沙丘地貌下光伏基礎PHC管樁設計與應用研究

摘 要：為確定沙丘地貌下適宜的光伏基礎形式，本文根據實際情況，對常用的3種光伏樁基礎形式進行綜合考慮，最終將PHC管樁作為光伏的基礎形式。為分析樁身水平承載力影響因素與設計參數，對影響管樁水平承載力的管樁入土深度和自由端長度進行試驗模擬，通過試驗得到各因素對管樁水平承載力的影響曲線，并確定寧夏中衛項目的施工參數。本文針對PHC管樁在施工中的控制要點進行分析，不僅保證了光伏樁基的施工質量，還為同類沙丘地貌下的光伏樁基施工提供了參考。

關鍵詞：沙丘地貌；光伏發電；PHC管樁

中圖分類號：TU 47 " 文獻標志碼：A

在全球能源轉型的大背景下，光伏發電技術因其清潔、可再生的特性而備受矚目。隨著光伏電站的大規模建設和發展，在各種復雜地形地貌下的基礎建設問題逐漸凸顯，尤其是在沙丘地貌地質條件下，沙丘地貌的土壤特性（例如松散性、流動性以及低承載能力）會給光伏電站的基礎施工帶來較大的挑戰，因此找到一種既經濟又高效的基礎解決方案，成為目前施工面臨的首要難題。

PHC管樁因其卓越的承載性能和施工便捷性，逐漸成為沙丘地貌下光伏基礎建設的優選方案[1]。在實際施工中，保障PHC管樁的有效承載力和施工質量是目前面臨的重要難題。本文通過比選確定沙丘地貌下光伏的基礎形式，并通過模擬確定合適的施工方案以及研究施工細節，保證光伏基礎PHC管樁的施工質量。

1 工程概況

本項目位于寧夏回族自治區中衛市騰格里沙漠東南部，地貌現狀以沙丘為主，地形起伏較大。設計樁基礎79500根，設置光伏組件413400塊，全部采用單晶硅575Wp組件。由于沙丘地貌具有特殊性，因此在保證施工質量的前提下，選擇一種既經濟又高效的基礎解決方案是基礎施工的重點。

2 光伏基礎選型

2.1 常用的光伏樁基礎形式

目前光伏樁基礎常用的類型主要包括螺旋鋼樁、混凝土灌注樁和預應力混凝土管樁3種[2]，各自的成樁工藝與優缺點分析如下。

2.1.1 螺旋鋼樁

螺旋鋼樁是通過旋轉的方式將鋼樁旋入土壤中的樁基礎類型。它特別適用于土質較為松軟或中等硬度的場地。這種樁基礎的優點顯著，安裝速度快且施工效率高，對土壤的擾動小，具有較好的環保性。更重要的是，螺旋鋼樁可回收再利用，符合綠色發展的理念。但是螺旋鋼樁不適合堅硬或巖石地質條件下的樁基施工，且其對生產廠商的要求較高，在某些地區會面臨實施困難的問題。

2.1.2 混凝土灌注樁

混凝土灌注樁的成樁工藝是在地面鉆孔后，將混凝土灌入孔中形成樁身。在地質條件復雜的情況下，可能需要在灌注過程中加入鋼筋籠提高樁身的承載力。這種樁基礎適用于各種地質條件，尤其是土質堅硬或巖石層較淺的地區。混凝土灌注樁的主要優點是承載力高、穩定性好，并且使用壽命長。但施工周期相對較長，同時施工過程中可能會對環境產生一定影響，例如噪聲和泥漿污染，而且成本相對較高。

2.1.3 預應力混凝土（PHC）管樁

預應力混凝土管樁（以下簡稱PHC管樁）是采用先張法預應力工藝和離心成型法制成的一種空心筒體細長混凝土預制構件。它作為建筑物或構筑物的基礎，通過錘擊或靜壓方式沉入地下。PHC管樁在多種地質條件下都適用，特別是在軟土地區具有較好的應用效果。這種樁基礎的優點是具有較高的承載力和抗裂性，施工速度快且效率高，質量穩定可靠。不過，它在堅硬地質條件下的施工難度較大，同時在運輸和安裝過程中需要小心處理，避免樁身損壞。

2.2 確定樁基礎形式

龍源中衛光伏項目的樁基礎的基礎選型需要綜合適用范圍、施工成本、施工效率、技術成熟度、節能環保5方面，其綜合評價結果見表1。

沙丘地貌通常具有沙層松散、承載能力低的特點，因此對樁基礎的穩定性和承載力要求較高。由表1可知，適合沙丘地貌條件下施工的是螺旋鋼樁和PHC管樁，但施工隊伍對螺旋鋼樁技術的掌握程度較低，且受限于施工場地附近無合適的生產廠商，因此選用PHC管樁作為光伏的基礎形式比較合適。

2.3 樁身水平承載力影響因素分析與參數設計

樁身水平承載力是影響光伏基礎穩定性和安全性的重要因素。在沙丘地貌下，樁身水平承載力的影響因素主要包括樁的截面剛度、材料強度、樁側土質條件、樁的入土深度以及樁頂端自由段長度等[3]，對現場施工來說，控制某些因素意義不大，因此本文用數值模擬的方法針對樁的入土深度以及樁頂端自由段長度兩個因素進行樁身水平承載力變化分析，以此指導現場施工。

2.4 建立模擬分析模型

本文用ABAQUS軟件對PHC管樁進行有限元模擬。在建模前，為保證結果的有效性與計算的快捷性，做出4種計算假定：土體均勻且各向同性；PHC管樁的混凝土與鋼筋能保持變形協調；不考慮施工過程中損失的預應力；不考慮其他約束構件對樁承載力的影響。

參考設計圖紙，PHC管樁外直徑為0.3m，樁長為5m，入土深度為2.5m，樁頂端自由段長度為2.5m，混凝土等級為C80。樁周土體模型長寬取20倍PHC管樁直徑，土體深度為5m。網格均勻劃分，單元網格總數為12020個。其中，選用Mohr-Coulomb彈塑性模型作為土體本構模型[4]，其中樁底端為固定約束，樁頂段為自由狀態。有限元模型如圖1所示。在模擬中，將水平荷載施加在樁頂中心點處，該點與樁頂的表層耦合連接，通過點與面間的耦合作用，將水平荷載均勻分布在PHC管樁表層。

2.5 試驗方案

為驗證不同樁的入土深度以及樁頂端自由段長度對樁身水平承載力的影響，對其進行試驗。采用控制變量法，基于上述試驗模型的各參數取值，僅改變單一變量，結合施工經驗確定以下試驗方案。1）樁頂端自由段長度為2.5m不變，入土深度變化。共設置4組，每組入土深度遞增1m，取值為1.5m～4.5m，水平荷載加載為0kN～14kN。2）樁入土深度為2.5m不變，樁頂端自由段長度變化。共設置4組，每組長度遞增1m，取值為0.5m～3.5m，水平荷載加載為0kN～20kN。

2.6 試驗分析

在樁頂端自由段長度取值不變的情況下，不同入土深度（L）對樁身水平承載力的影響曲線如圖2所示。

由圖2（a）可知，當PHC管樁入土深度為1.5m時，其水平位移大于其他工況下的入土深度的位移，說明該入土深度下的單樁水平承載力最小。對比不同入土深度在同一水平荷載下的水平位移可知，PHC管樁樁頂的水平位移隨著入土深度增加而減少，但入土深度大于2.5m后，其水平位移減少并不明顯，即入土深度大于2.5m后，PHC管樁的表現形式為剛性樁，由圖2（b）可知，在相同水平荷載下，入土深度為1.5m時，管樁沿樁身長度方向的水平位移增長速率不變。而入土深度大于2.5m后，水平位移沿樁頂到樁端方向的增長速率變緩，樁端的水平位移接近零，是理想狀態。因此可以看出，PHC管樁入土深度越深，單樁水平承載力越大，但入土深度大于2.5m后，單樁水平承載力增長明顯變緩，此時入土深度對單樁水平承載力的影響明顯變弱，因此建議PHC管樁入土深度值不小于2.5m。

在樁入土深度取值不變的情況下，不同自由段長度（N）對樁身水平承載力的影響曲線如圖3所示。

由圖3（a）可知，PHC管樁自由段長度對樁身水平承載力的影響明顯，樁頂水平位移隨著PHC管樁自由段長度增加而減少，即樁身水平承載力隨著PHC管樁自由段長度增加而減少，由圖3（b）可以更直觀看出在同水平荷載下，樁頂的水平位置差值變化較大，自由段長度為0.5m時的位移差與自由段長度為3.5m時的樁頂水平位移差值達到51mm，當自由段長度大于2.5m時，水平位移變化明顯，即自由段長度越大，樁頂水平位移增長趨勢越快，樁身水平承載力越低。因此，樁身水平承載力隨著PHC管樁自由段長度增加而減少，當自由段長度大于2.5m時，樁身水平承載力變化明顯，因此建議PHC管樁自由段長度不高于2.5m。

2.7 參數取值

結合試驗模擬得到的結論與設計要求，將本項目PHC管樁的入土深度設計為2.5m，自由段長度為1.5m。

3 PHC管樁施工控制要點

3.1 測量放線與樁位定位

當測量放線時，應設置控制樁與水準點，并保證其位置不受打樁影響，通常是距離操作地點40m以外。為使樁位放樣準確，須使用經緯儀等精密儀器進行復核，保證樁位的偏差在20mm以內[5]。

3.2 豎樁與插樁

在豎樁和插樁過程中，應使用直角坐標法對樁位進行二次復核，保證樁尖的中心點與樁位的偏差不超過20mm。同時，要檢查樁身的垂直度，其精度誤差應小于樁長的1%。

3.3 打樁或壓樁

在打樁或壓樁過程中，應根據設計要求嚴格控制錘擊力或壓樁力[6]。例如，當使用錘擊法時，應選擇合適的錘重和落距，避免過大的沖擊力對樁身造成損害；當使用靜壓法時，應控制壓樁速度和壓力，保證樁身平穩下沉。此外，還須對樁身的垂直度進行持續監測和調整。

4 結論

本文對沙丘地貌下光伏基礎PHC管樁設計與應用進行研究，由研究結果可得出以下結論。1）螺旋鋼樁和PHC管樁適合沙丘地貌條件下的施工，但結合現場實際情況，選用PHC管樁作為光伏的基礎形式是較為合適的。2）PHC管樁入土深度越深，單樁水平承載力越大，但當入土深度大于2.5m時，單樁水平承載力增長明顯變緩，此時入土深度對單樁水平承載力的影響明顯變弱，因此建議PHC管樁入土深度值不低于2.5m。3）樁身水平承載力隨著PHC管樁自由段長度增加而減少，當自由段長度大于2.5m時，樁身水平承載力變化明顯，因此建議PHC管樁自由段長度不高于2.5m。

參考文獻

[1]金愛云，孟令坤，白瑪南木加，等.西藏自治區超高海拔牧區光伏支架樁基礎的施工質量控制研究[J].太陽能，2024（2）：17-28.

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[4]王岷.山地光伏支架基礎施工異常情況處理[J].水利水電快報，2022，43（增刊2）：55-58.

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[6]趙升峰，黃廣龍，章新，等.南京砂性土地區預制管樁抗拔承載特性試驗研究[J].河南理工大學學報（自然科學版），2017，36（3）：145-150.