應用于強凍脹土的光伏支架基礎方案分析

于滿滿，杜佼蕾

(龍源(北京)太陽能技術有限公司，北京 100034)

0 引言

如今可利用的優質土地的面積日益減少，隨著光伏發電總裝機容量地不斷擴大，光伏電站用地問題已成為光伏產業發展中首當其沖需要解決的問題，光伏電站建設者不得不開發利用地形復雜的土地。

由于地基土凍脹會引起與凍土接觸的光伏支架基礎發生不同部位的變形或變位，進而影響基礎上部支架結構發生拉伸變形，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，所產生的破壞速度會越來越快，將嚴重影響光伏電站的安全及正常運行。因此，如何消除光伏支架基礎周圍土體凍脹力，從而控制光伏支架的變形成為光伏支架基礎方案新的設計方向[1]。本文以光伏電站擬建場址為強凍脹性的地基土為研究對象，根據相關規范和標準，分別對此種強凍脹土采用不同的光伏支架基礎方案時光伏支架基礎的承載力和穩定性進行了計算和分析，并選出最適合的光伏支架基礎方案。

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，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，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

1)該光伏電站擬建場址的地基土凍脹性分區域綜合評價為：地基土凍脹性為強凍脹，凍脹等級為Ⅳ級；標準凍結深度為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、土對混凝土結構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

根據《巖土工程勘察報告》，本光伏電站擬建場址地基土的樁基設計參數如表1所示，擬建場址地基土的承載力如表2所示。表中：qsik為樁的極限側阻力標準值，kPa；qpk為樁的極限端阻力標準值，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計參數表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 光伏支架基礎方案的設計與光伏支架基礎受力計算

在季節性凍土區，光伏支架基礎會因受周圍土體凍脹而產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構產生不均勻變形，導致光伏支架結構失穩，可能會使光伏組件產生隱裂，甚至造成光伏組件脫落[2]。

根據本光伏電站擬建場址的地基土情況進行光伏支架基礎方案的選擇及光伏支架基礎受力計算。

2.1 鋼筋混凝土條形基礎

根據GB 51101—2016《太陽能發電站支架基礎技術規范》，光伏支架結構的地基變形允許值為0.005 L。擬建場址的地層結構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層粉質粘土呈可塑狀態，承載能力一般，因此整個光伏電站擬建場址的地質條件一般。

若光伏支架基礎采用鋼筋混凝土條形基礎，該方案存在以下缺點：

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

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

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護質量難以保證；并且澆筑施工較為麻煩，同時存在工期長、造價高的問題。

基于上述分析，本光伏電站項目的光伏支架基礎不建議采用鋼筋混凝土條形基礎，而是考慮采用預應力高強混凝土管樁和鉆孔灌注樁2種光伏支架基礎，下文對這2種方案進行分析，涉及的計算公式適用于所有樁類基礎的計算。

2.2 預應力高強混凝土管樁基礎

預應力高強混凝土管樁基礎方案考慮選用直徑d為300 mm的AB型預應力高強混凝土管樁。以地質勘查工作中某一剖面打孔為例，對此種預應力高強混凝土管樁進行受力計算，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準值Tuk的計算式為：

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；li為樁穿透的第i層土層的厚度，m。

根據式(1)計算得到的預應力高強混凝土管樁的Tuk值如表3所示。

單樁凍拔力Tf的計算式為：

式中：ηf為凍結深度影響系數；qf為光伏支架基礎周圍土體凍脹產生的切向凍脹力，kPa；z0為標準凍結深度，m。

根據式(2)計算得到的預應力高強混凝土管樁的Tf值如表4所示。

表4 預應力高強混凝土管樁的Tf值計算結果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，則光伏支架基礎方案采用預應力高強混凝土管樁(入土樁長為8 m)時，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。

根據上述計算結果，若不采取處理措施，預應力高強混凝土管樁的入土樁長需達到8.0 m才能抵抗由于光伏支架基礎周圍土體凍脹引起的凍拔力，從而保證光伏支架及基礎的穩定。但如果樁體入土長度要達到8.0 m，預應力高強混凝土管樁很難進入花崗巖層，施工難度大，樁基的成本高昂[3-4]。綜上所述，本光伏電站項目的光伏支架基礎方案不建議采用預應力高強混凝土管樁。

2.3 “預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案

根據JGJ 118—2011《凍土地區建筑地基基礎設計規范》，可通過在光伏支架基礎側回填厚度不小于200 mm的非凍脹性中砂和粗砂來抵消支架基礎周圍因土體凍脹產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，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；然后再在孔內打樁；最后回填非凍脹性的中砂和粗砂[5]。若采用“預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法”方案，則樁身豎向承載力完全能夠滿足要求，這是因為對于樁身及光伏支架的穩定性起控制性作用的是樁基水平位移10 mm后地面處所對應的荷載。

2.3.1 單樁水平承載力特征值的計算

預應力高強混凝土管樁的單樁基本參數資料如表5所示。

表5 預應力高強混凝土管樁的單樁基本參數資料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的計算式為：

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

其中，EI的計算式為：

式中：Io為根據樁身換算得到的截面慣性距，m4。

Io的計算式為：

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

I1的計算式為：

I2的計算式為：

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

αE的計算式為：

do的計算式為：

ρg的計算式為：

式中：Ac為樁身面積，mm。

Ac可表示為：

根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》中第5.7.5條款，α的計算式為：

式中：bo為樁身的計算寬度，m。

對于圓形樁而言，當d≤1 m時，bo的計算式為：

樁的換算埋深hc的計算式為：

根據查閱JGJ 118—2011《凍土地區建筑地基基礎設計規范》中第5.7.2條款，可得到樁頂水平位移系數νx為5.25。

根據上述公式，可計算得到預應力高強混凝土管樁的Rha值，計算結果如表6所示。

表6 預應力高強混凝土管樁的Rha值計算結果Table 6 Rha value calculation result of prestressed high strength concrete pipe pile

根據表6的計算結果可知，光伏支架基礎方案采用“預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法”方案時，樁體進入標準凍結深度以下2.0 m(即樁體入土深度為4.2 m)時，預應力高強混凝土管樁的Rha＞4.8 kN(樁頂處水平力標準值)，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算過程

按樁體高出地面部分長度為4.0 m進行計算，即用于計算樁身受彎承載力的樁體懸挑長度為2.2+4.0=6.2 m，樁頂處水平力標準值取值為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(樁身受彎承載力設計值)，這說明樁身的受彎承載力可滿足要求。

采用“預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法”方案時光伏支架的結構如圖1所示。

圖1 采用“預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法” 方案時光伏支架的結構圖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算過程

單樁豎向抗壓承載力Quk的計算式為：

式中：Qpk為總極限端阻力標準值，kPa；Qsk為總極限側阻力標準值，kPa；Ap為樁端橫截面積，m2。

當d=300 mm、μd=0.942 m、Ap=0.071 m2時，樁體進入標準凍結深度以下2.0 m(即樁體入土深度為4.2 m)時，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的計算式為：

代入相關數據進行計算，可以得到Ra= 194.52 kN，該值大于樁頂豎向壓力標準值(即13.9+12.5=26.4 kN)，則樁基豎向抗壓承載力可滿足要求。相比于僅采用預應力高強混凝土管樁基礎的方案，采用“預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法”方案時樁長變短，可大幅節約工程造價，且光伏支架更安全可靠。

對于凍土層換填法，可通過在樁基礎周圍相應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，對光伏支架基礎周圍土層與樁體間起到潤滑作用，從而消除光伏支架基礎周圍受到的切向凍脹力[6-7]。涂刷隔離劑方案的施工方便，造價低，但應用案例較少，因此在應用前應先進行試驗。

2.4 鉆孔灌注樁基礎及“鉆孔灌注樁基礎+凍土層換填法”方案

鉆孔灌注樁基礎方案及“鉆孔灌注樁基礎+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及其計算參數如表7所示。

表7 鉆孔灌注樁的Tuk值計算結果Table 7 Tuk value calculation result of bored pile

結合表7和式(2)可計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，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。

根據上述計算結果，若不采取處理措施，鉆孔灌注樁的入土樁長需達到8.0 m才能抵抗由于光伏支架基礎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的穩定[8-9]。

但由于單獨采用鉆孔灌注樁的方案造價較高，可考慮采用“鉆孔灌注樁基礎+凍土層換填法”方案。采用此方案時，在光伏支架基礎側沿地面以下2.2 m的范圍內回填厚度不小于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+凍土層換填法”方案的計算分析與“預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法”相同[10]，得到的計算結果均可滿足要求。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，鉆孔灌注樁基礎在冬季施工相對較困難。

采用“鉆孔灌注樁基礎+凍土層換填法”方案時光伏支架的結構圖如圖2所示。

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

3 工程經濟性比較

對預應力高強混凝土管樁基礎、鉆孔灌注樁基礎、“預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”、“鉆孔灌注樁基礎+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”這幾種光伏支架基礎方案的工程經濟性進行比較，結果如下：

1)采用“預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案比單獨采用預應力高強混凝土管樁基礎方案的造價低。

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

3)采用“預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案與采用“鉆孔灌注樁基礎+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案的造價基本一致。

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

4 結論

本文以光伏電站擬建場址的凍脹性評價為強凍脹、凍脹等級為Ⅳ級、標準凍結深度為2.20 m的強凍脹地基土為研究對象，分別計算和分析了在這種地基土情況下采用不同光伏支架基礎方案時光伏支架基礎的承載力和穩定性。綜合考慮安全性、造價高低、施工難易、工期長短等因素后，決定采用“預應力高強混凝土管樁基礎+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案和“鉆孔灌注樁基礎+凍土層換填法(或涂刷隔離劑)”方案。但由于本工程地質條件極其復雜，面積過大，不同區域地基土的凍脹類別也不相同，因此應根據實際情況選擇上述2種基礎方案之一，并采取合適的樁徑和樁長。