交能融合項(xiàng)目路域光伏支架基礎(chǔ)用鋼管螺旋樁抗拔極限承載力的計(jì)算研究

摘 要：由于鋼管螺旋樁具有極佳的經(jīng)濟(jì)性和適用性，其在許多光伏發(fā)電項(xiàng)目中都是光伏支架基礎(chǔ)的首選形式，但國(guó)內(nèi)兩項(xiàng)鋼管螺旋樁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于其抗拔極限承載力的計(jì)算公式存在較大差異，在實(shí)際工程中如何選擇更合理的標(biāo)準(zhǔn)困擾著工程設(shè)計(jì)人員。以某交能融合項(xiàng)目路域的光伏場(chǎng)區(qū)為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到了單根鋼管螺旋樁的抗拔極限承載力數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與不同標(biāo)準(zhǔn)下得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果給出了計(jì)算公式應(yīng)用建議。研究結(jié)果表明：1） 從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，鋼管螺旋樁樁徑的增加對(duì)單樁抗拔承載力有一定的提高作用，但提高作用有限，性價(jià)比較低。若要提高單樁抗拔極限承載力，建議還是從增加葉片的道數(shù)或葉片直徑的方向采取措施。2） 在進(jìn)行光伏發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，若要估算單樁的抗拔極限承載力，建議采用DB41/T 2125—2021 中的倒圓臺(tái)承載模式的計(jì)算公式，得到的計(jì)算結(jié)果最保守也最接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞：交能融合；光伏支架；鋼管螺旋樁；抗拔極限承載力；規(guī)范公式

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

鋼管螺旋樁施工技術(shù)于20世紀(jì)80年代引入中國(guó)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前已成為一種技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)便的施工技術(shù)。鋼管螺旋樁因具有強(qiáng)度性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)耐用、施工便捷、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，在光伏發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，且取得了良好效果。雖然鋼管螺旋樁在許多光伏發(fā)電項(xiàng)目中是光伏支架基礎(chǔ)的首選形式，但國(guó)內(nèi)對(duì)鋼管螺旋樁的研究相對(duì)較少，相關(guān)配套規(guī)范也較為欠缺。吳繼峰等[1]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了鋼管螺旋樁的葉片個(gè)數(shù)、直徑，樁徑及注漿等因素對(duì)鋼管螺旋樁抗拔承載力的影響，并初步提出了鋼管螺旋樁的抗拔承載力計(jì)算公式。董天文等[2-3]通過(guò)原型樁抗拔試驗(yàn)，對(duì)鋼管螺旋樁的抗拔性能進(jìn)行了研究，并提出了軟土地基時(shí)鋼管螺旋樁的抗拔極限承載力計(jì)算方法。張新春等[4]對(duì)鋼管螺旋樁的安裝扭矩進(jìn)行了研究，分析了安裝扭矩與抗拔承載力之間的關(guān)聯(lián)。喬紅軍等[5]采用FLAC3D軟件對(duì)鋼管螺旋樁的抗拔承載力進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與工程試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)鋼管螺旋樁的抗拔承載力計(jì)算提出了一種實(shí)用且有效的數(shù)值模擬方法。劉賓科[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析了樁徑、葉片直徑和個(gè)數(shù)、樁間距對(duì)鋼管螺旋樁抗壓極限承載力的影響，并針對(duì)這些因素提出了樁型參數(shù)的優(yōu)化建議。馬藝琳等[7]通過(guò)對(duì)不同規(guī)格的鋼管螺旋樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到了各種鋼管螺旋樁的荷載-沉降（Q-S）曲線，探討了葉片直徑、個(gè)數(shù)，樁徑及降水等因素對(duì)樁基礎(chǔ)抗壓承載力的影響方式及影響程度，為建立適用于國(guó)內(nèi)地質(zhì)條件的鋼管螺旋樁抗壓承載力計(jì)算公式提供了依據(jù)。總體而言，目前的研究成果尚未達(dá)到足夠的水平，鋼管螺旋樁的抗拔承載力的理論計(jì)算方式尚不能滿足工程的實(shí)際需求。

在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)鋼管螺旋樁的設(shè)計(jì)主要依托于兩項(xiàng)規(guī)范：其中一項(xiàng)是2016年發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 51101—2016《太陽(yáng)能發(fā)電站支架基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》[8]，另一項(xiàng)是2021年發(fā)布并實(shí)施的河南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB41/T 2125—2021《公路鋼管螺旋樁設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)范》[9]，但這兩項(xiàng)規(guī)范對(duì)于鋼管螺旋樁抗拔極限承載力的計(jì)算思路及相應(yīng)的計(jì)算公式差異較大。GB 51101—2016的抗拔極限承載力計(jì)算思路基本延用了JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[10]中的計(jì)算思路，仍將抗拔承載力簡(jiǎn)化為樁側(cè)摩阻力來(lái)計(jì)算，并在樁側(cè)摩阻力的周長(zhǎng)中考慮葉片的影響。DB41/T 2125—2021對(duì)鋼管螺旋樁的抗拔破壞模式進(jìn)行了分類(lèi)，分為倒圓臺(tái)承載模式、葉片式承載模式和圓柱剪切承載模式，并根據(jù)不同的抗拔破壞模式提出了相應(yīng)的抗拔極限承載力計(jì)算公式。

鑒于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于鋼管螺旋樁抗拔極限承載力的計(jì)算公式存在較大差異，給工程設(shè)計(jì)人員造成很大困擾這一問(wèn)題，本文以某交能融合項(xiàng)目路域的光伏場(chǎng)區(qū)為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取單根鋼管螺旋樁的抗拔承載力數(shù)據(jù)，再將根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果給出計(jì)算公式應(yīng)用建議。

1" 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

1.1" 光伏場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)情況

本交能融合項(xiàng)目路域的光伏場(chǎng)區(qū)主要位于已建路基的邊坡上，光伏支架基礎(chǔ)采用鋼管螺旋樁。本項(xiàng)目的公路已建成運(yùn)營(yíng)，公路路基的基底壓實(shí)度不低于90%，路堤的壓實(shí)度不低于93%，路床的壓實(shí)度不低于96%；路基填土能達(dá)到中密以上，且對(duì)于軟弱土層采用換填和強(qiáng)夯等方法進(jìn)行處理。光伏支架基礎(chǔ)主要位于路基填土層中。

1.2" 鋼管螺旋樁的沉樁與靜載試驗(yàn)

1.2.1" 沉樁

本光伏場(chǎng)區(qū)采用的鋼管螺旋樁的外徑At為76 mm、壁厚為4 mm；設(shè)置葉片道數(shù)為兩道，葉片直徑D為250 mm，葉片傾角β為10°，兩道葉片的間距Hs為800 mm；樁長(zhǎng)為2.0 m；埋深為1.8 m。該鋼管螺旋樁的結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖如圖1所示。圖中：Ah為葉片的水平投影直徑；F為鋼管螺旋樁承受的豎向荷載。

因光伏場(chǎng)區(qū)的施工地位于路基邊坡上，普通的樁基施工設(shè)備不適用，因此，采用由履帶式挖掘機(jī)改裝的螺旋鉆機(jī)進(jìn)行鋼管螺旋樁的沉樁，施工照片如圖2所示。

1.2.2" 實(shí)施靜載試驗(yàn)

為檢測(cè)單根鋼管螺旋樁（下文簡(jiǎn)稱為“單樁”）的抗拔承載力，對(duì)其進(jìn)行靜載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)過(guò)程中采用油壓千斤頂向試驗(yàn)樁施加上拔力，用于表征試驗(yàn)樁的抗拔承載力，荷載大小由并聯(lián)于油壓千斤頂?shù)挠蛪罕碛?jì)量。試驗(yàn)樁樁頂上拔的位移值大小由置于基準(zhǔn)梁上的百分表測(cè)量。靜載試驗(yàn)布置圖如圖3所示。

靜載試驗(yàn)流程為：沉樁→安放油壓千斤頂→安裝主梁→焊接拉筋→安裝儀表→分析單樁加載上拔力后的測(cè)試數(shù)據(jù)→評(píng)定測(cè)試結(jié)果。靜載試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4所示。

1.3" 靜載試驗(yàn)結(jié)果

在光伏場(chǎng)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)選取3種樁徑共9根鋼管螺旋樁作為試驗(yàn)樁，通過(guò)靜載試驗(yàn)得到單樁的抗拔承載力最大值，然后取每種樁徑下的平均值，最終得到單樁的抗拔承載力靜載試驗(yàn)結(jié)果，具體如表1所示。

2" 不同標(biāo)準(zhǔn)下的抗拔承載力計(jì)算方式與結(jié)果

本文主要針對(duì)GB 51101—2016和DB41/T 2125—2021中關(guān)于鋼管螺旋樁抗拔極限承載力的計(jì)算方式與結(jié)果進(jìn)行研究。

2.1" GB 51101—2016的計(jì)算方式及結(jié)果

根據(jù)GB 51101—2016的第5.3.10條，單樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Tuk可根據(jù)土的物理力學(xué)指標(biāo)和承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行確定，其計(jì)算式為：

（1）

式中：λi為第i層土的抗拔系數(shù)，巖石可取0.8，砂土可取0.5，黏性土、粉土可取0.7；ui為第i層土中樁周計(jì)算周長(zhǎng)，具體取值按該標(biāo)準(zhǔn)中的表5.3.10進(jìn)行取值；qsik為樁側(cè)第i層土的極限樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為樁周第i層土的厚度。

根據(jù)GB 51101—2016中單樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式得到的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2.2" DB41/T 2125—2021的計(jì)算方式及結(jié)果

根據(jù)DB41/T 2125—2021的第5.3條，鋼管螺旋樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算模式分為倒圓臺(tái)承載模式、葉片式承載模式和圓柱剪切承載模式。根據(jù)本光伏場(chǎng)區(qū)采用的鋼管螺旋樁的尺寸及樁基埋深，適用的計(jì)算模式有倒圓臺(tái)承載模式和葉片式承載模式兩種。

倒圓臺(tái)承載模式下單樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk的計(jì)算式為：

（2）

式中：n為土層總數(shù)；Vi為倒圓臺(tái)內(nèi)第i層地基土的體積；fj為第j層葉片承擔(dān)的荷載；W為樁的重量。

倒圓臺(tái)承載模式下的單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

葉片式承載模式下單樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk的計(jì)算式為：

（3）

式中：f1為樁土界面摩阻力；m為葉片總層數(shù)。

葉片式承載模式下的單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

3" 結(jié)果分析

對(duì)依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)得到的單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分別得到兩種標(biāo)準(zhǔn)下的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的偏差，如表5所示。

從表5中的數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

1）從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，鋼管螺旋樁樁徑的增加對(duì)單樁抗拔極限承載力有一定的提高作用，但提高作用有限。樁徑從76 mm增加至114 mm，截面積增加了52.7%，但單樁抗拔極限承載力僅增加了33.4%。因此，若要提高單樁抗拔承載力，建議還是從增加葉片的道數(shù)或葉片直徑的方向采取措施。

2）通過(guò)對(duì)比不同標(biāo)準(zhǔn)下的計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，倒圓臺(tái)承載模式得到的單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果比葉片式承載模式及GB 51101—2016得到的計(jì)算結(jié)果都低，結(jié)果最為保守。

3） 相較于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，倒圓臺(tái)承載模式得到的單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果最為接近，不同樁徑下的最大偏差僅為7.23%；GB 51101—2016的計(jì)算結(jié)果次之；葉片式承載模式的計(jì)算結(jié)果偏差較大。

綜上可知，在進(jìn)行光伏發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，若估算單樁抗拔極限承載力，建議采用DB41/T 2125—2021中的倒圓臺(tái)承載模式的計(jì)算公式，得到的計(jì)算結(jié)果最保守也最接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

4" 結(jié)論及建議

本文以某交能融合項(xiàng)目路域的光伏場(chǎng)區(qū)為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到了單根鋼管螺旋樁的抗拔承載力數(shù)據(jù)，再將根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)得到的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果給出了計(jì)算公式應(yīng)用建議。得到以下結(jié)論：

1）從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，鋼管螺旋樁樁徑的增加對(duì)單樁抗拔極限承載力有一定的提高作用，但提高作用有限，性價(jià)比較低。若要提高單樁抗拔極限承載力，建議還是從增加葉片的道數(shù)或葉片直徑的方向采取措施。

2）在進(jìn)行光伏發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，若要估算單樁的抗拔極限承載力，建議采用DB41/T 2125—2021中的倒圓臺(tái)承載模式的計(jì)算公式，得到的計(jì)算結(jié)果最保守也最接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

需要說(shuō)明的是，本項(xiàng)目中光伏場(chǎng)區(qū)主要位于回填邊坡上，而邊坡的回填時(shí)間較短，尚未完成自然沉降，邊坡土質(zhì)也較為松散，且存在壓實(shí)不均勻等情況，導(dǎo)致實(shí)測(cè)的單樁抗拔承載力試驗(yàn)值浮動(dòng)較大。此外，在螺旋樁鉆進(jìn)時(shí)，由于施工器械、施工工藝及施工人員的技術(shù)水平等因素的影響，樁基施工過(guò)程中對(duì)其周?chē)馏w的擾動(dòng)程度也不盡相同，因此單樁抗拔承載力也會(huì)受到不同程度的影響。由于本研究中鋼管螺旋樁的樣本數(shù)量較少，且固定了樁長(zhǎng)、葉片直徑、葉片道數(shù)、葉片間距等變量，僅考慮了樁徑的變化，無(wú)法全面考察各個(gè)變量對(duì)單根鋼管螺旋樁抗拔承載力的影響程度。針對(duì)這些不足，在后續(xù)的研究中可以通過(guò)加大樣本數(shù)量，選擇符合標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)地，對(duì)施工機(jī)械、施工工藝及施工人員的技術(shù)水平等外部因素加以控制等方法，對(duì)鋼管螺旋樁單樁抗拔承載力的受力機(jī)理和計(jì)算模式進(jìn)行更深入的研究。

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Calculation and research on ULTIMATE TENSILE bearing capacity of steel pipe spiral pile for PV bracket foundation in the road area of transportation and energy INTEGRATION project

Hu Chuanpeng

（China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Guangdong Guangzhou 510663，China）

Abstract：Due to its excellent economy and applicability，steel pipe spiral pile are the preferred form of PV brackets foundation in many PV power generation projects. However，there are significant differences in the calculation formula for the ultimate tensile bearing capacity of steel pipe spiral pile between the two domestic design standards for steel pipe spiral pile. How to choose more reasonable standard in practical engineering is troubling engineering designers. This paper takes the PV field area of a certain transportation energy integration project as an example，and obtains the tensile bearing capacity data of a single steel pipe spiral pile through on-site tests. The on-site test results are compared with the calculation results obtained under different standards， and based on the comparison results，application suggestions for the calculation formula are given. The research results show that：1） From the on-site test results，it can be seen that increasing the diameter of steel pipe spiral pile has a certain improvement effect on the single pile's ultimate tensile bearing capacity，but the improvement effect is limited，which is a low cost-effectiveness. To improve the tensile bearing capacity of a single pile，it is recommended to taking measures in the direction of increasing the number of blades or blade diameter. 2） When designing PV power generation projects，it is recommended to use the calculation formula for the inverted cone bearing mode in DB41/T 2125—2021 to estimate the ultimate tensile bearing capacity of a single pile. The calculated results are the most conservative and closest to actual situation on-site.

Keywords：transportation and energy integration；PV bracketss；steel pipe spiral pile；ultimate tensile bearing capacity；canonical formula

基金項(xiàng)目：中國(guó)能建廣東院科技項(xiàng)目“綜合交通與能源融合關(guān)鍵技術(shù)研究與工程示范”（CEEC2021-KJZX-08-2）

通信作者：胡傳鵬（1987—），男，碩士、高級(jí)工程師，主要從事電力、市政及工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。huchuanpeng@gedi.com.cn