沙丘地貌下光伏基礎(chǔ)PHC管樁設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

摘 要：為確定沙丘地貌下適宜的光伏基礎(chǔ)形式，本文根據(jù)實(shí)際情況，對常用的3種光伏樁基礎(chǔ)形式進(jìn)行綜合考慮，最終將PHC管樁作為光伏的基礎(chǔ)形式。為分析樁身水平承載力影響因素與設(shè)計(jì)參數(shù)，對影響管樁水平承載力的管樁入土深度和自由端長度進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，通過試驗(yàn)得到各因素對管樁水平承載力的影響曲線，并確定寧夏中衛(wèi)項(xiàng)目的施工參數(shù)。本文針對PHC管樁在施工中的控制要點(diǎn)進(jìn)行分析，不僅保證了光伏樁基的施工質(zhì)量，還為同類沙丘地貌下的光伏樁基施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：沙丘地貌；光伏發(fā)電；PHC管樁

中圖分類號(hào)：TU 47 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，光伏發(fā)電技術(shù)因其清潔、可再生的特性而備受矚目。隨著光伏電站的大規(guī)模建設(shè)和發(fā)展，在各種復(fù)雜地形地貌下的基礎(chǔ)建設(shè)問題逐漸凸顯，尤其是在沙丘地貌地質(zhì)條件下，沙丘地貌的土壤特性（例如松散性、流動(dòng)性以及低承載能力）會(huì)給光伏電站的基礎(chǔ)施工帶來較大的挑戰(zhàn)，因此找到一種既經(jīng)濟(jì)又高效的基礎(chǔ)解決方案，成為目前施工面臨的首要難題。

PHC管樁因其卓越的承載性能和施工便捷性，逐漸成為沙丘地貌下光伏基礎(chǔ)建設(shè)的優(yōu)選方案[1]。在實(shí)際施工中，保障PHC管樁的有效承載力和施工質(zhì)量是目前面臨的重要難題。本文通過比選確定沙丘地貌下光伏的基礎(chǔ)形式，并通過模擬確定合適的施工方案以及研究施工細(xì)節(jié)，保證光伏基礎(chǔ)PHC管樁的施工質(zhì)量。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市騰格里沙漠東南部，地貌現(xiàn)狀以沙丘為主，地形起伏較大。設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)79500根，設(shè)置光伏組件413400塊，全部采用單晶硅575Wp組件。由于沙丘地貌具有特殊性，因此在保證施工質(zhì)量的前提下，選擇一種既經(jīng)濟(jì)又高效的基礎(chǔ)解決方案是基礎(chǔ)施工的重點(diǎn)。

2 光伏基礎(chǔ)選型

2.1 常用的光伏樁基礎(chǔ)形式

目前光伏樁基礎(chǔ)常用的類型主要包括螺旋鋼樁、混凝土灌注樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁3種[2]，各自的成樁工藝與優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

2.1.1 螺旋鋼樁

螺旋鋼樁是通過旋轉(zhuǎn)的方式將鋼樁旋入土壤中的樁基礎(chǔ)類型。它特別適用于土質(zhì)較為松軟或中等硬度的場地。這種樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)顯著，安裝速度快且施工效率高，對土壤的擾動(dòng)小，具有較好的環(huán)保性。更重要的是，螺旋鋼樁可回收再利用，符合綠色發(fā)展的理念。但是螺旋鋼樁不適合堅(jiān)硬或巖石地質(zhì)條件下的樁基施工，且其對生產(chǎn)廠商的要求較高，在某些地區(qū)會(huì)面臨實(shí)施困難的問題。

2.1.2 混凝土灌注樁

混凝土灌注樁的成樁工藝是在地面鉆孔后，將混凝土灌入孔中形成樁身。在地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，可能需要在灌注過程中加入鋼筋籠提高樁身的承載力。這種樁基礎(chǔ)適用于各種地質(zhì)條件，尤其是土質(zhì)堅(jiān)硬或巖石層較淺的地區(qū)?；炷凉嘧兜闹饕獌?yōu)點(diǎn)是承載力高、穩(wěn)定性好，并且使用壽命長。但施工周期相對較長，同時(shí)施工過程中可能會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生一定影響，例如噪聲和泥漿污染，而且成本相對較高。

2.1.3 預(yù)應(yīng)力混凝土（PHC）管樁

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（以下簡稱PHC管樁）是采用先張法預(yù)應(yīng)力工藝和離心成型法制成的一種空心筒體細(xì)長混凝土預(yù)制構(gòu)件。它作為建筑物或構(gòu)筑物的基礎(chǔ)，通過錘擊或靜壓方式沉入地下。PHC管樁在多種地質(zhì)條件下都適用，特別是在軟土地區(qū)具有較好的應(yīng)用效果。這種樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的承載力和抗裂性，施工速度快且效率高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。不過，它在堅(jiān)硬地質(zhì)條件下的施工難度較大，同時(shí)在運(yùn)輸和安裝過程中需要小心處理，避免樁身損壞。

2.2 確定樁基礎(chǔ)形式

龍?jiān)粗行l(wèi)光伏項(xiàng)目的樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)選型需要綜合適用范圍、施工成本、施工效率、技術(shù)成熟度、節(jié)能環(huán)保5方面，其綜合評價(jià)結(jié)果見表1。

沙丘地貌通常具有沙層松散、承載能力低的特點(diǎn)，因此對樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和承載力要求較高。由表1可知，適合沙丘地貌條件下施工的是螺旋鋼樁和PHC管樁，但施工隊(duì)伍對螺旋鋼樁技術(shù)的掌握程度較低，且受限于施工場地附近無合適的生產(chǎn)廠商，因此選用PHC管樁作為光伏的基礎(chǔ)形式比較合適。

2.3 樁身水平承載力影響因素分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

樁身水平承載力是影響光伏基礎(chǔ)穩(wěn)定性和安全性的重要因素。在沙丘地貌下，樁身水平承載力的影響因素主要包括樁的截面剛度、材料強(qiáng)度、樁側(cè)土質(zhì)條件、樁的入土深度以及樁頂端自由段長度等[3]，對現(xiàn)場施工來說，控制某些因素意義不大，因此本文用數(shù)值模擬的方法針對樁的入土深度以及樁頂端自由段長度兩個(gè)因素進(jìn)行樁身水平承載力變化分析，以此指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

2.4 建立模擬分析模型

本文用ABAQUS軟件對PHC管樁進(jìn)行有限元模擬。在建模前，為保證結(jié)果的有效性與計(jì)算的快捷性，做出4種計(jì)算假定：土體均勻且各向同性；PHC管樁的混凝土與鋼筋能保持變形協(xié)調(diào)；不考慮施工過程中損失的預(yù)應(yīng)力；不考慮其他約束構(gòu)件對樁承載力的影響。

參考設(shè)計(jì)圖紙，PHC管樁外直徑為0.3m，樁長為5m，入土深度為2.5m，樁頂端自由段長度為2.5m，混凝土等級為C80。樁周土體模型長寬取20倍PHC管樁直徑，土體深度為5m。網(wǎng)格均勻劃分，單元網(wǎng)格總數(shù)為12020個(gè)。其中，選用Mohr-Coulomb彈塑性模型作為土體本構(gòu)模型[4]，其中樁底端為固定約束，樁頂段為自由狀態(tài)。有限元模型如圖1所示。在模擬中，將水平荷載施加在樁頂中心點(diǎn)處，該點(diǎn)與樁頂?shù)谋韺玉詈线B接，通過點(diǎn)與面間的耦合作用，將水平荷載均勻分布在PHC管樁表層。

2.5 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證不同樁的入土深度以及樁頂端自由段長度對樁身水平承載力的影響，對其進(jìn)行試驗(yàn)。采用控制變量法，基于上述試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母鲄?shù)取值，僅改變單一變量，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)確定以下試驗(yàn)方案。1）樁頂端自由段長度為2.5m不變，入土深度變化。共設(shè)置4組，每組入土深度遞增1m，取值為1.5m～4.5m，水平荷載加載為0kN～14kN。2）樁入土深度為2.5m不變，樁頂端自由段長度變化。共設(shè)置4組，每組長度遞增1m，取值為0.5m～3.5m，水平荷載加載為0kN～20kN。

2.6 試驗(yàn)分析

在樁頂端自由段長度取值不變的情況下，不同入土深度（L）對樁身水平承載力的影響曲線如圖2所示。

由圖2（a）可知，當(dāng)PHC管樁入土深度為1.5m時(shí)，其水平位移大于其他工況下的入土深度的位移，說明該入土深度下的單樁水平承載力最小。對比不同入土深度在同一水平荷載下的水平位移可知，PHC管樁樁頂?shù)乃轿灰齐S著入土深度增加而減少，但入土深度大于2.5m后，其水平位移減少并不明顯，即入土深度大于2.5m后，PHC管樁的表現(xiàn)形式為剛性樁，由圖2（b）可知，在相同水平荷載下，入土深度為1.5m時(shí)，管樁沿樁身長度方向的水平位移增長速率不變。而入土深度大于2.5m后，水平位移沿樁頂?shù)綐抖朔较虻脑鲩L速率變緩，樁端的水平位移接近零，是理想狀態(tài)。因此可以看出，PHC管樁入土深度越深，單樁水平承載力越大，但入土深度大于2.5m后，單樁水平承載力增長明顯變緩，此時(shí)入土深度對單樁水平承載力的影響明顯變?nèi)?，因此建議PHC管樁入土深度值不小于2.5m。

在樁入土深度取值不變的情況下，不同自由段長度（N）對樁身水平承載力的影響曲線如圖3所示。

由圖3（a）可知，PHC管樁自由段長度對樁身水平承載力的影響明顯，樁頂水平位移隨著PHC管樁自由段長度增加而減少，即樁身水平承載力隨著PHC管樁自由段長度增加而減少，由圖3（b）可以更直觀看出在同水平荷載下，樁頂?shù)乃轿恢貌钪底兓^大，自由段長度為0.5m時(shí)的位移差與自由段長度為3.5m時(shí)的樁頂水平位移差值達(dá)到51mm，當(dāng)自由段長度大于2.5m時(shí)，水平位移變化明顯，即自由段長度越大，樁頂水平位移增長趨勢越快，樁身水平承載力越低。因此，樁身水平承載力隨著PHC管樁自由段長度增加而減少，當(dāng)自由段長度大于2.5m時(shí)，樁身水平承載力變化明顯，因此建議PHC管樁自由段長度不高于2.5m。

2.7 參數(shù)取值

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)M得到的結(jié)論與設(shè)計(jì)要求，將本項(xiàng)目PHC管樁的入土深度設(shè)計(jì)為2.5m，自由段長度為1.5m。

3 PHC管樁施工控制要點(diǎn)

3.1 測量放線與樁位定位

當(dāng)測量放線時(shí)，應(yīng)設(shè)置控制樁與水準(zhǔn)點(diǎn)，并保證其位置不受打樁影響，通常是距離操作地點(diǎn)40m以外。為使樁位放樣準(zhǔn)確，須使用經(jīng)緯儀等精密儀器進(jìn)行復(fù)核，保證樁位的偏差在20mm以內(nèi)[5]。

3.2 豎樁與插樁

在豎樁和插樁過程中，應(yīng)使用直角坐標(biāo)法對樁位進(jìn)行二次復(fù)核，保證樁尖的中心點(diǎn)與樁位的偏差不超過20mm。同時(shí)，要檢查樁身的垂直度，其精度誤差應(yīng)小于樁長的1%。

3.3 打樁或壓樁

在打樁或壓樁過程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制錘擊力或壓樁力[6]。例如，當(dāng)使用錘擊法時(shí)，應(yīng)選擇合適的錘重和落距，避免過大的沖擊力對樁身造成損害；當(dāng)使用靜壓法時(shí)，應(yīng)控制壓樁速度和壓力，保證樁身平穩(wěn)下沉。此外，還須對樁身的垂直度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測和調(diào)整。

4 結(jié)論

本文對沙丘地貌下光伏基礎(chǔ)PHC管樁設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行研究，由研究結(jié)果可得出以下結(jié)論。1）螺旋鋼樁和PHC管樁適合沙丘地貌條件下的施工，但結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選用PHC管樁作為光伏的基礎(chǔ)形式是較為合適的。2）PHC管樁入土深度越深，單樁水平承載力越大，但當(dāng)入土深度大于2.5m時(shí)，單樁水平承載力增長明顯變緩，此時(shí)入土深度對單樁水平承載力的影響明顯變?nèi)酰虼私ㄗhPHC管樁入土深度值不低于2.5m。3）樁身水平承載力隨著PHC管樁自由段長度增加而減少，當(dāng)自由段長度大于2.5m時(shí)，樁身水平承載力變化明顯，因此建議PHC管樁自由段長度不高于2.5m。

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