季節性凍土區光伏支架鋼樁基礎承載特性的試驗研究

摘 要：在季節性凍土區的光伏發電項目建設過程中，凍土的凍脹融陷作用常嚴重弱化光伏支架樁基礎的承載力。依托某擬建于季節性凍土區的光伏電站，通過現場試樁試驗，分析了單根鋼樁豎向抗拔靜載試驗、水平靜載的試驗結果，系統分析了不同樁型、樁深的承載特性，并判斷是否符合設計標準；提出“引孔+回填”施工工藝，研究其對鋼樁基礎抗拔承載力的提升效果。試驗結果表明：引孔后回填砂和水泥至孔深90%的施工工藝對光伏支架樁基礎的極限抗拔承載力提升效果最優。以期試驗結果為類似光伏支架樁基礎工程提供參考和借鑒。

關鍵詞：季節性凍土；光伏支架；鋼樁基礎；承載力；現場試驗

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A、

0" 引言

近年來，隨著可再生能源需求的日益增長，光伏發電技術受到了廣泛的關注[1-2]。尤其是在“雙碳”目標的推動下，中國光伏產業逐步向太陽能資源豐富、海拔較高的西部高原山區擴展。然而，在西部高原山區廣泛分布著季節性凍土；其凍脹融陷特性會嚴重影響光伏電站中光伏支架樁基礎的承載性能[3-4]。光伏支架樁基礎承擔著支撐其上部結構、抵抗風荷載等任務，盡管其成本在光伏發電項目總成本中的占比不大，但其卻支撐著占項目總成本60%的光伏組件。因此，對季節凍土區光伏支架樁基礎承載特性進行研究具有重要的實際意義。

光伏支架樁基礎屬于微型樁的范疇，國內外學者已針對微型樁的承載特性開展了試驗研究。例如：呂凡任等[5]通過在軟土地基上進行微型樁的單樁、群樁的抗壓和抗拔現場試驗，研究了其荷載-沉降特性，并探討了群樁效應、施工工藝對微型樁的設計參數的影響；Yang等[6]通過現場足尺試驗，研究了兩根H型鋼樁在密實砂土中的受力特性及其荷載傳遞機制；蘇榮臻等[7]通過現場試驗，研究了微型樁的水平承載力與變形特性；宗鐘凌等[8]通過現場樁基承載力試驗，研究了壓力注漿工藝和注漿體積比對微型樁抗拔極限承載力的影響。此外，部分學者也借助現場試驗和數值模擬等手段研究了凍土區微型樁的承載特性。例如：陳然[9]通過數值模擬分析了凍土區螺旋樁的受力規律，以及樁周土的變化及其影響范圍；孟凱[10]則借助有限元軟件，模擬了季節性凍土區光伏支架螺旋樁在季節性凍融期荷載作用下的受力、位移等特征，并討論了樁深、樁型等參數對其抗凍拔性能的影響。

綜上所述，目前針對季節性凍土區光伏支架樁基礎承載特性的研究還相對較少，鮮有研究關注如何提升其承載力。鑒于此，本文依托擬建于某季節性凍土區的光伏電站，通過現場試樁試驗，對季節凍土區光伏支架樁基礎采用鋼樁時的承載特性進行系統研究；同時，針對樁基礎承載力不足的問題，提出基于“引孔+回填”的施工工藝，并探究其對樁身承載力的提升效果。以期為建設于季節性凍土區的光伏電站的光伏支架樁基礎工程提供參考和借鑒。

1" 工程概況

本擬建光伏電站位于四川省甘孜藏族自治州，場地為高原山地地貌，四周無遮擋，海拔為4000～4600 m。該區域季節性凍土廣泛發育（如圖1所示），標準凍深取80 cm。

場地內各土層的力學參數如表1所示。表中：γ為容重；c為粘聚力；φ為內摩擦角。場地淺表層（即表1中的①層）主要由第四系沖洪積物高原草甸土和碎石土層構成。高原草甸土層的結構松散，主要包括根植層、有機質土層和粉質黏土層，整體厚度為0.1～1.0 m；碎石土層中碎石含量較高，通常整體厚度為3.0～4.0 m，其典型工程地質剖面圖如圖2所示。場地內主要土層為三疊系砂巖、板巖層（即表1中的②層），現場地質調查和鉆孔結果表明，該層分為強風化和中風化兩個亞層。碎石土層及砂巖、板巖層為光伏支架樁基礎的主要持力層。

光伏支架樁基礎在打樁時，碎石土層會使鋼樁較難打入，因此施工時會采用先引孔后入樁的策略。

由于擬建光伏電站場址覆蓋高原山地的坡地及山頂緩坡區域，地勢起伏。在地形較為平坦的區域，擬采用單立柱平單軸跟蹤式光伏支架（下文簡稱為“單立柱平單軸光伏支架”）；而在地形較為陡峭的區域則采用雙立柱固定式光伏支架，如圖3所示。

2" 現場試樁方案

2.1" 單根鋼樁的豎向抗拔靜載試驗

根據JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》[11]，單根鋼樁（下文簡稱為“單樁”）豎向抗拔靜載試驗采用慢速維持荷載法逐級加載和卸載，以測得在每級荷載作用下的上拔量。分級荷載設定為預估極限荷載的1/10，最大加載量應不少于設計單樁豎向抗拔承載力特征值的2倍，其中第1級荷載取分級荷載的2倍，樁身達到破壞狀態時停止加載，加載裝置結構示意圖及現場安裝圖如圖4所示。

本項目中，雙立柱固定式光伏支架的樁基礎采用型號為W6×6.2的H型鋼樁（尺寸為146 mm×95 mm×3.2 mm×4 mm）；單立柱平單軸光伏支架樁基礎采用型號為I20a的H型鋼樁（尺寸為200 mm×100 mm×7 mm×11.4 mm），樁基礎施工方式采用先引孔后回填原狀土至孔深的90%。根據地勘報告，不同區域土質覆蓋層厚度存在差異，因此本文選取場地中分布在不同區域的10根鋼樁作為試驗樁，10根試驗樁的樁深如表2所示，其中1～7號試驗樁的樁型均為W6×6.2，8～10號試驗樁的樁型均為I20a。

2.2" 單樁水平靜載試驗

單樁水平靜載試驗由機械裝置提供反力，荷載通過油壓千斤頂施加，荷載值由油壓表量測，試驗點的水平位移量分別通過安裝在距樁頂平面100、200、300、400 mm的百分表量測，采用慢速維持荷載法逐級加載和卸載。選用2根鋼樁作為試驗樁進行試驗，試驗裝置結構圖如圖5所示，試驗樁參數如表3所示。

3" 試驗結果分析

3.1" 單樁豎向抗拔承載力

單樁豎向抗拔靜載試驗結果如表4所示。

1～7號試驗樁對應雙立柱固定式光伏支架樁頂荷載-樁身位移（Q-S）曲線如圖6a所示；8～10號試驗樁對應單立柱平單軸光伏支架Q-S關系曲線如圖6b所示。從圖6可以看出，樁身在達到極限承載力之后均發生破壞。

將表4中的試驗結果與NB/T 10115—2018[12]《光伏支架結構設計規程》中單樁豎向承載力特征值設計值（考慮凍拔效應）進行對比后發現：除4、8、9、10號試驗樁外，其余試驗樁均滿足設計要求，位移最大值為6號試驗樁的3.47 mm，這表明當前所選樁型及樁深設置尚無法完全滿足項目全部區域的樁基礎抗拔承載力要求，樁基設計還需進一步改進。

由圖6a可以看出：各試驗樁的Q-S曲線基本呈緩變型，在施加到1級荷載（Q=3.84 kN）時，樁頂位移量較小且十分接近，顯現出一定的線彈性階段特性。在之后的加載中，隨著荷載的增加，曲線逐漸變陡且呈非線性特征，位移量增速變快，直至樁身最終破壞，破壞時各樁的樁頂位移均不超過3.50 mm。對比雙立柱固定式光伏支架的1～3號樁與5～7號樁可知，單樁極限抗拔承載力并未隨樁深的增加而呈現明顯的提升。

由圖6b可以看出：對單立柱平單軸光伏支架樁基礎而言，8～10號樁的Q-S曲線基本呈緩變型，隨著樁深的增加，樁的極限抗拔承載力呈先增加后趨向穩定的趨勢，相比8號樁，9、10號樁的極限抗拔承載力有較大提升，樁頂位移也不斷增加，最大位移量為10號樁3.22 mm。

3.2" 水平承載力

光伏支架樁基礎的水平靜載試驗結果如表5所示，試驗中荷載加至光伏支架設計計算水平承載力理論值后，開始逐級卸載，此時2根試驗樁均未達到破壞。

11、12號試驗樁的水平靜載試驗Q-S曲線如圖7所示。

由圖7可知：11、12號試驗樁的水平靜載Q-S曲線均為緩變型。其中，11號樁加至最大荷載（Q=7.34 kN）時，樁身受力點水平位移為2.82 mm，卸載至0 kN時，樁身殘余水平位移為0.90 mm；12號樁加至最大荷載時，樁身受力點水平位移為10.29 mm，卸載至0 kN時，樁身殘余水平位移為3.58 mm，回彈率為65.20%。盡管12號試驗樁比11號試驗樁的樁深長，但在加卸載過程中其樁身發生的整體水平位移均大于11號試驗樁，這一結果表明該試驗樁所在區域各層土體可能分布不均勻，這將影響樁的水平承載性能。

4" 基于“引孔+回填”的樁基礎優化設計

根據前文試驗結果可知，H型鋼樁的豎向抗拔及水平承載性能僅處于合格水平，為了進一步提升樁身的承載性能，本研究提出了采用“引孔+回填”施工工藝，即通過先引孔入樁、后回填砂石水泥混合骨料。

4.1" 試驗樁的試驗方案

單立柱平單軸光伏支架采用樁型為I20a的H型鋼樁作為試驗樁進行試驗，施工方式為“引孔+回填（引孔鉆頭型號為φ220）”，試驗樁分布于3個區域，區域編號分別為A、B、C，每個區域采用不同的試驗樁深度，分別采用原狀土回填深度為孔深90%、砂和水泥回填深度為孔深50%、砂和水泥回填深度為孔深90%（水泥摻量都為15％）3種回填方式進行試驗。試樁具體參數如表6所示。

4.2" 結果分析

優化設計后的單樁豎向抗拔靜載試驗具體試驗結果如表7所示，Q-S關系曲線如圖8所示。

結合表7和圖8可知，在施工工藝相同的條件下，各試樁的Q-S關系曲線均為緩變型，樁基抗拔承載力隨樁深的增加而增加。在加載的初始階段，樁頂位移隨荷載的增加逐漸增加，在加載至臨近極限承載力時，曲線逐漸變陡，樁頂位移加速增加直至樁身破壞，最大上拔量出現在6號試驗樁，為5.12 mm，且其極限抗拔承載力最高，為68.4 kN。

將表7中的試驗結果與根據規范計算得到的單樁豎向承載力特征設計值進行對比，得出以下結論：采用原狀土回填深度為孔深90%施工方案時，滿足設計值的樁占比為33.33 %；采用砂和水泥回填深度為孔深50%施工方案時，滿足設計值的樁占比為83.30%；采用砂和水泥回填深度為孔深90%施工方案時，各樁均滿足設計值。這表明：當回填原狀土時，樁基抗拔承載性能較弱，無法滿足場地風雪荷載、凍拔效應等條件；當回填砂和水泥時，樁基抗拔承載力得到顯著提升，隨著回填深度的增加，樁基承載力雖進一步提升但幅度不大。不同施工工藝下樁基承載力提升效果的對比圖如圖9所示。

由圖9可以看出：回填沙和水泥至孔深90%的施工工藝效果最優。

5" 結論

本文通過現場試樁試驗，研究了季節性凍土區光伏支架樁基礎的承載特性，針對樁基礎承載力不足的問題，提出了“引孔+回填”的施工工藝，驗證了其對樁身承載力的提升效果，得出以下結論：

1）單樁抗拔靜載試驗結果顯示，H型鋼樁基礎Q-S曲線整體呈緩變型，樁頂位移隨荷載由線彈性階段逐漸演變至加速破壞階段，這表明，該場地的所選樁型及樁深布置尚無法完全滿足項目全部區域的樁基礎抗拔承載力要求。

2）單樁水平靜載試驗結果表明，鋼樁基的水平荷載-水平位移曲線呈緩變型，且加載至水平承載力設計值時樁身未發生破壞，不同樁深對水平承載力的影響顯著。

3）“引孔+回填”施工工藝對樁基抗拔承載性能提升顯著。尤其是引孔后，回填砂和水泥至孔深90%的施工工藝對樁基礎極限抗拔承載力提升效果最優。

綜上所述，本研究不僅揭示了季節性凍土區光伏支架樁基礎的承載特性，而且通過優化施工工藝，有效提升了樁基的承載力，為類似工程提供了寶貴的經驗和參考。

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EXPERIMENTAL STUDY ON BEARING CHARACTERISTICS OF

PV BRACKET STEEL PILE FOUNDATION IN

SEASONAL FROZEN REGIONS

Yang Zhiwei1，Li Ru2，Chen Yongda3

（1. Yalong River Hydropower Development Company Limited，Chengdu，610051 China；

2. Huadong Engineering Corporation Limited，Power China，Hangzhou，311122 China；

3. Zijin school of Geoloy and Mining，Fuzhou University，Fuzhou，350116，China）

Abstract：During the construction of PV power generation industry in seasonally frozen soil region，the bearing capacity of the pile foundation of PV bracket is often severely weakened by the freezing and thawing effect of frozen soil. This paper relies on a proposed PV power station in seasonal frozen soil area，based on the on-site test pile test，the bearing and deformation characteristics of different pile depths of selected pile types are systematically studied by analyzing the test results of one steel pile vertical uplift static load test and water calming load，and judging whether it meets the design standards. Furthermore，based on the construction process of pilot hole and backfill，the effect of its enhancement of uplift bearing capacity of the steel pile foundation is investigated. The test results show that the construction process of backfilling sand and cement to 90% of the hole depth after hole introduction has the best effect on improving the ultimate pullout capacity of the PV bracket pile foundation. The research results can provide reference and reference for the pile foundation project of similar PV bracket.

Keywords：seasonal frozen soil；PV bracket；steel pile foundation；bearing capacity；field test