光伏灌注桩基础核算

浙江正泰新能源开发有限公司■林建宝沈道军罗易

光伏灌注桩基础核算

浙江正泰新能源开发有限公司■林建宝*沈道军罗易

山地光伏电站的质量主要取决于基础与支架的牢固性与稳定性，本文以具体项目为例，详细介绍了微孔灌注桩基础的计算。

山地光伏基础的设计；微孔灌注桩；光伏支架基础设计

0　引言

随着人类环保意识的提高，国家大力贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念。对于光伏来说，绿色是光伏企业的新动力和新的增长点。然而，随着近年光伏的大力发展，好的土地利用越来越少，山地光伏成为未来光伏方向的突破口。山地光伏其质量好坏主要取决于基础与支架的牢固性和稳定性，根据山地的土壤层状况不同，基础桩基主要形式有微孔灌注桩基础、钢管灌注桩基础。本文通过实例详细介绍微孔灌注桩基础的计算。

1　项目概况

1.1项目背景

本项目位于河北省张家口市某区山地，山地海拔高差200 m。山地光伏场地大部分区域属于基岩区表面，有很多碎石和杂草，杂草高度不超过400 mm，碎石深度在0.3～1 m，强风化层约3 m，基岩层有很高的强度与抗变形能力。根据地勘报告建议，比较适合混凝土的微孔灌注桩。

1.2项目技术参数

光伏支架形式采用单立柱形式，组件采用1652 mm×994 mm×40 mm，单块组件重量为0.12 kN/m2。该区的基本风压为W=0.55 kN/m2，活载为0.3kN/m2，体型系数为μs=1.3，高度变化修正系数为η=1.5。根据地形勘察报告，基岩第一层碎石侧阻力标准值为100 kPa，地基承载力特征值为180 kPa；基岩第二层砂岩砾岩侧阻力标准值为130 kPa，地基承载力特征值为400 kPa；该地区冻土层为1.4 m。桩基直径暂定200 mm，埋深1.4 m，桩基以上部分为0.4 m，采用C30混凝土浇筑。

2　桩基计算

按照桩基技术规范，桩基础的可行性必须满足抗拔承载力要求、水平承载力及位移要求、桩基竖向承载力要求。

2.1支架风荷载计算

根据《建筑结构荷载规范》，主要受力结构计算式为［1］：

风荷载标准值：

式中，μz为高度变化系数。

WK组件恒载=0.12 kN/m2

WK支架恒载=0.05 kN/m2

支架上拔力主要是承受风荷载作用，光伏组件总长为3.324 m，支架跨度为3.1 m，则根据《光伏发电站设计规范》［2］可得：

图1　基础截面图(单位：mm)

图2　单阵列排布图(单位：mm)

2.2抗拔桩基承载力验算

根据桩基相关规范，承受拔力的桩基应满足下列公式要求：

式中，NK1为荷载效应标准组合计算的基桩上拔力；GP为基桩自重；Tuk为群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值。

式中，qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值(第1层为100 kPa，第2层为130 kPa)；ui为桩身周长；Li为桩身长度；λi为抗拔系数。

桩直径d=0.20 m；桩身进入地面1.4 m，其中，第1层为碎石层，L1=1.0 m，第2层为基岩层，L2=0.4 m。桩身混凝土采用C30［3］。

表1　抗拔系数λi

由式(2)知，NK1=7.5 kN，＆lt;25.273 kN，满足式(5)的需求，则φ200的灌注桩埋深1.4 m时，抗拔力满足设计要求。

2.3桩基水平承载力与位移计算

根据桩基设计规范，受水平荷载较小的单桩基础和群桩中基础应满足式(7)要求：

式中，Hik为在荷载效应标准组合下，作用于基桩i桩顶处的水平力；Rh为单桩基础或群桩中基础的水平承载力特征值。

依据《建筑桩基技术规范》［4］，当桩的水平承载力由水平位移控制且缺少单桩水平静载试验时，应满足下列计算：

其中，Rha为单桩水平承载力特征值；α为桩的水平位移系数；xoa为桩顶允许水平位移(水平位移为0.01 m)；Vx为桩顶水平位移系数；EI为桩身抗弯刚度，可由式(9)得出。

其中，EC为混凝土弹性模量，为3.0×104N/mm2；Io为φ200灌注桩的截面惯性矩，可由式(10)得出。

式中，do为扣除保护层厚度的桩直径；Wo为截面模量，可用式(11)得出：

式中，ρ为桩身配筋率(桩身配筋率需≥0.65％)；αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值，E钢筋=2×105N/mm2，则：

如图3所示，混凝土直径为200 mm；纵筋为直径16 mm，共4根；箍筋直径为8 mm，间距为100 mm。

图3　灌注桩截面图

满足设计要求。

所以，根据式(11)得：

根据式(10)计算出φ200灌注桩的惯性矩：

根据式(9)计算桩身抗弯刚度：

Vx桩顶水平位移系数主要受桩的水平位移系数影响：

式中，m为桩侧土水平抗力系数的比例系数，根据规范《建筑桩基技术规范》表5.7.5地基土水平抗力系数的比例系数［4］，m取29.5；b0为桩身的计算宽度，m，当圆形桩直径d≤1 m时，

根据规范《建筑桩基技术规范》中表5.7.2［4］，桩顶最大弯矩系数Vm和桩顶水平位移系数Vx如表2所示。

表2　桩顶最大弯矩系数Vm和桩顶水平位移系数Vx

αh=1.71×1.4=2.4，根据线性插值法计算得到Vx=3.525。根据公式(8)：

根据式(3)，支架的水平荷载为6.8 kN，远小于单个桩基的水平承载力。φ200 mm灌注桩水平力满足设计要求。

2.4桩基竖向承载力计算

根据轴心荷载效应标注组合作用下NK2≤Ra：

其中，Ra为单桩竖向承载力特征值；Quk为单桩竖向极限承载力；K为安全系数，取2。

式中，qpk为桩侧极限端阻力标准值(第1层为180 kPa，第2层400 kPa)；li为土壤层深度(第1层为1 m，第2层为0.4 m)；ui为桩身周长，

ui=0.2×3.14=0.628 m；Ap为桩端面积，Ap= 3.14×0.12=0.0314 m2；ψsi、ψp分别为桩侧阻力、端阻力，其尺寸效应系数如表3所示。

表3　桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数

由于我们土壤层均为碎石与基岩强化风化石，则：

桩基竖向承载力满足设计要求。

3　结论

通过以上计算，φ200 mm灌注桩既能满足抗拔要求，也能满足水平承载力要求及竖向承载力要求，且余量充足，按道理可以优化截面；但是考虑到山区的海拔高差相差200 m，局部处在风口的瞬时风压远远大于设计风压，且考虑到山体的施工难度，现场的施工质量无法满足设计要求。所以，从安全角度考虑，最终还是选择φ200 mm的灌注桩满足该项目地的设计要求。

[1]GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S].

[2]GB 50797-2012，光伏发电站设计规范[S].

[3]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[4]JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].

2016-03-23

林建宝(1984—)，男，本科、中级工程师，主要从事光伏系统支架设计方面的研究。jianbao.lin@astronergy.com