桑 濤

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100）

光伏電站螺旋鋼管樁的應用和計算

桑 濤

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100）

隨著技術(shù)的進步和新施工工藝的提倡，螺旋鋼管樁在光伏電站建設中得到越來越廣泛的應用。螺旋鋼管樁的優(yōu)勢有綠色環(huán)保、施工快捷、承載力高、可重復利用等。因此，掌握螺旋鋼管樁的實際應用和承載力計算，為今后光伏支架基礎設計進行技術(shù)儲備，對提高公司光伏總包項目的經(jīng)濟效益具有重要的意義。

光伏電站；螺旋鋼管樁；承載力；計算

由中心鋼軸與若干個螺旋葉片連接組成的螺旋鋼管樁是一種異型樁，其表面呈現(xiàn)出一種復雜的幾何形狀。螺旋鋼管樁又分為分層葉片式螺旋鋼管樁和連續(xù)葉片式螺旋鋼管樁，其劃分是根據(jù)葉片布置形式來定的。其受力機理與日常生活中常見的螺絲釘相識，用配套機械將其旋入土體中。通過鋼管樁樁側(cè)與土體之間的側(cè)摩阻力，尤其是螺旋葉片與土體之間的咬合力抵抗上拔力和承受垂直荷載，利用樁體、螺旋葉片與土體之間的樁土相互作用抵抗水平荷載。

1 螺旋鋼管樁承載力的主要計算方法

精確計算螺旋鋼管樁的承載力有一定程度的難度，因為除開地質(zhì)條件外，像樁型參數(shù)、施工扭矩等多方面因素都會影響螺旋鋼管樁承載力的計算。螺旋鋼管柱承載力的計算方法有很多，主要的方法有以下幾種：

1.1 單盤承載力法

假定承載力破壞發(fā)生在每單片葉片上時，葉片就像是一個鋼盤，基于深基礎破壞模式下，每個鋼盤的極限承載力之和就是單樁極限承載力，這里不再考慮各鋼盤間中軸的土側(cè)摩阻力。若上部無鋼盤段的中軸直徑較大且長度較長（不小于5倍最上一個葉片的直徑）時，可以考慮該段的側(cè)摩阻力，計算模型如圖1所示。

圖1 單盤承載力法計算模型

1.2 連續(xù)剪切筒法（常用）

當葉片間距在一定范圍內(nèi)時，假定最上部與最下部的葉片之間，構(gòu)成了一個圓柱形的剪切面，該圓柱筒表面的剪切阻力和螺旋葉片的承載力就是承載力的來源。要想確保計算值與實測值控制在較小的范圍，葉片間距不能過大是運用此法的一個前提條件。連續(xù)剪切筒法的計算模型如圖2所示。

1.3 扭矩經(jīng)驗公式法

扭矩經(jīng)驗公式法是根據(jù)鉆進時機器提供的扭矩來預測螺旋鋼管樁的單樁承載力。其依據(jù)的基本原理為：螺旋鋼樁的承載能力因安裝扭矩越大而越大，而安裝扭矩因土質(zhì)越硬而越大，均是成正比關(guān)系。

圖2 連續(xù)剪切筒法計算模型

2 計算實例

2.1 工程概況

本次工程為烏拉特后旗50WM光伏并網(wǎng)發(fā)電項目，建筑場地位于烏拉特后旗賽烏素鎮(zhèn)北2km。本項目采用尺寸為1650×991×40的組件，20塊組件組成一個單元，在每個單元傾角為40°的通用支架上豎向雙排安裝2×10塊太陽電池組件，每一單元支架前后布置兩排螺旋樁，螺旋鋼管樁一共8根。

根據(jù)勘察報告，本工程上部主要為松散、稍密狀態(tài)的粉土和較密狀態(tài)的礫砂層，巖土主要物理力學性質(zhì)指標值見表1。根據(jù)上述土層情況及以往工程經(jīng)驗，設計院選用了雙葉片螺旋鋼管樁。螺旋鋼管樁如圖3所示。

表1 巖土主要物理力學性質(zhì)指標值

圖3 螺旋鋼管樁詳圖

根據(jù)支架結(jié)構(gòu)計算書提取數(shù)據(jù)，傳遞到單樁樁頂?shù)暮奢d為支座反力：正風壓（壓力）為12.60kN，負風壓（上拔力）為9.88kN。

2.2 承載力計算

本次計算采用設計中較為常用連續(xù)剪切筒法，計算模型如圖2所示。當樁頂受力時，作用在樁頂?shù)暮奢d部分由中間的鋼管與土體之間的側(cè)摩阻力承擔，部分由螺旋葉片所受的土體抗力承擔。當有2個及以上葉片時，部分荷載由葉片之間的土柱與周圍土體之間的側(cè)摩阻力承擔。

（1）抗壓承載力計算。依據(jù)JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，抗壓承載力計算式為：

滿足抗壓承載力要求。

（2）抗拔承載力計算。以JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，抗壓承載力計算式為：

滿足抗拔承載力要求。

螺旋鋼管樁設計時，考慮到地質(zhì)條件的復雜性，以上的理論計算只能作為一種輔助方法來驗算基礎設計的安全性。在滿足力理論計算的同時，必須在現(xiàn)場進行螺旋鋼管樁基礎的拉拔實驗，進而確定螺旋鋼管樁樁型參數(shù)。

3 研究結(jié)論

精確計算螺旋鋼管樁的承載力有一定程度的難度，因為除地質(zhì)條件外，樁型參數(shù)、施工扭矩等因素都會影響螺旋鋼管樁承載力的計算，所以目前針對螺旋鋼管樁的研究都是在大量的現(xiàn)場拉拔試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析的基礎上進行的。通過閱讀大量的相關(guān)研究資料，綜合目前螺旋鋼管樁各樁型參數(shù)與極限抗拔和抗壓承載力的關(guān)系的研究成果，得出如下研究結(jié)論：①鋼樁極限抗拔和抗壓承載力深受葉片間距比變化的嚴重影響。根據(jù)試驗研究表明，樁的極限承載力在葉片間距比S/D=3～4時效果為最優(yōu)。光伏基礎中常用的小型螺旋鋼管樁，可以采用S/D=3的葉片間距；②隨著葉片直徑（葉片直徑平方）的增大，雙葉片樁的抗拔和抗壓承載力也近似呈線性關(guān)系的增加；③相比連續(xù)葉片樁，雙葉片樁在承載力方面具有明顯的施工優(yōu)勢。探究其原因大致如下：連續(xù)葉片樁的抗拔承載力深受其下部漸變收縮段的明顯影響而顯著減弱，對土體的重復擾動因其多重葉片在旋擰過程而增加?，F(xiàn)場施工也反映在尤其是含有卵石的較硬土層中，在鉆進成樁方面雙葉片樁較之連續(xù)葉片樁更容易一些；④對光伏基礎中常用的小型螺旋鋼樁，其樁長和葉片道數(shù)應在設計出最優(yōu)比范圍的葉片間距后再考慮增加與否；⑤考慮螺旋鋼樁的受力工況，常規(guī)慢速維持法可以用來確定實際抗拔極限承載力。

U665.12

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2096-2789（2016）12-0053-02