应用于强冻胀土的光伏支架基础方案分析

于满满，杜佼蕾

(龙源(北京)太阳能技术有限公司，北京 100034)

0 引言

如今可利用的优质土地的面积日益减少，随着光伏发电总装机容量地不断扩大，光伏电站用地问题已成为光伏产业发展中首当其冲需要解决的问题，光伏电站建设者不得不开发利用地形复杂的土地。

由于地基土冻胀会引起与冻土接触的光伏支架基础发生不同部位的变形或变位，进而影响基础上部支架结构发生拉伸变形，会造成光伏组件隐裂等，而这种破坏作用是不可逆的，一旦出现，所产生的破坏速度会越来越快，将严重影响光伏电站的安全及正常运行。因此，如何消除光伏支架基础周围土体冻胀力，从而控制光伏支架的变形成为光伏支架基础方案新的设计方向[1]。本文以光伏电站拟建场址为强冻胀性的地基土为研究对象，根据相关规范和标准，分别对此种强冻胀土采用不同的光伏支架基础方案时光伏支架基础的承载力和稳定性进行了计算和分析，并选出最适合的光伏支架基础方案。

1 光伏电站的场址条件

1.1 场址概述

本光伏电站的场址选择了黑龙江省鹤岗市东部地区，拟建场址的地势为：北部及西北部的地势较高，主要为低山丘陵区，山地较多；东南部的地势较平坦，平均海拔为90 m，但沼泽较多。整个光伏电站场址的地形由西北部向东南部划分依次为山地、岗地、平原、洼地，且地形整体起伏较大。

1.2 岩土工程分析与评价

1)该光伏电站拟建场址的地基土冻胀性分区域综合评价为：地基土冻胀性为强冻胀，冻胀等级为Ⅳ级；标准冻结深度为2.20 m。

2)地基土为中软场地土，场地判定为不液化。

3)拟建场址的地下水、土对混凝土结构及钢筋砼中的钢筋的腐蚀性判定为存在微腐蚀性。

1.3 拟建场址地基土的承载力及岩土参数

根据《岩土工程勘察报告》，本光伏电站拟建场址地基土的桩基设计参数如表1所示，拟建场址地基土的承载力如表2所示。表中：qsik为桩的极限侧阻力标准值，kPa；qpk为桩的极限端阻力标准值，kPa；fak′为地基土的承载力特征值，kPa；fak为地基土的承载力特征值综合确定值，kPa；Es为地基土的压缩模量，MPa。

表1 拟建场址地基土的桩基设计参数表Table 1 List of pile foundation design parameters of foundation soil of proposed site

表2 拟建场址地基土的承载力综合确定表Table 2 Comprehensive determination list of bearing capacity of foundation soil of proposed site

2 光伏支架基础方案的设计与光伏支架基础受力计算

在季节性冻土区，光伏支架基础会因受周围土体冻胀而产生的切向冻胀力的影响而上拔，从而使其上部的光伏支架结构产生不均匀变形，导致光伏支架结构失稳，可能会使光伏组件产生隐裂，甚至造成光伏组件脱落[2]。

根据本光伏电站拟建场址的地基土情况进行光伏支架基础方案的选择及光伏支架基础受力计算。

2.1 钢筋混凝土条形基础

根据GB 51101—2016《太阳能发电站支架基础技术规范》，光伏支架结构的地基变形允许值为0.005 L。拟建场址的地层结构及岩性土层的水平方向分布差异较大，主要持力层的层面坡度大于10%，属于不均匀地基；第②层粉质粘土呈可塑状态，承载能力一般，因此整个光伏电站拟建场址的地质条件一般。

若光伏支架基础采用钢筋混凝土条形基础，该方案存在以下缺点：

1)光伏支架基础的持力层位于素填土、粉质粘土、花岗岩等不同的土层，基础及上部支架的变形很难控制。

2)光伏支架基础的底部需位于冻结深度(即地面以下2.2 m)以下，否则会存在冻胀问题；基础侧面需采用中砂、粗砂或炉渣等进行回填，回填施工较麻烦，且工期长、造价高。

3)由于本光伏电站拟建场址的气温较低，在低温条件下混凝土的浇筑及养护质量难以保证；并且浇筑施工较为麻烦，同时存在工期长、造价高的问题。

基于上述分析，本光伏电站项目的光伏支架基础不建议采用钢筋混凝土条形基础，而是考虑采用预应力高强混凝土管桩和钻孔灌注桩2种光伏支架基础，下文对这2种方案进行分析，涉及的计算公式适用于所有桩类基础的计算。

2.2 预应力高强混凝土管桩基础

预应力高强混凝土管桩基础方案考虑选用直径d为300 mm的AB型预应力高强混凝土管桩。以地质勘查工作中某一剖面打孔为例，对此种预应力高强混凝土管桩进行受力计算，管桩在地面以上的长度取2.0～4.0 m。

单桩极限抗拔承载力标准值Tuk的计算式为：

式中：μd为桩身周长，m；λi为桩穿透的第i层土层的抗拔系数；li为桩穿透的第i层土层的厚度，m。

根据式(1)计算得到的预应力高强混凝土管桩的Tuk值如表3所示。

单桩冻拔力Tf的计算式为：

式中：ηf为冻结深度影响系数；qf为光伏支架基础周围土体冻胀产生的切向冻胀力，kPa；z0为标准冻结深度，m。

根据式(2)计算得到的预应力高强混凝土管桩的Tf值如表4所示。

表4 预应力高强混凝土管桩的Tf值计算结果Table 4 Tf value calculation result of prestressed high strength concrete pipe pile

若单桩上部的光伏支架与光伏组件的自重NG取1.97 kN，单桩的自重Gp取13.2 kN，则光伏支架基础方案采用预应力高强混凝土管桩(入土桩长为8 m)时，单桩抗冻拔力为：Tuk/2+NG+Gp=324.1÷2+1.97+13.2=177.22 kN，该值大于单桩冻拔力Tf的165.80 kN，可满足要求。

根据上述计算结果，若不采取处理措施，预应力高强混凝土管桩的入土桩长需达到8.0 m才能抵抗由于光伏支架基础周围土体冻胀引起的冻拔力，从而保证光伏支架及基础的稳定。但如果桩体入土长度要达到8.0 m，预应力高强混凝土管桩很难进入花岗岩层，施工难度大，桩基的成本高昂[3-4]。综上所述，本光伏电站项目的光伏支架基础方案不建议采用预应力高强混凝土管桩。

2.3 “预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”方案

根据JGJ 118—2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》，可通过在光伏支架基础侧回填厚度不小于200 mm的非冻胀性中砂和粗砂来抵消支架基础周围因土体冻胀产生的切向冻胀力作用，此处理方法称为冻土层换填法。采用此处理方法时，需先引孔至非冻土层，引孔深度不小于2.2 m、引孔直径为500 mm；然后再在孔内打桩；最后回填非冻胀性的中砂和粗砂[5]。若采用“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法”方案，则桩身竖向承载力完全能够满足要求，这是因为对于桩身及光伏支架的稳定性起控制性作用的是桩基水平位移10 mm后地面处所对应的荷载。

2.3.1 单桩水平承载力特征值的计算

预应力高强混凝土管桩的单桩基本参数资料如表5所示。

表5 预应力高强混凝土管桩的单桩基本参数资料Table 5 Basic parameters of single pile of prestressed high strength concrete pipe pile

单桩水平承载力特征值Rha的计算式为：

式中：α为桩的水平变形系数；EI为钢筋混凝土桩身的抗弯刚度；νx为桩顶水平位移系数。

其中，EI的计算式为：

式中：Io为根据桩身换算得到的截面惯性距，m4。

Io的计算式为：

式中：I1为桩空心部分的截面惯性距，m4；I2为根据桩身全截面换算得到的截面惯性距，m4。

I1的计算式为：

I2的计算式为：

式中：αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；do为扣除保护层后的桩身直径，mm；ρg为桩身配筋率。

αE的计算式为：

do的计算式为：

ρg的计算式为：

式中：Ac为桩身面积，mm。

Ac可表示为：

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》中第5.7.5条款，α的计算式为：

式中：bo为桩身的计算宽度，m。

对于圆形桩而言，当d≤1 m时，bo的计算式为：

桩的换算埋深hc的计算式为：

根据查阅JGJ 118—2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》中第5.7.2条款，可得到桩顶水平位移系数νx为5.25。

根据上述公式，可计算得到预应力高强混凝土管桩的Rha值，计算结果如表6所示。

表6 预应力高强混凝土管桩的Rha值计算结果Table 6 Rha value calculation result of prestressed high strength concrete pipe pile

根据表6的计算结果可知，光伏支架基础方案采用“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法”方案时，桩体进入标准冻结深度以下2.0 m(即桩体入土深度为4.2 m)时，预应力高强混凝土管桩的Rha＞4.8 kN(桩顶处水平力标准值)，这说明桩身水平承载力可满足要求。

2.3.2 桩身受弯承载力的验算过程

按桩体高出地面部分长度为4.0 m进行计算，即用于计算桩身受弯承载力的桩体悬挑长度为2.2+4.0=6.2 m，桩顶处水平力标准值取值为4.8 kN。则桩身弯矩最大处的弯矩值为4.8×6.2+5=34.76 kN·m，该值小于40 kN·m(桩身受弯承载力设计值)，这说明桩身的受弯承载力可满足要求。

采用“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法”方案时光伏支架的结构如图1所示。

图1 采用“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法” 方案时光伏支架的结构图Fig. 1 Structural drawing of PV support in scheme of “prestressed high strength concrete pipe pile foundation + permafrost replacement method”

2.3.3 单桩竖向抗压承载力的验算过程

单桩竖向抗压承载力Quk的计算式为：

式中：Qpk为总极限端阻力标准值，kPa；Qsk为总极限侧阻力标准值，kPa；Ap为桩端横截面积，m2。

当d=300 mm、μd=0.942 m、Ap=0.071 m2时，桩体进入标准冻结深度以下2.0 m(即桩体入土深度为4.2 m)时，Quk=0.942×1.3×55+0.942×0.4×10 0+4000×0.071=389.03 kN。

单桩竖向承载力特征值Ra的计算式为：

代入相关数据进行计算，可以得到Ra= 194.52 kN，该值大于桩顶竖向压力标准值(即13.9+12.5=26.4 kN)，则桩基竖向抗压承载力可满足要求。相比于仅采用预应力高强混凝土管桩基础的方案，采用“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法”方案时桩长变短，可大幅节约工程造价，且光伏支架更安全可靠。

对于冻土层换填法，可通过在桩基础周围相应位置涂刷隔离剂的方案来替代。涂刷隔离剂的方案即是在光伏支架基础周围沿地面以下2.2 m的部位涂抹沥青、渣油等油脂涂料，对光伏支架基础周围土层与桩体间起到润滑作用，从而消除光伏支架基础周围受到的切向冻胀力[6-7]。涂刷隔离剂方案的施工方便，造价低，但应用案例较少，因此在应用前应先进行试验。

2.4 钻孔灌注桩基础及“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法”方案

钻孔灌注桩基础方案及“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法”方案考虑选用直径为400 mm的钻孔灌注桩，以地质勘查工作中某一剖面打孔为例，桩身高出地面的长度为0.8 m。钻孔灌注桩的Tuk及其计算参数如表7所示。

表7 钻孔灌注桩的Tuk值计算结果Table 7 Tuk value calculation result of bored pile

结合表7和式(2)可计算得到钻孔灌注桩的Tf值为221.06 kN。

钻孔灌注桩单桩上部的光伏支架及光伏组件的自重NG取1.97 kN，单桩自重Gp取31.4 kN。则采用钻孔灌注桩方案时，单桩抗冻拔力为：Tuk/2+NG+Gp=381.84÷2+1.97+31.4=224.29 kN，该值大于单桩冻拔力的221.06 kN，可满足要求。

根据上述计算结果，若不采取处理措施，钻孔灌注桩的入土桩长需达到8.0 m才能抵抗由于光伏支架基础周围土体冻胀引起的冻拔力，从而才能保证光伏支架及基础的稳定[8-9]。

但由于单独采用钻孔灌注桩的方案造价较高，可考虑采用“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法”方案。采用此方案时，在光伏支架基础侧沿地面以下2.2 m的范围内回填厚度不小于100 mm的非冻胀性的中砂和粗砂，入土桩长取4.5 m。“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法”方案的计算分析与“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法”相同[10]，得到的计算结果均可满足要求。其中的冻土层换填法也可采用涂刷隔离剂的方法来代替。但需要说明的是，钻孔灌注桩基础在冬季施工相对较困难。

采用“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法”方案时光伏支架的结构图如图2所示。

图2 采用“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法”方案时 光伏支架的结构图Fig. 2 Structural drawing of PV support in scheme of “bored pile foundation + permafrost replacement method”

3 工程经济性比较

对预应力高强混凝土管桩基础、钻孔灌注桩基础、“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”、“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”这几种光伏支架基础方案的工程经济性进行比较，结果如下：

1)采用“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”方案比单独采用预应力高强混凝土管桩基础方案的造价低。

2)采用“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”方案比单独采用钻孔灌注桩基础方案的造价低。

3)采用“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”方案与采用“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”方案的造价基本一致。

综合考虑安全性、造价高低、施工难易、工期长短等因素，本光伏电站项目的光伏支架基础方案最终选择采用“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”方案和“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”方案。

4 结论

本文以光伏电站拟建场址的冻胀性评价为强冻胀、冻胀等级为Ⅳ级、标准冻结深度为2.20 m的强冻胀地基土为研究对象，分别计算和分析了在这种地基土情况下采用不同光伏支架基础方案时光伏支架基础的承载力和稳定性。综合考虑安全性、造价高低、施工难易、工期长短等因素后，决定采用“预应力高强混凝土管桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”方案和“钻孔灌注桩基础+冻土层换填法(或涂刷隔离剂)”方案。但由于本工程地质条件极其复杂，面积过大，不同区域地基土的冻胀类别也不相同，因此应根据实际情况选择上述2种基础方案之一，并采取合适的桩径和桩长。