軟塑/流塑軟弱土場地光伏支架基礎不均勻沉降問題及解決措施

收稿日期：2023-02-22

通信作者：陽小超（1990—），男，碩士、工程師，主要從事火力發電及新能源結構設計方面的研究。345720988@qq.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230222.03 文章編號：1003-0417（2024）02-109-06

摘 要：針對光伏支架在軟塑/流塑軟弱土場地應用時存在的一些問題，提出一種半預制輕型光伏支架基礎形式，旨在克服常規基礎因受場地限制不適用，或施工難度大、建設成本較高的問題。通過沉降計算分析，在滿足軟塑/流塑軟弱土地基承載力及基礎整體穩定性的前提下，該半預制輕型光伏支架基礎可以實現安裝支架基礎上方設施后，不增加基礎底面附加壓力，從根本上解決了光伏電站建設后場地地基的后續沉降問題。

關鍵詞：光伏支架基礎；半預制；軟弱土；軟塑/流塑；不均勻沉降

中圖分類號：TM615/TU475+.9 文獻標志碼：A

0" 引言

在碳達峰、碳中和目標的強力推動下，中國的光伏電站建設范圍和數量均在迅速擴大。現階段，中國的光伏電站不僅遍布于西北沙漠地區，也逐漸向沿江、沿海、廢棄礦山等地區發展。光伏支架基礎的設計因項目場地類型分布廣泛，地質類型多樣，需要根據場地不同的地質情況采取適宜的基礎類型。即使在同一場地，也可能選擇不同的光伏支架基礎類型。當光伏電站基礎數量較大時，容易造成成本和工期的巨大差異。因此，選擇合適的基礎類型對于控制工程成本和工期至關重要。

目前，針對軟塑/流塑軟弱土的光伏電站場地，常采用的光伏支架基礎形式主要有：預制（PC）樁基礎、鋼制地錨基礎和微孔灌注樁基礎。而建筑工程中常用的鋼筋混凝土擴展式基礎由于自重較大，在使用期間會產生較大的沉降，相關規程、規范中明確指出其不適用于軟塑/流塑軟弱土場地。

汪海燕等[1]探討了微型混凝土預制實心樁在灘涂地的應用，其配套的機械沉樁避免了在灘涂環境下的施工降水、土方開挖等施工技術難題，為在灘涂上建設光伏電站提供了理論依據；苗廣威等[2]從光伏支架本身出發，提出了一種在外荷載作用下可以自動調節上部結構高度、檁條轉角和距離的長圓孔式橫梁-檁條光伏支架，以較低的成本解決了光伏支架基礎在濕陷性黃土地區存在的不均勻沉降問題。針對軟塑/流塑土場地光伏電站建設，本文提出一種半預制輕型光伏支架基礎形式來減少基礎自重，從而消減支架基礎基底附加壓力來控制其沉降，以避免因地基不均勻沉降造成上部光伏組件的破環，并通過工程實例對該基礎形式進行分析驗證。

1" 半預制輕型光伏支架基礎簡介

本文提出的半預制輕型光伏支架基礎形式可以歸類于擴展式基礎，其構造包括由工廠預制或現場制作的混凝土基礎底板，現場澆筑的基礎側板、頂板及嵌固于基礎底板與側板、頂板一同澆筑的光伏支架基礎支墩；基礎內部合圍區域用塑料泡沫塊填充，既起到澆筑基礎頂板、側板時的模板作用，又達到減輕基礎自重的目的，其構造示意圖如圖1所示，具體施工做法及步驟可參見[3]文獻的專利說明。

2" 工程應用實例

2.1" 工程地質情況

以南方地區某光伏電站為例，項目地處地勢平坦的荒地，周邊分布有湖泊、河流。場區設防烈度為6度（0.05g），地震分組為第2組，場地類別為Ⅲ類，設計風荷載取25年基本風壓ω0為0.45 kN/m2；地面粗糙度類別為B類；雪荷載可不考慮。該光伏電站場區各土層的力學物理指標如表1所示。

2.2" 光伏支架基礎計算結果分析

本項目中，單個光伏陣列布置的光伏組件數量為2×10塊，單塊光伏組件的尺寸為1665 mm×992 mm×35 mm，重量約為18.6 kg；光伏支架為鋼支架，斜梁與地面夾角為35°；光伏組件離地最小距離為0.7 m，光伏支架采用雙支柱模式，前、后支柱中心距離為2 m，每一榀支柱的布置間距為3 m。由于受力特性差異，光伏支架前支柱的基礎尺寸較小，為0.8 m×0.8 m×0.7 m，后支柱的基礎尺寸較大，為1.2 m×1.0 m×0.7 m；前、后兩支柱基礎底板厚度均為120 mm，側板、頂板厚度均為80 mm，光伏支架基礎支墩尺寸為0.2 m×0.2 m，凸出地面高度為0.2 m。光伏支架基礎平面布置圖如圖2所示，光伏支架基礎剖面示意圖如圖3所示。

根據相關規范[4-5]要求，光伏支架基礎應進行承載力和穩定性的驗算。由于光伏組件及光伏支架自重較小，組合作用下風荷載起控制作用。現取1榀中間鋼支架作為計算單元，依據場地地質情況及光伏支架荷載情況分別計算正、負風壓工況作用下前、后支柱基礎的地基承載力和抗傾覆情況。

1） 當軸心荷載作用時，基礎底面的壓力Pk的計算式為：

Pk= Fk+Gk" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

A

式中：Fk為上部結構傳至基礎頂面的豎向力值（標準組合）；Gk為基礎自身重量及其上部土的重量；A為基礎底面的面積。

當偏心荷載作用時，基礎底面的最大壓力Pk，max的計算式為：

Pk，max= 2（Fk+Gk）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

3la

式中：l為垂直于力矩作用方向的光伏支架基礎底面的邊長；a為合力作用點至光伏支架基礎底面最大壓力邊緣的距離。

2） 地基承載力特征值修正值fa的計算式為：

fa＝fak+ηbγ（b–3）+ηdγm（d–0.5）" " " " " " " " " " " " （3）

式中：ηb、ηd為基礎底面寬、深的承載力修正系數，按規范[6]要求，取值分別為0、1；γ、γm分別為基礎底面以下、以上土的重度；b為基礎底面的寬；d為基礎埋深。

3） 風荷載標準值ωk根據項目情況及規范規定取值，其計算式為：

ωk=βz μz μsω0" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中：βz為z高度處的風振系數，取值為1.0；μz為風壓高度變化系數，取值為1.23；μs為風荷載體型系數，取值為1.3。

4） 地基變形最終變形量s計算式為：

s=ψss′=ψs（ziαi–zi–1αi–1）" " " " " " " " " " " " " "（5）

式中：ψs為經驗計算系數，按規范要求本項目取值為1.1；P0為基底附加壓力（準永久組合）；Esi為第i層土的壓縮模量；zi為基礎底面處至第i層土底面的距離；αi為基礎底面處至第i層土底面范圍內平均附加應力系數；s′為按分層總和法計算出的地基變形量；n為地基變形計算深度范圍內所劃分的土層數。

正、負風壓工況[7]作用下光伏支架前、后支柱基礎安全系數的計算結果匯總如表2所示。

由表2可知：負風壓工況作用下光伏支架前、后支柱基礎穩定性安全系數計算結果均大于1.60，滿足規范要求的穩定性安全系數應大于1.60的規定。其中，前支柱基礎沒有穩定性問題；后支柱基礎抗傾覆安全系數最小，只有1.64。由于光伏支架及光伏組件重量很輕，基礎在軸心荷載作用下產生的基礎底面壓力較小，地基承載力富余量較大；在偏心荷載作用下前支柱基礎產生的基礎底面最大壓力較大，相比之下，后支柱基礎更加不利。因此可以得出：后支柱基礎在負風壓工況下因需滿足抗傾覆驗算的條件，對基礎底面尺寸有最小值要求；前支柱基礎在偏心荷載作用下因需滿足基礎底面最大壓力和基礎底面零應力面積限值的條件，同樣對基礎底面尺寸有最小值要求。不同光伏支架基礎底面附加壓力及沉降計算結果對比如表3所示。

由表3可知：半預制輕型光伏支架基礎的基礎底面附加應力為負值，因此該基礎不會產生沉降，與獨立基礎相比，大大減少了基礎底面附加壓力。由此可知，半預制輕型光伏支架基礎在滿足軟塑/流塑軟弱土地基承載力及基礎整體穩定性的前提下，可以實現安裝光伏支架基礎上方設施不增加基礎底面附加壓力，從根本上解決光伏電站建設后場地地基后續沉降的問題。

3" 不同光伏支架基礎形式的經濟性對比

本文從實際項目光伏支架基礎形式的經濟性出發，以單個光伏陣列為對象，對以下幾種適用的光伏支架基礎形式進行工程量和成本比較，對比結果如表4所示。

備注 不設混凝土墊層，不需要大型機械輔助施工 需要專業大型機具壓樁且需控制樁的定位及垂直度 需要人工或機械成孔，樁身振搗密實難度大

注：1）單個光伏陣列由4榀光伏支架組成，根據上部支架受力情況計算樁數量及樁長；2）鋼制地錨基礎不適用于本項目流塑土層較厚的情況，因此未列入

通過表4可知：半預制輕型光伏支架基礎的經濟性最好，大幅減少了工程成本，單個光伏陣列基礎成本比采用4樁、8樁模式的PC樁基礎時分別減少了69%、93%；比采用微孔灌注樁基礎時分別減少了47%、68%。說明半預制輕型光伏支架基礎節省了大量工程投資，具有良好的經濟效益。

PC樁基礎和微孔灌注樁基礎均屬于樁類基礎，為了在軟塑/流塑軟弱土場地中能發揮樁的承載力性能，樁長一般較長，因此其基礎施工建設成本較高。再加上面積較大的建設場區通常會存在很多大型機具不能施工的區域，會造成更多人工成本投入。

4" 結論

本文針對光伏支架在軟塑/流塑軟弱土場地的應用情況，提出了一種半預制輕型光伏支架基礎形式，并以軟塑/流塑軟弱土場地的工程實例對其適用性進行了說明。通過計算得出，該基礎可以在滿足軟塑/流塑軟弱土場地地基承載力及基礎整體穩定性的前提下，實現安裝光伏支架基礎上方設施后不增加基礎底面附加應力的目的，解決了建設后場地產生后續沉降造成光伏支架上部光伏組件破壞的問題。同時對PC樁基礎、微孔灌注樁基礎等常用樁基礎形式與半預制輕型光伏支架基礎的施工特點和經濟性情況進行了對比，得出半預制輕型光伏支架基礎有以下幾點優勢：

1）以實例應用情況來看，在軟塑/流塑軟弱土場地應用時，半預制輕型光伏支架基礎的經濟性最好，工程費用較低，其成本比PC樁基礎和微孔灌注樁基礎成本分別降低了69%和47%。

2）半預制輕型光伏支架基礎不需要專業大型機具輔助施工。當在軟塑/流塑軟弱土場地施工不具備采用大型機具的施工條件，或采用常規樁基礎施工難度大時，可以為工程人員提供一種新型基礎方案。

3）半預制輕型光伏支架基礎較傳統鋼筋混凝土擴展式基礎優化了施工工序，減少了施工環節。基礎底板尺寸型號可以根據光伏電站所在區域情況同光伏支架參數配套使用，可以批量在工廠或現場制作好后再運至指定點組裝，基礎底部不設混凝土墊層，直接澆筑即可制成半預制輕型光伏支架基礎。突破了相關規程、規范中鋼筋混凝土擴展式基礎對軟塑/流塑軟弱土場地不適用的限制。

[參考文獻]

[1] 汪海燕，楊菁，賀廣零.灘涂光伏支架基礎研究[J].水電能源科學，2017，35（1）：205-208.

[2] 苗廣威，張廣平，郭航，等.濕陷性黃土地區光伏支架基礎不均勻沉降問題及解決措施[J].太陽能，2019（3）：43-48.

[3] 陳少雄，陽小超，何志剛.一種半預制輕型光伏支架基礎：CN217758915U[P]. 2022-11-08.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.太陽能發電站支架基礎技術規范：GB 51101—2016[S].北京：中國計劃出版社，2016.

[5] 電力規劃設計總院.光伏支架結構設計規程：NB/T 10115—2018[S].北京：中國計劃出版社，2018.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑地基基礎設計規范：GB 50007—2011[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑結構荷載規范：GB 50009—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

NON-UNIFORM SETTLEMENT OF PV BRACKET FOUNDATION IN

SOFT PLASTIC/FLOW PLASTIC SOFT SOIL SITES AND

ITS SOLUTIONS

Yang Xiaochao，Chen Shaoxiong，He Zhigang

（China Energy Construction Group Hunan Electric Power Design Institute Co.，Ltd，Changsha 410007，China）

Abstract：In view of the problems existing in the application of PV brackets in soft plastic/flow plastic soft soil sites，this paper proposes a semi-prefabricated lightweight PV bracket foundation form，which aims to overcome the problems of inappropriate application of conventional foundations due to site constraints or difficult construction and high construction costs. On the premise of satisfying the bearing capacity of the soft plastic/flow plastic soft soil foundation and the overall stability of the foundation，it is found through settlement calculation that this semi-prefabricated lightweight PV bracket foundation can achieve the installation of facilities above the PV bracket foundation without increasing the additional stress on the foundation bottom，the problem of subsequent settlement of the foundation after construction of PV power stations is fundamentally solved.

Keywords：PV bracket foundation；semi-prefabricated；soft soil；soft plastic/flow plastic；non-uniform settlement