體凍脹力，從而控制光伏支架的變形成為光伏支架基礎(chǔ)方案新的設(shè)計(jì)方向[1]。本文以光伏電站擬建場址為強(qiáng)凍脹性的地基土為研究對象，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，分別對此種強(qiáng)凍脹土采用不同的光伏支架基礎(chǔ)方案時(shí)光伏支架基礎(chǔ)的承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算和分析，并選出最適合的光伏支架基礎(chǔ)方案。

1 光伏電站的場址條件

1.1 場址概述

本光伏電站的場址選擇了黑龍江省鶴崗市東部地區(qū)，擬建場址的地勢為：北部及西北部的地勢較高，主要為低山丘陵區(qū)，山地較多；東南部的地勢較平坦，平均海拔為90 m，但沼澤較多。整個光伏電站場址的地形由西北部向東南部劃分依次為山地、崗地、平原、洼地，且地形整體起伏較大。

1.2 巖土工程分析與評價(jià)

1)該光伏電站擬建場址的地基土凍脹性分區(qū)域綜合評價(jià)為：地基土凍脹性為強(qiáng)凍脹，凍脹等級為Ⅳ級；標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為2.20 m。

2)地基土為中軟場地土，場地判定為不液化。

3)擬建場址的地下水、土對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋砼中的鋼筋的腐蝕性判定為存在微腐蝕性。

1.3 擬建場址地基土的承載力及巖土參數(shù)

根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》，本光伏電站擬建場址地基土的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，擬建場址地基土的承載力如表2所示。表中：qsik為樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qpk為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；fak′為地基土的承載力特征值，kPa；fak為地基土的承載力特征值綜合確定值，kPa；Es為地基土的壓縮模量，MPa。

表1 擬建場址地基土的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 List of pile foundation design parameters of foundation soil of proposed site

表2 擬建場址地基土的承載力綜合確定表Table 2 Comprehensive determination list of bearing capacity of foundation soil of proposed site

2 光伏支架基礎(chǔ)方案的設(shè)計(jì)與光伏支架基礎(chǔ)受力計(jì)算

在季節(jié)性凍土區(qū)，光伏支架基礎(chǔ)會因受周圍土體凍脹而產(chǎn)生的切向凍脹力的影響而上拔，從而使其上部的光伏支架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻變形，導(dǎo)致光伏支架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，可能會使光伏組件產(chǎn)生隱裂，甚至造成光伏組件脫落[2]。

根據(jù)本光伏電站擬建場址的地基土情況進(jìn)行光伏支架基礎(chǔ)方案的選擇及光伏支架基礎(chǔ)受力計(jì)算。

2.1 鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)

根據(jù)GB 51101—2016《太陽能發(fā)電站支架基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》，光伏支架結(jié)構(gòu)的地基變形允許值為0.005 L。擬建場址的地層結(jié)構(gòu)及巖性土層的水平方向分布差異較大，主要持力層的層面坡度大于10%，屬于不均勻地基；第②層粉質(zhì)粘土呈可塑狀態(tài)，承載能力一般，因此整個光伏電站擬建場址的地質(zhì)條件一般。

若光伏支架基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，該方案存在以下缺點(diǎn)：

1)光伏支架基礎(chǔ)的持力層位于素填土、粉質(zhì)粘土、花崗巖等不同的土層，基礎(chǔ)及上部支架的變形很難控制。

2)光伏支架基礎(chǔ)的底部需位于凍結(jié)深度(即地面以下2.2 m)以下，否則會存在凍脹問題；基礎(chǔ)側(cè)面需采用中砂、粗砂或爐渣等進(jìn)行回填，回填施工較麻煩，且工期長、造價(jià)高。

3)由于本光伏電站擬建場址的氣溫較低，在低溫條件下混凝土的澆筑及養(yǎng)護(hù)質(zhì)量難以保證；并且澆筑施工較為麻煩，同時(shí)存在工期長、造價(jià)高的問題。

基于上述分析，本光伏電站項(xiàng)目的光伏支架基礎(chǔ)不建議采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，而是考慮采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁和鉆孔灌注樁2種光伏支架基礎(chǔ)，下文對這2種方案進(jìn)行分析，涉及的計(jì)算公式適用于所有樁類基礎(chǔ)的計(jì)算。

2.2 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)方案考慮選用直徑d為300 mm的AB型預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁。以地質(zhì)勘查工作中某一剖面打孔為例，對此種預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁進(jìn)行受力計(jì)算，管樁在地面以上的長度取2.0～4.0 m。

單樁極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值Tuk的計(jì)算式為：

式中：μd為樁身周長，m；λi為樁穿透的第i層土層的抗拔系數(shù)；li為樁穿透的第i層土層的厚度，m。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的Tuk值如表3所示。

單樁凍拔力Tf的計(jì)算式為：

式中：ηf為凍結(jié)深度影響系數(shù)；qf為光伏支架基礎(chǔ)周圍土體凍脹產(chǎn)生的切向凍脹力，kPa；z0為標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度，m。

根據(jù)式(2)計(jì)算得到的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的Tf值如表4所示。

表4 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的Tf值計(jì)算結(jié)果Table 4 Tf value calculation result of prestressed high strength concrete pipe pile

若單樁上部的光伏支架與光伏組件的自重NG取1.97 kN，單樁的自重Gp取13.2 kN，則光伏支架基礎(chǔ)方案采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(入土樁長為8 m)時(shí)，單樁抗凍拔力為：Tuk/2+NG+Gp=324.1÷2+1.97+13.2=177.22 kN，該值大于單樁凍拔力Tf的165.80 kN，可滿足要求。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，若不采取處理措施，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的入土樁長需達(dá)到8.0 m才能抵抗由于光伏支架基礎(chǔ)周圍土體凍脹引起的凍拔力，從而保證光伏支架及基礎(chǔ)的穩(wěn)定。但如果樁體入土長度要達(dá)到8.0 m，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁很難進(jìn)入花崗巖層，施工難度大，樁基的成本高昂[3-4]。綜上所述，本光伏電站項(xiàng)目的光伏支架基礎(chǔ)方案不建議采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁。

2.3 “預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案

根據(jù)JGJ 118—2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，可通過在光伏支架基礎(chǔ)側(cè)回填厚度不小于200 mm的非凍脹性中砂和粗砂來抵消支架基礎(chǔ)周圍因土體凍脹產(chǎn)生的切向凍脹力作用，此處理方法稱為凍土層換填法。采用此處理方法時(shí)，需先引孔至非凍土層，引孔深度不小于2.2 m、引孔直徑為500 mm；然后再在孔內(nèi)打樁；最后回填非凍脹性的中砂和粗砂[5]。若采用“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”方案，則樁身豎向承載力完全能夠滿足要求，這是因?yàn)閷τ跇渡砑肮夥Ъ艿姆€(wěn)定性起控制性作用的是樁基水平位移10 mm后地面處所對應(yīng)的荷載。

2.3.1 單樁水平承載力特征值的計(jì)算

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的單樁基本參數(shù)資料如表5所示。

表5 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的單樁基本參數(shù)資料Table 5 Basic parameters of single pile of prestressed high strength concrete pipe pile

單樁水平承載力特征值Rha的計(jì)算式為：

式中：α為樁的水平變形系數(shù)；EI為鋼筋混凝土樁身的抗彎剛度；νx為樁頂水平位移系數(shù)。

其中，EI的計(jì)算式為：

式中：Io為根據(jù)樁身換算得到的截面慣性距，m4。

Io的計(jì)算式為：

式中：I1為樁空心部分的截面慣性距，m4；I2為根據(jù)樁身全截面換算得到的截面慣性距，m4。

I1的計(jì)算式為：

I2的計(jì)算式為：

式中：αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；do為扣除保護(hù)層后的樁身直徑，mm；ρg為樁身配筋率。

αE的計(jì)算式為：

do的計(jì)算式為：

ρg的計(jì)算式為：

式中：Ac為樁身面積，mm。

Ac可表示為：

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中第5.7.5條款，α的計(jì)算式為：

式中：bo為樁身的計(jì)算寬度，m。

對于圓形樁而言，當(dāng)d≤1 m時(shí)，bo的計(jì)算式為：

樁的換算埋深hc的計(jì)算式為：

根據(jù)查閱JGJ 118—2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第5.7.2條款，可得到樁頂水平位移系數(shù)νx為5.25。

根據(jù)上述公式，可計(jì)算得到預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的Rha值，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的Rha值計(jì)算結(jié)果Table 6 Rha value calculation result of prestressed high strength concrete pipe pile

根據(jù)表6的計(jì)算結(jié)果可知，光伏支架基礎(chǔ)方案采用“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”方案時(shí)，樁體進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度以下2.0 m(即樁體入土深度為4.2 m)時(shí)，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的Rha＞4.8 kN(樁頂處水平力標(biāo)準(zhǔn)值)，這說明樁身水平承載力可滿足要求。

2.3.2 樁身受彎承載力的驗(yàn)算過程

按樁體高出地面部分長度為4.0 m進(jìn)行計(jì)算，即用于計(jì)算樁身受彎承載力的樁體懸挑長度為2.2+4.0=6.2 m，樁頂處水平力標(biāo)準(zhǔn)值取值為4.8 kN。則樁身彎矩最大處的彎矩值為4.8×6.2+5=34.76 kN·m，該值小于40 kN·m(樁身受彎承載力設(shè)計(jì)值)，這說明樁身的受彎承載力可滿足要求。

采用“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”方案時(shí)光伏支架的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采用“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法” 方案時(shí)光伏支架的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structural drawing of PV support in scheme of “prestressed high strength concrete pipe pile foundation + permafrost replacement method”

2.3.3 單樁豎向抗壓承載力的驗(yàn)算過程

單樁豎向抗壓承載力Quk的計(jì)算式為：

式中：Qpk為總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Qsk為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Ap為樁端橫截面積，m2。

當(dāng)d=300 mm、μd=0.942 m、Ap=0.071 m2時(shí)，樁體進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度以下2.0 m(即樁體入土深度為4.2 m)時(shí)，Quk=0.942×1.3×55+0.942×0.4×10 0+4000×0.071=389.03 kN。

單樁豎向承載力特征值Ra的計(jì)算式為：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以得到Ra= 194.52 kN，該值大于樁頂豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值(即13.9+12.5=26.4 kN)，則樁基豎向抗壓承載力可滿足要求。相比于僅采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)的方案，采用“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”方案時(shí)樁長變短，可大幅節(jié)約工程造價(jià)，且光伏支架更安全可靠。

對于凍土層換填法，可通過在樁基礎(chǔ)周圍相應(yīng)位置涂刷隔離劑的方案來替代。涂刷隔離劑的方案即是在光伏支架基礎(chǔ)周圍沿地面以下2.2 m的部位涂抹瀝青、渣油等油脂涂料，對光伏支架基礎(chǔ)周圍土層與樁體間起到潤滑作用，從而消除光伏支架基礎(chǔ)周圍受到的切向凍脹力[6-7]。涂刷隔離劑方案的施工方便，造價(jià)低，但應(yīng)用案例較少，因此在應(yīng)用前應(yīng)先進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)及“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”方案

鉆孔灌注樁基礎(chǔ)方案及“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”方案考慮選用直徑為400 mm的鉆孔灌注樁，以地質(zhì)勘查工作中某一剖面打孔為例，樁身高出地面的長度為0.8 m。鉆孔灌注樁的Tuk及其計(jì)算參數(shù)如表7所示。

表7 鉆孔灌注樁的Tuk值計(jì)算結(jié)果Table 7 Tuk value calculation result of bored pile

結(jié)合表7和式(2)可計(jì)算得到鉆孔灌注樁的Tf值為221.06 kN。

鉆孔灌注樁單樁上部的光伏支架及光伏組件的自重NG取1.97 kN，單樁自重Gp取31.4 kN。則采用鉆孔灌注樁方案時(shí)，單樁抗凍拔力為：Tuk/2+NG+Gp=381.84÷2+1.97+31.4=224.29 kN，該值大于單樁凍拔力的221.06 kN，可滿足要求。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，若不采取處理措施，鉆孔灌注樁的入土樁長需達(dá)到8.0 m才能抵抗由于光伏支架基礎(chǔ)周圍土體凍脹引起的凍拔力，從而才能保證光伏支架及基礎(chǔ)的穩(wěn)定[8-9]。

但由于單獨(dú)采用鉆孔灌注樁的方案造價(jià)較高，可考慮采用“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”方案。采用此方案時(shí)，在光伏支架基礎(chǔ)側(cè)沿地面以下2.2 m的范圍內(nèi)回填厚度不小于100 mm的非凍脹性的中砂和粗砂，入土樁長取4.5 m。“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”方案的計(jì)算分析與“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”相同[10]，得到的計(jì)算結(jié)果均可滿足要求。其中的凍土層換填法也可采用涂刷隔離劑的方法來代替。但需要說明的是，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)在冬季施工相對較困難。

采用“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”方案時(shí)光伏支架的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 采用“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法”方案時(shí) 光伏支架的結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structural drawing of PV support in scheme of “bored pile foundation + permafrost replacement method”

3 工程經(jīng)濟(jì)性比較

對預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”、“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”這幾種光伏支架基礎(chǔ)方案的工程經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，結(jié)果如下：

1)采用“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案比單獨(dú)采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)方案的造價(jià)低。

2)采用“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案比單獨(dú)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)方案的造價(jià)低。

3)采用“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案與采用“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案的造價(jià)基本一致。

綜合考慮安全性、造價(jià)高低、施工難易、工期長短等因素，本光伏電站項(xiàng)目的光伏支架基礎(chǔ)方案最終選擇采用“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案和“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案。

4 結(jié)論

本文以光伏電站擬建場址的凍脹性評價(jià)為強(qiáng)凍脹、凍脹等級為Ⅳ級、標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為2.20 m的強(qiáng)凍脹地基土為研究對象，分別計(jì)算和分析了在這種地基土情況下采用不同光伏支架基礎(chǔ)方案時(shí)光伏支架基礎(chǔ)的承載力和穩(wěn)定性。綜合考慮安全性、造價(jià)高低、施工難易、工期長短等因素后，決定采用“預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案和“鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案。但由于本工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，面積過大，不同區(qū)域地基土的凍脹類別也不相同，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇上述2種基礎(chǔ)方案之一，并采取合適的樁徑和樁長。