唐 湘，樊尊龍

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

0 引言

光伏支架及其基礎(chǔ)是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，需適用于各種復(fù)雜的氣候條件和地質(zhì)條件，并需要在這些條件下滿足安全、耐久使用要需求。采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土(PHC)管樁作為光伏支架基礎(chǔ)(下文簡(jiǎn)稱為“PHC樁基礎(chǔ)”)是應(yīng)用最為廣泛的光伏支架基礎(chǔ)形式，但其在嚴(yán)寒地區(qū)季節(jié)性凍土影響下往往會(huì)因?yàn)閮雒涀饔枚霈F(xiàn)樁基礎(chǔ)凍拔的現(xiàn)象，從而損壞其上部的光伏支架和光伏組件?；诖耍疚囊越ㄔO(shè)于嚴(yán)寒地區(qū)季節(jié)性凍土上的某實(shí)際光伏發(fā)電項(xiàng)目為依托，通過(guò)對(duì)季節(jié)性凍土條件下光伏支架PHC樁基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性進(jìn)行分析，給出了此類(lèi)樁基礎(chǔ)相關(guān)的設(shè)計(jì)建議，以及其可采取的防凍拔措施，以抵抗因凍土層產(chǎn)生的切向凍脹力。

1 某實(shí)際光伏發(fā)電項(xiàng)目概況

本文的分析是基于黑龍江省齊齊哈爾市泰來(lái)縣某20 MWp光伏發(fā)電項(xiàng)目，該項(xiàng)目所在地位于嚴(yán)寒地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)，地貌單元為松嫩平原的中部低平原。為了在此地區(qū)更好地設(shè)計(jì)光伏支架基礎(chǔ)，下文對(duì)該光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地的地層結(jié)構(gòu)、地下水條件、標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度、地基土的凍脹性、基本風(fēng)壓及基本雪壓進(jìn)行分析。

1.1 地層結(jié)構(gòu)

場(chǎng)址內(nèi)，地基土自上而下的土層類(lèi)型及其主要特征如表1所示。

表1 地基土的土層類(lèi)型及其主要特征Table 1 Types of soil layers and main characteristics of foundation soil

1.2 地下水條件

場(chǎng)址內(nèi)的地下水主要賦存于砂土層中，常年最高地下水位可達(dá)地表。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度

根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄F的內(nèi)容“擬建場(chǎng)地季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為2.00～2.20 m”，本文按2.20 m考慮。

1.4 地基土的凍脹性

項(xiàng)目所在地的冬季寒冷，最低氣溫可達(dá)-36.9 ℃，地質(zhì)條件屬于季節(jié)性凍土區(qū)，土壤的含水率較高。根據(jù)GB 50324—2014《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中表C.0.3-9及表C.0.3-10，可以確

1.5 基本風(fēng)壓及基本雪壓

光伏支架設(shè)計(jì)采用25年一遇的基本風(fēng)壓和基本雪壓，光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用50年一遇的基本風(fēng)壓和基本雪壓。不同重現(xiàn)期時(shí)風(fēng)荷載及雪荷載的標(biāo)準(zhǔn)值如表3所示。

表3 不同重現(xiàn)期時(shí)風(fēng)荷載及雪荷載的標(biāo)準(zhǔn)值Table 3 Standard values of wind load and snow load in different return periods

2 光伏支架及其基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案

常用的光伏支架形式有固定式光伏支架、可調(diào)式光伏支架、跟蹤式光伏支架等，由于本光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地的緯度較高，因此選用固定式光伏支架較為合適。同時(shí)，由于本項(xiàng)目所在地的地勢(shì)低洼，排水不暢，容易形成內(nèi)澇積水，因此考慮采用30年一遇設(shè)計(jì)防水位的標(biāo)準(zhǔn)，光伏支架基礎(chǔ)推薦采用PHC樁基礎(chǔ)。

本光伏發(fā)電項(xiàng)目中采用的光伏組件的尺寸為1968 mm×990 mm×40 mm，采用“2排8列”的豎向排布方式布置于固定式光伏支架上，光伏組件的安裝傾角為33°，光伏組件的最低點(diǎn)離地高度為1.3 m。樁基光伏支架基礎(chǔ)采用PHC300(AB)型管樁，樁總長(zhǎng)為6 m，樁頂露出地面的長(zhǎng)度為1.6 m，入土深度為4.4 m；樁基采用3根PHC樁基礎(chǔ)的布置方案，每2根PHC樁基礎(chǔ)之間的間距為3.4 m。光伏支架及其基礎(chǔ)的平面布置圖和側(cè)視圖如圖1所示。

圖1 光伏支架及其基礎(chǔ)的平面布置圖和側(cè)視圖(單位：mm)Fig. 1 Floor plan and side view of PV bracket and its foundation

3 PHC樁基礎(chǔ)的抗凍拔設(shè)計(jì)

根據(jù)PHC樁基礎(chǔ)在土層中的受力情況不同，其可分為端承樁和摩擦型樁。由于本文考慮的是季節(jié)性凍土區(qū)，因此可采用摩擦型PHC樁基礎(chǔ)，并以土層④粉質(zhì)粘土或⑤粉砂作為樁端持力層。PHC樁基礎(chǔ)受到的不同土層的極限側(cè)阻力及極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值如表4所示[1]。

結(jié)合表2和表4可以看出，相同土層時(shí)，土層的切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值大于土層提供給PHC樁基 礎(chǔ)的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值。由此可知，該光伏發(fā)電項(xiàng)目在保證項(xiàng)目收益率及PHC樁基礎(chǔ)最優(yōu)樁長(zhǎng)為6 m的情況下，土層提供給PHC樁基礎(chǔ)的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值不足以抵抗土層由于凍脹對(duì)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的切向凍脹力，因此需采取適當(dāng)?shù)目?/p>

表2 項(xiàng)目所在地地基土的凍脹性及切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Frost heave property and standard value of tangential frost heave force of foundation soil in the project site

表4 PHC樁基礎(chǔ)受到的不同土層的極限側(cè)阻力及極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值Table 4 Standard values of ultimate lateral resistance and ultimate end resistance of different soil layers for PHC pile foundation

凍拔設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)PHC樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。具體的抗凍拔設(shè)計(jì)方案有2種，分別為結(jié)構(gòu)法及換填法與隔離法結(jié)合的方案，下文進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 結(jié)構(gòu)法

結(jié)構(gòu)法是指PHC樁基礎(chǔ)通過(guò)采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)來(lái)抵抗土層對(duì)其產(chǎn)生的切向凍脹力，結(jié)構(gòu)法的常用方法有增加PHC樁基礎(chǔ)的上部荷載、增加樁長(zhǎng)或增大樁徑[2-3]。但由于光伏支架結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致PHC樁基礎(chǔ)的上部荷載較小，且無(wú)法再增加；而且雖然增加PHC樁基礎(chǔ)的樁長(zhǎng)或樁徑可以起到抵抗土層對(duì)其產(chǎn)生的切向凍脹力，但考慮到光伏發(fā)電項(xiàng)目的收益率和光伏支架基礎(chǔ)的成本，PHC樁基礎(chǔ)的樁長(zhǎng)與樁徑也已控制在合理范圍內(nèi)，若再改變，則會(huì)增加成本。因此，工程實(shí)踐中通常不采用此種設(shè)計(jì)方案。

3.2 換填法與隔離法結(jié)合

根據(jù)JGJ 118—2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，在基礎(chǔ)側(cè)表面換填非凍脹性的中粗砂可減小和消除土層對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的切向凍脹力，且換填的中粗砂層的整體厚度不宜小于200 mm[4]。由于本光伏發(fā)電項(xiàng)目采用的是PHC樁基礎(chǔ)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積的開(kāi)挖換填，因此采取了引孔、打樁、回填的施工方案[5]。

該方案的具體施工步驟為：1)采用直徑350 mm的鉆頭進(jìn)行引孔，引孔深度為2.2 m(即標(biāo)準(zhǔn)的季節(jié)性凍土層的深度)。2)進(jìn)行打樁，但受施工成本和施工設(shè)備的限制，換填厚度無(wú)法達(dá)到規(guī)范所要求的不小于200 mm的要求。因此可在打樁施工之前，在將要插入凍土層內(nèi)的PHC樁基礎(chǔ)側(cè)涂刷2遍工業(yè)凡士林，以達(dá)到隔離水分并減小側(cè)壁摩擦系數(shù)的效果。3)在PHC樁基礎(chǔ)周?chē)靥钪写稚啊?/p>

通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)際施工發(fā)現(xiàn)，由于工業(yè)凡士林的熔點(diǎn)為45～80 ℃，即其在常溫下為固態(tài)，在涂刷工業(yè)凡士林和打樁過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，保證涂層的均勻性和完整性，才能充分發(fā)揮涂層隔離水分和減小摩擦系數(shù)的作用。

PHC樁基礎(chǔ)的換填法與隔離法結(jié)合的施工方案圖如圖2所示。

圖2 PHC樁基礎(chǔ)的換填法與隔離法結(jié)合的施工方案Fig. 2 Construction scheme combining replacement method and isolation method of PHC pile foundation

3.3 PHC樁基礎(chǔ)的豎向承載力和水平承載力復(fù)核

在不考慮回填的中粗砂提供給PHC樁基礎(chǔ)的側(cè)阻力的情況下，計(jì)算土層提供給PHC樁基礎(chǔ)的抗力(即豎向承載力、水平承載力、抗凍拔承載力和樁身的開(kāi)裂彎矩)，以驗(yàn)證PHC樁基礎(chǔ)是否滿足光伏支架的使用要求，計(jì)算結(jié)果如表5所示。表中的“效應(yīng)”是指PHC樁基礎(chǔ)上部的光伏支架及光伏組件在風(fēng)荷載、雪荷載等作用下對(duì)其產(chǎn)生的作用力和彎矩[6-7]。

由表5可知，所有抗力均大于效應(yīng)，因此在不考慮回填的中粗砂提供給PHC樁基礎(chǔ)的側(cè)阻力的情況下，土層提供給PHC樁基礎(chǔ)的豎向承載力、水平承載力、抗凍拔承載力及樁身開(kāi)裂彎矩均滿足要求。

表5 PHC樁基礎(chǔ)的承載力統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistics table of bearing capacity of PHC pile foundation

3.4 PHC樁基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，利用式(1)驗(yàn)算季節(jié)性凍土中PHC樁基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性。

式中：ηf為凍結(jié)深度影響系數(shù)；qf為切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長(zhǎng)；zo為季節(jié)性凍土的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度，本文取2.2 m；Tuk為標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度線以下的單樁極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值；NG為PHC樁基上部的光伏支架及光伏組件的自重；Gp為PHC樁基礎(chǔ)自重，其中，地下水位以下部分的PHC樁基礎(chǔ)的自重取浮重度。

當(dāng)計(jì)算結(jié)果滿足式(1)時(shí)，則說(shuō)明PHC樁基礎(chǔ)滿足抗凍拔穩(wěn)定性的要求。

根據(jù)該光伏發(fā)電項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔資料，驗(yàn)算了不同情況下PHC樁基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性，驗(yàn)算結(jié)果如表6所示。

表6 不同情況下PHC樁基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性Table 6 Anti-freeze andpullout stability of PHC piles foundation under different conditions

從表6中可以看出，在不采取抗凍拔措施的情況下，當(dāng)樁長(zhǎng)為6 m時(shí)，PHC樁基礎(chǔ)的抗力遠(yuǎn)小于土層產(chǎn)生的切向凍脹力，說(shuō)明PHC樁基的抗凍拔穩(wěn)定性差，因此不滿足設(shè)計(jì)要求。同樣是樁長(zhǎng)為6 m時(shí)，由于采取了換填法與隔離法結(jié)合的抗凍拔措施，PHC樁基礎(chǔ)的抗力大于土層產(chǎn)生的切向凍脹力，說(shuō)明PHC樁基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性好，滿足設(shè)計(jì)要求。這是因?yàn)椴扇Q填法與隔離法結(jié)合的抗凍拔措施后，PHC樁基礎(chǔ)周?chē)翆拥男再|(zhì)發(fā)生了改變，并減小了土層與樁側(cè)的摩擦系數(shù)。若抗凍拔措施采取結(jié)構(gòu)法，即通過(guò)增加樁長(zhǎng)來(lái)增加樁側(cè)阻力時(shí)，則樁長(zhǎng)需要18 m才能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文以黑龍江省齊齊哈爾市泰來(lái)縣某20 MWp光伏發(fā)電項(xiàng)目為依托，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)季節(jié)性凍土條件下光伏支架PHC樁基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。在嚴(yán)寒地區(qū)季節(jié)性凍土條件下，僅通過(guò)改變PHC樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來(lái)抵抗土層對(duì)其產(chǎn)生的切向凍脹力不具有經(jīng)濟(jì)性，而采取換填法與隔離法結(jié)合的抗凍拔措施，能有效減小和消除土層對(duì)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的切向凍脹力，從而可有效降低工程造價(jià)，并提高PHC樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。