光伏電站螺旋鋼管樁的應用和計算

桑 濤

（南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 南京 211100）

光伏電站螺旋鋼管樁的應用和計算

桑 濤

（南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 南京 211100）

隨著技術的進步和新施工工藝的提倡，螺旋鋼管樁在光伏電站建設中得到越來越廣泛的應用。螺旋鋼管樁的優勢有綠色環保、施工快捷、承載力高、可重復利用等。因此，掌握螺旋鋼管樁的實際應用和承載力計算，為今后光伏支架基礎設計進行技術儲備，對提高公司光伏總包項目的經濟效益具有重要的意義。

光伏電站；螺旋鋼管樁；承載力；計算

由中心鋼軸與若干個螺旋葉片連接組成的螺旋鋼管樁是一種異型樁，其表面呈現出一種復雜的幾何形狀。螺旋鋼管樁又分為分層葉片式螺旋鋼管樁和連續葉片式螺旋鋼管樁，其劃分是根據葉片布置形式來定的。其受力機理與日常生活中常見的螺絲釘相識，用配套機械將其旋入土體中。通過鋼管樁樁側與土體之間的側摩阻力，尤其是螺旋葉片與土體之間的咬合力抵抗上拔力和承受垂直荷載，利用樁體、螺旋葉片與土體之間的樁土相互作用抵抗水平荷載。

1 螺旋鋼管樁承載力的主要計算方法

精確計算螺旋鋼管樁的承載力有一定程度的難度，因為除開地質條件外，像樁型參數、施工扭矩等多方面因素都會影響螺旋鋼管樁承載力的計算。螺旋鋼管柱承載力的計算方法有很多，主要的方法有以下幾種：

1.1 單盤承載力法

假定承載力破壞發生在每單片葉片上時，葉片就像是一個鋼盤，基于深基礎破壞模式下，每個鋼盤的極限承載力之和就是單樁極限承載力，這里不再考慮各鋼盤間中軸的土側摩阻力。若上部無鋼盤段的中軸直徑較大且長度較長（不小于5倍最上一個葉片的直徑）時，可以考慮該段的側摩阻力，計算模型如圖1所示。

圖1 單盤承載力法計算模型

1.2 連續剪切筒法（常用）

當葉片間距在一定范圍內時，假定最上部與最下部的葉片之間，構成了一個圓柱形的剪切面，該圓柱筒表面的剪切阻力和螺旋葉片的承載力就是承載力的來源。要想確保計算值與實測值控制在較小的范圍，葉片間距不能過大是運用此法的一個前提條件。連續剪切筒法的計算模型如圖2所示。

1.3 扭矩經驗公式法

扭矩經驗公式法是根據鉆進時機器提供的扭矩來預測螺旋鋼管樁的單樁承載力。其依據的基本原理為：螺旋鋼樁的承載能力因安裝扭矩越大而越大，而安裝扭矩因土質越硬而越大，均是成正比關系。

圖2 連續剪切筒法計算模型

2 計算實例

2.1 工程概況

本次工程為烏拉特后旗50WM光伏并網發電項目，建筑場地位于烏拉特后旗賽烏素鎮北2km。本項目采用尺寸為1650×991×40的組件，20塊組件組成一個單元，在每個單元傾角為40°的通用支架上豎向雙排安裝2×10塊太陽電池組件，每一單元支架前后布置兩排螺旋樁，螺旋鋼管樁一共8根。

根據勘察報告，本工程上部主要為松散、稍密狀態的粉土和較密狀態的礫砂層，巖土主要物理力學性質指標值見表1。根據上述土層情況及以往工程經驗，設計院選用了雙葉片螺旋鋼管樁。螺旋鋼管樁如圖3所示。

表1 巖土主要物理力學性質指標值

圖3 螺旋鋼管樁詳圖

根據支架結構計算書提取數據，傳遞到單樁樁頂的荷載為支座反力：正風壓（壓力）為12.60kN，負風壓（上拔力）為9.88kN。

2.2 承載力計算

本次計算采用設計中較為常用連續剪切筒法，計算模型如圖2所示。當樁頂受力時，作用在樁頂的荷載部分由中間的鋼管與土體之間的側摩阻力承擔，部分由螺旋葉片所受的土體抗力承擔。當有2個及以上葉片時，部分荷載由葉片之間的土柱與周圍土體之間的側摩阻力承擔。

（1）抗壓承載力計算。依據JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》，抗壓承載力計算式為：

滿足抗壓承載力要求。

（2）抗拔承載力計算。以JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》為依據，抗壓承載力計算式為：

滿足抗拔承載力要求。

螺旋鋼管樁設計時，考慮到地質條件的復雜性，以上的理論計算只能作為一種輔助方法來驗算基礎設計的安全性。在滿足力理論計算的同時，必須在現場進行螺旋鋼管樁基礎的拉拔實驗，進而確定螺旋鋼管樁樁型參數。

3 研究結論

精確計算螺旋鋼管樁的承載力有一定程度的難度，因為除地質條件外，樁型參數、施工扭矩等因素都會影響螺旋鋼管樁承載力的計算，所以目前針對螺旋鋼管樁的研究都是在大量的現場拉拔試驗數據統計和分析的基礎上進行的。通過閱讀大量的相關研究資料，綜合目前螺旋鋼管樁各樁型參數與極限抗拔和抗壓承載力的關系的研究成果，得出如下研究結論：①鋼樁極限抗拔和抗壓承載力深受葉片間距比變化的嚴重影響。根據試驗研究表明，樁的極限承載力在葉片間距比S/D=3～4時效果為最優。光伏基礎中常用的小型螺旋鋼管樁，可以采用S/D=3的葉片間距；②隨著葉片直徑（葉片直徑平方）的增大，雙葉片樁的抗拔和抗壓承載力也近似呈線性關系的增加；③相比連續葉片樁，雙葉片樁在承載力方面具有明顯的施工優勢。探究其原因大致如下：連續葉片樁的抗拔承載力深受其下部漸變收縮段的明顯影響而顯著減弱，對土體的重復擾動因其多重葉片在旋擰過程而增加。現場施工也反映在尤其是含有卵石的較硬土層中，在鉆進成樁方面雙葉片樁較之連續葉片樁更容易一些；④對光伏基礎中常用的小型螺旋鋼樁，其樁長和葉片道數應在設計出最優比范圍的葉片間距后再考慮增加與否；⑤考慮螺旋鋼樁的受力工況，常規慢速維持法可以用來確定實際抗拔極限承載力。

U665.12

A

2096-2789（2016）12-0053-02