严寒地区季节性冻土影响下光伏支架PHC桩基础设计的研究

唐 湘，樊尊龙

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

0 引言

光伏支架及其基础是整个光伏发电系统的支撑结构，需适用于各种复杂的气候条件和地质条件，并需要在这些条件下满足安全、耐久使用要需求。采用预应力高强混凝土(PHC)管桩作为光伏支架基础(下文简称为“PHC桩基础”)是应用最为广泛的光伏支架基础形式，但其在严寒地区季节性冻土影响下往往会因为冻胀作用而出现桩基础冻拔的现象，从而损坏其上部的光伏支架和光伏组件。基于此，本文以建设于严寒地区季节性冻土上的某实际光伏发电项目为依托，通过对季节性冻土条件下光伏支架PHC桩基础的抗冻拔稳定性进行分析，给出了此类桩基础相关的设计建议，以及其可采取的防冻拔措施，以抵抗因冻土层产生的切向冻胀力。

1 某实际光伏发电项目概况

本文的分析是基于黑龙江省齐齐哈尔市泰来县某20 MWp光伏发电项目，该项目所在地位于严寒地区季节性冻土区，地貌单元为松嫩平原的中部低平原。为了在此地区更好地设计光伏支架基础，下文对该光伏发电项目所在地的地层结构、地下水条件、标准冻结深度、地基土的冻胀性、基本风压及基本雪压进行分析。

1.1 地层结构

场址内，地基土自上而下的土层类型及其主要特征如表1所示。

表1 地基土的土层类型及其主要特征Table 1 Types of soil layers and main characteristics of foundation soil

1.2 地下水条件

场址内的地下水主要赋存于砂土层中，常年最高地下水位可达地表。

1.3 标准冻结深度

根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中附录F的内容“拟建场地季节性冻土标准冻结深度为2.00～2.20 m”，本文按2.20 m考虑。

1.4 地基土的冻胀性

项目所在地的冬季寒冷，最低气温可达-36.9 ℃，地质条件属于季节性冻土区，土壤的含水率较高。根据GB 50324—2014《冻土工程地质勘察规范》中表C.0.3-9及表C.0.3-10，可以确

1.5 基本风压及基本雪压

光伏支架设计采用25年一遇的基本风压和基本雪压，光伏支架基础设计采用50年一遇的基本风压和基本雪压。不同重现期时风荷载及雪荷载的标准值如表3所示。

表3 不同重现期时风荷载及雪荷载的标准值Table 3 Standard values of wind load and snow load in different return periods

2 光伏支架及其基础的设计方案

常用的光伏支架形式有固定式光伏支架、可调式光伏支架、跟踪式光伏支架等，由于本光伏发电项目所在地的纬度较高，因此选用固定式光伏支架较为合适。同时，由于本项目所在地的地势低洼，排水不畅，容易形成内涝积水，因此考虑采用30年一遇设计防水位的标准，光伏支架基础推荐采用PHC桩基础。

本光伏发电项目中采用的光伏组件的尺寸为1968 mm×990 mm×40 mm，采用“2排8列”的竖向排布方式布置于固定式光伏支架上，光伏组件的安装倾角为33°，光伏组件的最低点离地高度为1.3 m。桩基光伏支架基础采用PHC300(AB)型管桩，桩总长为6 m，桩顶露出地面的长度为1.6 m，入土深度为4.4 m；桩基采用3根PHC桩基础的布置方案，每2根PHC桩基础之间的间距为3.4 m。光伏支架及其基础的平面布置图和侧视图如图1所示。

图1 光伏支架及其基础的平面布置图和侧视图(单位：mm)Fig. 1 Floor plan and side view of PV bracket and its foundation

3 PHC桩基础的抗冻拔设计

根据PHC桩基础在土层中的受力情况不同，其可分为端承桩和摩擦型桩。由于本文考虑的是季节性冻土区，因此可采用摩擦型PHC桩基础，并以土层④粉质粘土或⑤粉砂作为桩端持力层。PHC桩基础受到的不同土层的极限侧阻力及极限端阻力标准值如表4所示[1]。

结合表2和表4可以看出，相同土层时，土层的切向冻胀力标准值大于土层提供给PHC桩基 础的极限侧阻力标准值。由此可知，该光伏发电项目在保证项目收益率及PHC桩基础最优桩长为6 m的情况下，土层提供给PHC桩基础的极限侧阻力标准值不足以抵抗土层由于冻胀对桩基础产生的切向冻胀力，因此需采取适当的抗

表2 项目所在地地基土的冻胀性及切向冻胀力标准值Table 2 Frost heave property and standard value of tangential frost heave force of foundation soil in the project site

表4 PHC桩基础受到的不同土层的极限侧阻力及极限端阻力标准值Table 4 Standard values of ultimate lateral resistance and ultimate end resistance of different soil layers for PHC pile foundation

冻拔设计来增强PHC桩基础的稳定性。具体的抗冻拔设计方案有2种，分别为结构法及换填法与隔离法结合的方案，下文进行详细介绍。

3.1 结构法

结构法是指PHC桩基础通过采用适当的结构来抵抗土层对其产生的切向冻胀力，结构法的常用方法有增加PHC桩基础的上部荷载、增加桩长或增大桩径[2-3]。但由于光伏支架结构的特殊性，导致PHC桩基础的上部荷载较小，且无法再增加；而且虽然增加PHC桩基础的桩长或桩径可以起到抵抗土层对其产生的切向冻胀力，但考虑到光伏发电项目的收益率和光伏支架基础的成本，PHC桩基础的桩长与桩径也已控制在合理范围内，若再改变，则会增加成本。因此，工程实践中通常不采用此种设计方案。

3.2 换填法与隔离法结合

根据JGJ 118—2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》，在基础侧表面换填非冻胀性的中粗砂可减小和消除土层对基础产生的切向冻胀力，且换填的中粗砂层的整体厚度不宜小于200 mm[4]。由于本光伏发电项目采用的是PHC桩基础，无法实现大面积的开挖换填，因此采取了引孔、打桩、回填的施工方案[5]。

该方案的具体施工步骤为：1)采用直径350 mm的钻头进行引孔，引孔深度为2.2 m(即标准的季节性冻土层的深度)。2)进行打桩，但受施工成本和施工设备的限制，换填厚度无法达到规范所要求的不小于200 mm的要求。因此可在打桩施工之前，在将要插入冻土层内的PHC桩基础侧涂刷2遍工业凡士林，以达到隔离水分并减小侧壁摩擦系数的效果。3)在PHC桩基础周围回填中粗砂。

通过本项目的实际施工发现，由于工业凡士林的熔点为45～80 ℃，即其在常温下为固态，在涂刷工业凡士林和打桩过程中，应严格控制施工质量，保证涂层的均匀性和完整性，才能充分发挥涂层隔离水分和减小摩擦系数的作用。

PHC桩基础的换填法与隔离法结合的施工方案图如图2所示。

图2 PHC桩基础的换填法与隔离法结合的施工方案Fig. 2 Construction scheme combining replacement method and isolation method of PHC pile foundation

3.3 PHC桩基础的竖向承载力和水平承载力复核

在不考虑回填的中粗砂提供给PHC桩基础的侧阻力的情况下，计算土层提供给PHC桩基础的抗力(即竖向承载力、水平承载力、抗冻拔承载力和桩身的开裂弯矩)，以验证PHC桩基础是否满足光伏支架的使用要求，计算结果如表5所示。表中的“效应”是指PHC桩基础上部的光伏支架及光伏组件在风荷载、雪荷载等作用下对其产生的作用力和弯矩[6-7]。

由表5可知，所有抗力均大于效应，因此在不考虑回填的中粗砂提供给PHC桩基础的侧阻力的情况下，土层提供给PHC桩基础的竖向承载力、水平承载力、抗冻拔承载力及桩身开裂弯矩均满足要求。

表5 PHC桩基础的承载力统计表Table 5 Statistics table of bearing capacity of PHC pile foundation

3.4 PHC桩基础的抗冻拔稳定性验算

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》，利用式(1)验算季节性冻土中PHC桩基础的抗冻拔稳定性。

式中：ηf为冻结深度影响系数；qf为切向冻胀力标准值；u为桩身周长；zo为季节性冻土的标准冻结深度，本文取2.2 m；Tuk为标准冻结深度线以下的单桩极限抗拔承载力标准值；NG为PHC桩基上部的光伏支架及光伏组件的自重；Gp为PHC桩基础自重，其中，地下水位以下部分的PHC桩基础的自重取浮重度。

当计算结果满足式(1)时，则说明PHC桩基础满足抗冻拔稳定性的要求。

根据该光伏发电项目现场的钻孔资料，验算了不同情况下PHC桩基础的抗冻拔稳定性，验算结果如表6所示。

表6 不同情况下PHC桩基础的抗冻拔稳定性Table 6 Anti-freeze andpullout stability of PHC piles foundation under different conditions

从表6中可以看出，在不采取抗冻拔措施的情况下，当桩长为6 m时，PHC桩基础的抗力远小于土层产生的切向冻胀力，说明PHC桩基的抗冻拔稳定性差，因此不满足设计要求。同样是桩长为6 m时，由于采取了换填法与隔离法结合的抗冻拔措施，PHC桩基础的抗力大于土层产生的切向冻胀力，说明PHC桩基础的抗冻拔稳定性好，满足设计要求。这是因为采取换填法与隔离法结合的抗冻拔措施后，PHC桩基础周围土层的性质发生了改变，并减小了土层与桩侧的摩擦系数。若抗冻拔措施采取结构法，即通过增加桩长来增加桩侧阻力时，则桩长需要18 m才能满足设计要求。

4 结论

本文以黑龙江省齐齐哈尔市泰来县某20 MWp光伏发电项目为依托，对严寒地区季节性冻土条件下光伏支架PHC桩基础的抗冻拔稳定性进行了分析。在严寒地区季节性冻土条件下，仅通过改变PHC桩基础结构来抵抗土层对其产生的切向冻胀力不具有经济性，而采取换填法与隔离法结合的抗冻拔措施，能有效减小和消除土层对桩基础产生的切向冻胀力，从而可有效降低工程造价，并提高PHC桩基础的稳定性。