浙江正泰新能源開發(fā)有限公司■林建寶沈道軍羅易

光伏灌注樁基礎(chǔ)核算

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山地光伏電站的質(zhì)量主要取決于基礎(chǔ)與支架的牢固性與穩(wěn)定性，本文以具體項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹了微孔灌注樁基礎(chǔ)的計(jì)算。

山地光伏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)；微孔灌注樁；光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

0　引言

隨著人類環(huán)保意識(shí)的提高，國(guó)家大力貫徹落實(shí)創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念。對(duì)于光伏來說，綠色是光伏企業(yè)的新動(dòng)力和新的增長(zhǎng)點(diǎn)。然而，隨著近年光伏的大力發(fā)展，好的土地利用越來越少，山地光伏成為未來光伏方向的突破口。山地光伏其質(zhì)量好壞主要取決于基礎(chǔ)與支架的牢固性和穩(wěn)定性，根據(jù)山地的土壤層狀況不同，基礎(chǔ)樁基主要形式有微孔灌注樁基礎(chǔ)、鋼管灌注樁基礎(chǔ)。本文通過實(shí)例詳細(xì)介紹微孔灌注樁基礎(chǔ)的計(jì)算。

1　項(xiàng)目概況

1.1項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目位于河北省張家口市某區(qū)山地，山地海拔高差200 m。山地光伏場(chǎng)地大部分區(qū)域?qū)儆诨鶐r區(qū)表面，有很多碎石和雜草，雜草高度不超過400 mm，碎石深度在0.3～1 m，強(qiáng)風(fēng)化層約3 m，基巖層有很高的強(qiáng)度與抗變形能力。根據(jù)地勘報(bào)告建議，比較適合混凝土的微孔灌注樁。

1.2項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)

光伏支架形式采用單立柱形式，組件采用1652 mm×994 mm×40 mm，單塊組件重量為0.12 kN/m2。該區(qū)的基本風(fēng)壓為W=0.55 kN/m2，活載為0.3kN/m2，體型系數(shù)為μs=1.3，高度變化修正系數(shù)為η=1.5。根據(jù)地形勘察報(bào)告，基巖第一層碎石側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為100 kPa，地基承載力特征值為180 kPa；基巖第二層砂巖礫巖側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為130 kPa，地基承載力特征值為400 kPa；該地區(qū)凍土層為1.4 m。樁基直徑暫定200 mm，埋深1.4 m，樁基以上部分為0.4 m，采用C30混凝土澆筑。

2　樁基計(jì)算

按照樁基技術(shù)規(guī)范，樁基礎(chǔ)的可行性必須滿足抗拔承載力要求、水平承載力及位移要求、樁基豎向承載力要求。

2.1支架風(fēng)荷載計(jì)算

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，主要受力結(jié)構(gòu)計(jì)算式為［1］：

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

式中，μz為高度變化系數(shù)。

WK組件恒載=0.12 kN/m2

WK支架恒載=0.05 kN/m2

支架上拔力主要是承受風(fēng)荷載作用，光伏組件總長(zhǎng)為3.324 m，支架跨度為3.1 m，則根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］可得：

圖1　基礎(chǔ)截面圖(單位：mm)

圖2　單陣列排布圖(單位：mm)

2.2抗拔樁基承載力驗(yàn)算

根據(jù)樁基相關(guān)規(guī)范，承受拔力的樁基應(yīng)滿足下列公式要求：

式中，NK1為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的基樁上拔力；GP為基樁自重；Tuk為群樁呈整體破壞時(shí)基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

式中，qsik為樁側(cè)表面第i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值(第1層為100 kPa，第2層為130 kPa)；ui為樁身周長(zhǎng)；Li為樁身長(zhǎng)度；λi為抗拔系數(shù)。

樁直徑d=0.20 m；樁身進(jìn)入地面1.4 m，其中，第1層為碎石層，L1=1.0 m，第2層為基巖層，L2=0.4 m。樁身混凝土采用C30［3］。

表1　抗拔系數(shù)λi

由式(2)知，NK1=7.5 kN，＆lt;25.273 kN，滿足式(5)的需求，則φ200的灌注樁埋深1.4 m時(shí)，抗拔力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3樁基水平承載力與位移計(jì)算

根據(jù)樁基設(shè)計(jì)規(guī)范，受水平荷載較小的單樁基礎(chǔ)和群樁中基礎(chǔ)應(yīng)滿足式(7)要求：

式中，Hik為在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，作用于基樁i樁頂處的水平力；Rh為單樁基礎(chǔ)或群樁中基礎(chǔ)的水平承載力特征值。

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［4］，當(dāng)樁的水平承載力由水平位移控制且缺少單樁水平靜載試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)滿足下列計(jì)算：

其中，Rha為單樁水平承載力特征值；α為樁的水平位移系數(shù)；xoa為樁頂允許水平位移(水平位移為0.01 m)；Vx為樁頂水平位移系數(shù)；EI為樁身抗彎剛度，可由式(9)得出。

其中，EC為混凝土彈性模量，為3.0×104N/mm2；Io為φ200灌注樁的截面慣性矩，可由式(10)得出。

式中，do為扣除保護(hù)層厚度的樁直徑；Wo為截面模量，可用式(11)得出：

式中，ρ為樁身配筋率(樁身配筋率需≥0.65％)；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，E鋼筋=2×105N/mm2，則：

如圖3所示，混凝土直徑為200 mm；縱筋為直徑16 mm，共4根；箍筋直徑為8 mm，間距為100 mm。

圖3　灌注樁截面圖

滿足設(shè)計(jì)要求。

所以，根據(jù)式(11)得：

根據(jù)式(10)計(jì)算出φ200灌注樁的慣性矩：

根據(jù)式(9)計(jì)算樁身抗彎剛度：

Vx樁頂水平位移系數(shù)主要受樁的水平位移系數(shù)影響：

式中，m為樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，根據(jù)規(guī)范《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》表5.7.5地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)［4］，m取29.5；b0為樁身的計(jì)算寬度，m，當(dāng)圓形樁直徑d≤1 m時(shí)，

根據(jù)規(guī)范《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中表5.7.2［4］，樁頂最大彎矩系數(shù)Vm和樁頂水平位移系數(shù)Vx如表2所示。

表2　樁頂最大彎矩系數(shù)Vm和樁頂水平位移系數(shù)Vx

αh=1.71×1.4=2.4，根據(jù)線性插值法計(jì)算得到Vx=3.525。根據(jù)公式(8)：

根據(jù)式(3)，支架的水平荷載為6.8 kN，遠(yuǎn)小于單個(gè)樁基的水平承載力。φ200 mm灌注樁水平力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4樁基豎向承載力計(jì)算

根據(jù)軸心荷載效應(yīng)標(biāo)注組合作用下NK2≤Ra：

其中，Ra為單樁豎向承載力特征值；Quk為單樁豎向極限承載力；K為安全系數(shù)，取2。

式中，qpk為樁側(cè)極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(第1層為180 kPa，第2層400 kPa)；li為土壤層深度(第1層為1 m，第2層為0.4 m)；ui為樁身周長(zhǎng)，

ui=0.2×3.14=0.628 m；Ap為樁端面積，Ap= 3.14×0.12=0.0314 m2；ψsi、ψp分別為樁側(cè)阻力、端阻力，其尺寸效應(yīng)系數(shù)如表3所示。

表3　樁側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)

由于我們土壤層均為碎石與基巖強(qiáng)化風(fēng)化石，則：

樁基豎向承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)論

通過以上計(jì)算，φ200 mm灌注樁既能滿足抗拔要求，也能滿足水平承載力要求及豎向承載力要求，且余量充足，按道理可以優(yōu)化截面；但是考慮到山區(qū)的海拔高差相差200 m，局部處在風(fēng)口的瞬時(shí)風(fēng)壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)風(fēng)壓，且考慮到山體的施工難度，現(xiàn)場(chǎng)的施工質(zhì)量無法滿足設(shè)計(jì)要求。所以，從安全角度考慮，最終還是選擇φ200 mm的灌注樁滿足該項(xiàng)目地的設(shè)計(jì)要求。

[1]GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2]GB 50797-2012，光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

2016-03-23

林建寶(1984—)，男，本科、中級(jí)工程師，主要從事光伏系統(tǒng)支架設(shè)計(jì)方面的研究。jianbao.lin@astronergy.com