某光伏電站小型鉆孔灌注樁基礎設計計算問題的探討

■ 買發軍 白榮麗 張曉峰

（1.特變電工新疆新能源股份有限公司；2.中國船舶重工集團西安第七零五研究所海源測控技術有限公司)

0 引言

光伏支架基礎主要用于安裝、支承支架及太陽電池組件，光伏支架基礎的設計要充分考慮到承重、抗風、抗震等因素。在設計支架基礎前，必須對現場工程地質進行勘察，充分了解、研究土層的成因、構造及其物理力學性質等，從而對現場的工程地質條件做出正確的判斷。伴隨著光伏電站的快速發展，小型鉆孔灌注樁基礎已廣泛應用于光伏電站中。本文根據共和縣某項目實際情況，研究小型鉆孔灌注樁基礎的設計及計算方法。

1 項目概述

1.1 項目背景

本項目建設容量為20 MWp，項目位于青海省海南州共和縣光伏發電園區內，光伏發電園區距縣城12 km，G214國道由園區西側通過。場址區平均海拔2900 m，地勢平緩，地形開闊，地面多為退化、半退化草場。

共和縣具有海拔高、氣壓低、降水量小、晝夜溫差大、日照時間長、風沙大等氣候特征。年平均降水量為318.5 mm，多年平均氣溫為4.3 ℃，年極端風速為28 m/s，年平均沙塵暴日數為4 d，年平均雷暴日數為40 d。全境光照充足，太陽輻射強烈，平均每天日照時間達8 h，年平均日照時數為2922.6 h，太陽能資源豐富，是建設光伏電站的理想場所。

1.2 主要技術參數

1) 場地土類型為中硬土，建筑場地類別為Ⅱ類；2) 地震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10 g；3) 設計基本風壓0.35 kPa[1]，設計基本雪壓0.15 kPa；4) 標準凍土深度150 cm；5) 根據地勘資料，在勘探深度范圍內未發現地下水，可不考慮地下水對基礎及施工的影響。

1.3 場區工程地質條件

勘探揭示，場區巖土工程性狀自上而下分述如下：1) 風積細砂(Q4eol)：土黃色，干燥、松散，砂質較純凈，礦物成分以石英、長石、云母等組成。分布于場地淺部表層，該層層厚0.3～0.5 m。2) 卵石(Q3al)：灰白色，稍濕，稍密－中密，礫卵石成分多為石英巖、石英砂巖及花崗巖等。該層位于風積細砂層之下，層頂埋深0.3～3.7 m，整個場地均有分布，揭露厚度大于15.0 m，本次勘察未揭穿。

表1 各層巖土主要物理力學性質指標值

2 小型鉆孔灌注樁基礎設計計算

2.1 基礎設計

支架基礎的設計必須滿足兩個基本條件：1)作用于支架基礎上的載荷不超過地基容許的承載能力，以保證基礎在防止整體破壞方面有足夠的安全性；2)控制基礎的沉降，使其不超過基礎容許的變形值[2]。

本項目選用組件尺寸為1650 mm×992 mm×40 mm，40塊組件為一個單元，組件排列形式為2×20，每個單元長20.22 m，雙排立柱，立柱間距為2200 mm，基礎間距為2800 mm，最佳傾角35°。單元支架平面布置圖見圖1。

圖1 單元支架平面布置圖

通過對當地氣象條件及地質情況進行詳細分析，結合所選用支架的結構形式，本項目擬采用φ250 mm、1.5 m長的鉆孔灌注樁基礎，樁頂高出室外地坪0.3 m，地面以下1.2 m。鉆孔灌注樁基礎詳圖見圖2。

2.2 基礎計算

2.2.1 樁身抗壓承載力計算(抗壓驗算)

根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》第8.5.11條公式[3]計算承載力：

式中：?c為混凝土軸心抗壓強度設計值，kPa，按現行國家標準GB 50010《混凝土結構設計規范》取值，本項目基礎采用C30混凝土，?c=14.3 N/mm2；Q為相應于作用的基本組合時的單樁豎向力設計值，kN；Ap為樁身橫截面積，mm2，Ap=π(250/2)2=49062.5 mm2；φc為工作條件系數，非預應力預制樁取0.75，預應力樁取0.55～0.65，灌注樁取0.6～0.8，本項目φc取用低值0.6；K為安全系數，K=2。

由式(1)可得：樁身抗壓承載力N為210.48 kN。

根據上部支架結構計算書中提取的前后立柱基礎反力最大Nmax=15.086 kN< 210.48 kN，因此樁身強度滿足樁的抗壓承載力設計要求。

2.2.2 單樁極限承載力標準值計算

鉆孔灌注樁直徑取φ250 mm，初步選擇樁長1.5 m，基礎露出地面長度0.3 m，基礎埋入地下長度1.2 m，埋入地下樁長分布于土層1～2層。

1)單樁豎向承載力特征值計算：

圖2 灌注樁基礎詳圖

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值；qpa為樁端端阻力；qsia為樁側阻力特征值；Ap為樁底端橫截面面積；up為樁身周邊長度，對于等直徑樁取up=πd；li為第i層巖土層的厚度；λi為樁周i層土抗拔承載力系數；K為安全系數，K=2。

由式(2)得：

2)單樁豎向抗拔承載力特征值計算：

式中：Ra′為單樁豎向承載力特征值；λi為樁周i層土抗拔承載力系數；Gpk為單樁自重標準值(扣除地下水浮力)。

由式(3)得：

2.2.3 單樁受彎計算

根據計算，單樁所受的水平力F=0.452 kN，

樁基水平承載力特征值

根據上部支架結構計算書中提取的水平承載力最大值，Fmax=0.452 kN<0.662 kN，滿足樁基礎受彎要求。

2.2.4 樁身配筋驗算

式中：?y為鋼筋抗拉強度設計值；As為縱向受拉鋼筋截面面積。

由式 (4)得：As≥35.7 mm2。

本工程選用6根φ10縱筋，As=6π(10/2)2=471 mm2>35.7 mm2，滿足強度要求。

3 不同類地況基礎設計探討

通過上述計算可以看出，地質條件的差異對灌注樁基礎設計參數的選取影響很大。不同類地況基礎的設計，需考慮的主要因素有：場區巖土工程土層分布情況、承載力特征值、極限側阻力標準值、極限端阻力標準值、抗拔系數。其他地況基礎設計時，可通過實施地區詳細地勘報告提取上述參數值，按照前面所述計算流程設計計算，完成灌注樁基礎設計。

4 結束語

由于小型鉆孔灌注樁基礎的計算在一般的土建基礎設計中是一種特例，目前國內還沒有一本書籍能較為系統地闡述此方面的計算，而且也沒有針對此種基礎設計計算方面的規范和標準。本文參照土建基礎設計的有關規范和標準，結合對光伏電站基礎的研究及長期積累的經驗，給出小型鉆孔灌注樁基礎的設計計算方法，可供從事此方面工作的人員參考。

[1]GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S].

[2]GB 50797-2012，光伏發電站設計規范[S].

[3]GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范[S].