地面光伏電站管樁基礎(chǔ)極限承載力的模擬計(jì)算

中國(guó)建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司光伏事業(yè)部 ■ 黃小東 姜濤 梁寶建 王鵬 張超 牛斌

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)煤炭?jī)r(jià)格的不斷高漲和環(huán)境需求的增加，太陽(yáng)能開發(fā)的熱潮隨即涌現(xiàn)。2009年以來(lái)，國(guó)內(nèi)多座10 MW級(jí)光伏地面電站陸續(xù)投產(chǎn)運(yùn)行。光伏陣列支架的基礎(chǔ)是保證光伏電站安全、正常運(yùn)行的重要組成部分，支架基礎(chǔ)需具備一定的強(qiáng)度和剛度，滿足承載力與變形的要求。管樁則具有諸多優(yōu)越性[1]：1) 承載力高，對(duì)于松散土層，由于擠土效應(yīng)可使承載力提高，對(duì)于可液化土層，還可降低液化等級(jí)；2) 樁身質(zhì)量易于保證和控制，且不受地下水位的影響；3)樁身混凝土密度大，非接頭部位抗腐蝕性強(qiáng)[2]；4) 成樁速度快，適用于地面光伏電站的大面積施工；5) 施工時(shí)無(wú)噪音、無(wú)污染，使得地面電站工期縮短。

本文以中國(guó)建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司光伏事業(yè)部的某地面光伏電站項(xiàng)目[3]為基礎(chǔ)，采用有限元技術(shù)對(duì)電站管樁基礎(chǔ)的變形和承載力情況進(jìn)行精確的分析，為光伏地面電站設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 管樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

管樁基礎(chǔ)的光伏地面電站結(jié)構(gòu)如圖1所示。管樁打入土體內(nèi)部，支撐光伏板的支架與管樁相連，抵抗光伏板所承受的風(fēng)荷載最終由管樁承擔(dān)；同時(shí)管樁頂部也會(huì)產(chǎn)生一定變形。當(dāng)管樁頂部水平位移為10 mm時(shí)，樁頂反力即為管樁基礎(chǔ)的極限承載力。

圖1 光伏地面電站管樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型

本文所分析的光伏地面電站管樁基礎(chǔ)局部結(jié)構(gòu)如圖2所示，基礎(chǔ)與土體相互作用的有限元分析模型如圖3所示。管樁總長(zhǎng)為4.5 m，入土深度為1.2 m，管樁外徑為300 mm，內(nèi)徑為160 mm。

圖2 管樁基礎(chǔ)局部結(jié)構(gòu)

圖3 有限元模型

網(wǎng)格劃分全部采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體非協(xié)調(diào)單元，為保證計(jì)算精度，由外部向管樁–土體接觸部位逐漸加密，加密系數(shù)為1.2，單元總數(shù)為1.8萬(wàn)。

樁基礎(chǔ)周圍土體采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，D-P準(zhǔn)則廣泛應(yīng)用于巖土類材料。p-q平面上的屈服函數(shù)為雙曲型，表達(dá)式見式(1)，其曲線如圖4所示。

圖4 p-q平面上屈服函數(shù)

根據(jù)項(xiàng)目場(chǎng)地地勘報(bào)告中的《物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表》，土體材料分為耕植土和粉質(zhì)粘土兩層。定義由粘聚力控制屈服和硬化，粉質(zhì)粘土層粘聚力取值24 kPa，內(nèi)摩擦角取值20°，膨脹角取值 20°。

在管樁外表面及底面與周圍土體建立接觸關(guān)系。管樁與周圍土層除接觸關(guān)系外，無(wú)其他連接屬性，采用接觸非線性模型考慮管樁與周圍土層的共同作用，用以模擬實(shí)際工況下的接觸狀態(tài)(滑移、靜接觸、分離等)、接觸壓力等響應(yīng)。管樁–土體接觸如圖5所示。

圖5 管樁－土體接觸示意圖

在樁頂施加水平位移10 mm，分析樁頂能承受的最大水平力，即為管樁基礎(chǔ)極限承載力。

3 結(jié)果及分析

使用有限元軟件ABAQUS求解，計(jì)算得到樁頂施加10 mm位移后，土體未產(chǎn)生塑性應(yīng)變。樁頂反力總值7.95 kN，大于上部結(jié)構(gòu)傳遞給管樁的水平力5.140 kN，故土體水平承載力能滿足要求。

考慮最不利狀況下的水平承載力。在地面光伏電站中，當(dāng)風(fēng)載荷較大時(shí)，光伏板不僅承受水平力，還會(huì)受到垂直地面向上的“掀起力”；當(dāng)電站風(fēng)速超過(guò)一定值時(shí)，豎向力比水平力大。因此，在樁頂同時(shí)施加上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向力和水平力，其中豎向力為14.340 kN，水平力為5.140 kN。得到管樁對(duì)土體的接觸壓力云圖如圖6所示。

圖6 管樁－土體接觸壓力云圖

由圖6可得，管樁對(duì)土體的最大接觸壓力出現(xiàn)在樁端土層，為130.9 kPa，小于粉質(zhì)粘土層的承載力特征值174 kPa，更遠(yuǎn)小于粉質(zhì)粘土層的端阻標(biāo)準(zhǔn)值1000 kPa，因此管樁是安全的。管樁側(cè)面接觸壓力如圖7所示。

圖7 管樁側(cè)面接觸壓力云圖

為保證計(jì)算的正確性，同時(shí)通過(guò)有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算校核，有限元模型及土體材料參數(shù)同上。得到的位移云圖如圖8所示，其中為顯示清晰，將模型沿對(duì)稱面剖分。

由圖8及ANSYS計(jì)算可得，當(dāng)樁頂施加10 mm位移后，土體未產(chǎn)生塑性應(yīng)變。樁頂反力總值8.11 kN，與ABAQUS計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差小于2%；樁頂反力大于上部結(jié)構(gòu)傳遞給管樁的水平力5.140 kN，說(shuō)明土體水平承載力能滿足要求。

圖8 管樁-土體作用位移云圖(單位：mm)

4 結(jié)論

本文采用有限元方法對(duì)光伏地面電站管樁基礎(chǔ)極限承載力進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算表明：

1)樁頂施加極限許可位移后，土體未產(chǎn)生塑性應(yīng)變。樁頂反力總值大于上部結(jié)構(gòu)傳遞給管樁的水平力，故土體水平承載力能滿足要求。

2)考慮豎向力比水平力大時(shí)的最不利情況可得，管樁對(duì)土體的最大接觸壓力出現(xiàn)在樁端土層，小于粉質(zhì)粘土層的承載力特征值，因此管樁是安全的。

3)光伏地面電站管樁–土體接觸作用分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)形式及當(dāng)?shù)赝临|(zhì)等特點(diǎn)，對(duì)管樁–土體接觸做單獨(dú)處理，才能對(duì)管樁基礎(chǔ)極限承載力做出準(zhǔn)確判斷，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。

[1]黃發(fā)安. 樁基沉降分析與計(jì)算[D]. 成都: 西南交通大學(xué),2006.

[2]劉爭(zhēng)宏, 鄭建國(guó), 張繼文, 等. 濕陷性黃土地區(qū)橋梁樁基工后沉降計(jì)算方法研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2014, 36(2): 320－326.

[3]黃小東, 張超, 牛斌, 等. 一種基于CFD的光伏陣列風(fēng)荷載預(yù)測(cè)方法[P].中國(guó): CN104200102A, 2014.