丁曉勇

（上海電氣工程設(shè)計有限公司，上海 201199）

0 引 言

面對全球能源結(jié)構(gòu)過度依賴化石燃料的現(xiàn)狀，發(fā)展可再生能源勢在必行。各種可再生能源中，太陽能以其清潔、安全、取之不盡、用之不竭等顯著優(yōu)勢，已成為發(fā)展最快的可再生能源[1-2]。開發(fā)利用太陽能光伏發(fā)電對實現(xiàn)清潔能源和解決能源危機(jī)具有重要意義。我國的沙漠地區(qū)晴天天數(shù)較多、日照時間長，具有豐富的太陽能資源。在沙漠地區(qū)建設(shè)發(fā)電站，光伏支架及其基礎(chǔ)形式的選擇就尤為重要，光伏支架支撐的光伏組件較輕，組件恒荷載一般約為0.12 kN/m2，且支架本身通常采用冷彎薄壁型鋼，自重較小。一般約為0.10 kN/m2，而支架所受風(fēng)荷載一般都超過0.3 kN/m2，因此，光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計時的控制荷載一般為風(fēng)荷載[3]。

風(fēng)荷載存在風(fēng)壓和風(fēng)吸2種不同的工況，由于工況不同，支架基礎(chǔ)的受力形式也不相同。在風(fēng)壓作用下，豎向壓力和水平推力是支架基礎(chǔ)的主要受力形式；而在風(fēng)吸作用下，上拔力和水平推力是支架基礎(chǔ)的主要受力形式[4]?？紤]到 H型鋼樁具有重量輕、貫穿能力強(qiáng)以及便于運(yùn)輸和施工等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為沙漠地區(qū)光伏支架首選的基礎(chǔ)形式[5-6]。

人們普遍認(rèn)為對打入樁的研究，現(xiàn)場試驗更能真實的反映樁-土受力特性與規(guī)律[7-8]。目前對于樁基承載力的研究多集中于圓形樁、管樁等規(guī)則樁型的研究[9-10]。對于型鋼樁，試驗研究及工程應(yīng)用主要集中于 H型鋼樁。CHARLES等[11]進(jìn)行 6根H型鋼樁的抗壓試驗，對H型鋼樁的抗壓承載特征進(jìn)行了揭示。YANG等[12]對 18根 H型鋼樁開展了現(xiàn)場抗壓試驗。研究了H型鋼樁的豎向受力特性，提出樁側(cè)阻力與土體有效應(yīng)力、標(biāo)貫擊數(shù)之間的關(guān)系。NG[13]等對 15根 H型鋼樁進(jìn)行了抗壓試驗，對現(xiàn)行的承載力預(yù)測方法進(jìn)行了比較，并提出了改進(jìn)建議。關(guān)于型鋼樁的現(xiàn)場試驗，主要是規(guī)律性的定性分析，缺少定量性的研究。因此，本文通過適用于光伏支架下短型鋼樁現(xiàn)場試驗，揭示短H型鋼樁不同樁長、不同截面尺寸工況下的承載機(jī)理，為沙漠地區(qū)光伏支架基礎(chǔ)選型及應(yīng)用提供參考。

1 H型鋼樁現(xiàn)場試驗方案

1.1 H型鋼樁模型制作

通常情況下，H型鋼樁為工業(yè)加工的預(yù)制樁，本文借鑒工業(yè)上常用的H型鋼樁型號，為了反映光伏支架樁基礎(chǔ)受力特性，采用表1所示H型鋼樁進(jìn)行現(xiàn)場抗壓抗拔2種受力方式的靜載荷試驗，圖1為3號型鋼樁（150 mm×75 mm×5 mm×7 mm）截面尺寸參數(shù)圖，其余型鋼樁截面尺寸參數(shù)含義與圖1中3號型鋼樁相同。

表1 H型鋼樁試樁截面參數(shù)一覽表Table 1 Cross-sectional parameters of H-shaped steel pile

圖1 H型鋼樁（3號）截面圖Fig. 1 Cross-sectional of H-shaped steel pile

為了了解樁身軸力、側(cè)摩阻力的大小及分布情況，試驗從地表開始沿樁身每間隔0.2 m布設(shè)應(yīng)變測試點(diǎn)，每個測試點(diǎn)對稱性的布設(shè)2個應(yīng)變片，測點(diǎn)采用全橋接法，每個截面布置2個測點(diǎn)，以取平均值為截面數(shù)據(jù)，具體應(yīng)變片布置圖見圖2。

圖2 H型鋼樁應(yīng)變片位置示意圖Fig. 2 Location of strain gauge of H-shaped steel pile

1.2 試驗場地土樣

試驗場區(qū)屬于黃淮沖積平原，砂性土地層，厚度較深，深度大于7 m。為了開展沙漠地區(qū)光伏支架短H型鋼樁受力特性研究，本文對試驗場區(qū)開展了樁體影響范圍內(nèi)土性的測試，其顆分試驗結(jié)果為小于2、1、0.5、0.25和0.075 mm顆粒級配依次為99.97%、99.77%、94.82%、27.45%和2.69%，判定為細(xì)砂土，其余常規(guī)物理力學(xué)試驗參數(shù)如表2所示。

表2 試驗場區(qū)地層物理力學(xué)參數(shù)一覽表Table 2 List of physical and mechanical parameters of formation in the test site area

1.3 現(xiàn)場試驗方案布置及加載

根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）和考慮到樁間距的相互影響，布置了2排型鋼樁，1排是抗拔，1排是抗壓，抗拔試驗與抗壓試驗型鋼樁間距為3.2 m，各個型鋼樁間距也為3.2 m，現(xiàn)場試驗各H型鋼樁樁位詳見圖3所示。10根H型鋼樁先后進(jìn)行靜載測試，在H型鋼樁加載過程中，荷載傳遞均勻、連續(xù)、無沖擊。另外，在現(xiàn)場試驗的過程中，天氣以晴朗為主，氣溫5 ℃～12 ℃左右，北風(fēng)2～3級。檢測時試樁頂部及平衡梁位置做有效遮蓋，現(xiàn)場情況滿足試驗規(guī)程（JGJ 106—2014）的要求。

圖3 試樁分布位置Fig. 3 Location of test pile

考慮樁極限荷載不大于30 kN，現(xiàn)場試驗所選千斤頂加載能力為50 kN，采用分級加載方式加載，荷載分級為1.5 kN，第一級施加荷載為3 kN。試驗方式采用慢速維持荷載法模擬樁的受荷過程，用百分表量測樁頂變形，并在每級加（卸）載后的第5、10、15、30、45、60 min測量樁頂位移，以后每隔30 min測讀一次，達(dá)到相對穩(wěn)定后方可加（卸）下一級荷載?，F(xiàn)場試驗過程中當(dāng)總位移量不小于40 mm時，即便沒有達(dá)到本級荷載的位移量，大于或等于前一級荷載位移量的5倍也認(rèn)為試驗達(dá)到破壞狀態(tài)而終止現(xiàn)場加載試驗，并取該變形下的荷載作為單樁載荷試驗的極限荷載。

2 H型鋼樁靜壓試驗結(jié)果分析

2.1 單樁豎向承載力

根據(jù)現(xiàn)場靜壓載荷試驗結(jié)果，進(jìn)行單因素分析，繪制不同樁長、截面尺寸的短H型鋼樁荷載-位移（Q-s）關(guān)系曲線，如圖4～5所示。

圖4 不同樁長短H型鋼樁Q-s曲線Fig. 4 Q-s curves of H-shaped steel pile with different pile length

由圖4～5關(guān)系曲線可知，5種不同尺寸和樁長的型鋼樁，當(dāng)施加5 kN左右受壓荷載時，樁頂?shù)奈灰票容^小，繼續(xù)逐級加載，這時1～5號型鋼樁位移開始明顯增大，當(dāng)進(jìn)一步施加荷載時，此時1～5號型鋼樁位移相繼產(chǎn)生陡變，荷載也不能維持，此時樁體破壞，具體數(shù)值見表3。

表3 樁體極限承載力一覽表Table 3 Ultimate bearing capacity of pile

選取2號、4號、5號型鋼樁進(jìn)行分析，根據(jù)圖4可知，隨著樁長度的增加，樁身部分與樁周土體接觸面積增加，從而能夠產(chǎn)生更多的側(cè)摩阻力，因此單體承載力也逐漸增大。選取1～3號H型鋼樁進(jìn)行對比分析，由圖5可見，隨著H型鋼樁尺寸增大，單樁承載力也明顯更高，這是由于尺寸增大也提高了樁-土接觸面積，使得側(cè)摩阻力增大，從而提高型鋼樁的承載力。整體看來，無論是截面尺寸增大還是樁身加長，都會使得H型鋼樁單樁承載力增大。

圖5 不同截面尺寸短H型鋼樁Q-s曲線Fig. 5 Q-s curves of H-shaped steel pile with different section size

需要說明一點(diǎn)，由于現(xiàn)場試驗條件原因，3號并未達(dá)到極限承載力，本文取位移為40 mm時1～5號的承載力作為極限承載力。

2.2 樁身軸力

試驗準(zhǔn)備階段通過在型鋼樁樁身不同位置處貼放應(yīng)變片，型鋼樁在各級荷載下樁身的應(yīng)變量可由應(yīng)變片測得，通過應(yīng)變片計算得到各種尺寸型鋼樁在極限荷載下的軸力分布，具體如圖6所示。

圖6表明，不同尺寸的H型鋼樁在極限荷載條件下的變化趨勢是相似的。在填埋部分，H型鋼樁的軸力緩慢減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)近1/2樁深處時，樁身軸力迅速減小，由此可見，土體性質(zhì)對軸力影響較為顯著。

圖6 H型鋼樁軸力分布Fig. 6 Axial force distribution of H-shaped steel piles

2.3 樁側(cè)摩阻力

由于試驗過程中存在開挖后再填埋，所以會導(dǎo)致土體性質(zhì)發(fā)生較大改變，由于樁側(cè)摩阻力與樁周是密切相關(guān)的，因此土體的性質(zhì)將會直接影響樁側(cè)摩阻力的分布。在極限荷載條件下不同尺寸型鋼樁的側(cè)摩阻力如圖7所示。

從圖7可知，無論是樁長還是H型鋼樁截面尺寸的不同，都沒有改變側(cè)摩阻力的變化趨勢。由于現(xiàn)場試驗的條件約束，打樁時可能會對土體有擾動現(xiàn)象，因此本文將土層分為擾動土段及原狀土階段。在擾動土階段，樁的側(cè)摩阻力數(shù)值很小且變化不明顯；當(dāng)達(dá)到原狀土段，樁的側(cè)摩阻力迅速增大，且 H型鋼樁受壓和受拉工況下其側(cè)摩阻力峰值均發(fā)生在距樁端1/3位置處，隨后急劇減小。在這里，不同樁長的側(cè)摩阻力對應(yīng)的最大深度不同，樁長為2.2 m的型鋼樁側(cè)摩阻力在達(dá)到峰值強(qiáng)度之前變化速率最小，當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度之后，下降的速率最快。

圖7 H型鋼樁側(cè)摩阻力分布Fig. 7 Distribution of lateral frictional resistance of H-shaped steel piles

3 抗拔靜力載荷試驗結(jié)果分析

3.1 樁頂Q-s曲線分析

圖8為現(xiàn)場抗拔試驗測得的不同截面尺寸、樁長H型鋼樁在各級荷載下的Q-s曲線。當(dāng)樁頂位移小于2.0 mm時，1～5號型鋼樁的Q-s曲線非常相近。限于現(xiàn)場試驗條件，試樁在試驗加載范圍內(nèi)均未達(dá)到極限荷載，但當(dāng)樁頂荷載達(dá)到6 kN時，1號、4號這2種型鋼樁樁頂位移顯著增大，抗拔承載力趨于極限值；而另外3種型鋼樁Q-s曲線樁頂沒有減小趨勢，樁底位移較小，據(jù)此可以推斷，截面尺寸、樁長對于型鋼樁承載力影響顯著，尺寸越大、樁身越長，則承載力越高。這與抗壓試驗所得到的結(jié)論是吻合的。

圖8 不同截面尺寸、樁長H型鋼樁Q-s曲線Fig. 8 Q-s curves of H-shaped steel piles with different section size and pile length

3.2 樁身軸力及側(cè)摩阻力分析

圖 9～10為現(xiàn)場抗拔試驗測得的不同截面尺寸、樁長H型鋼樁在極限荷載條件下的軸力、側(cè)摩阻力分布曲線。

圖9 H型鋼樁軸力分布圖Fig. 9 Axial force distribution of H-shaped steel piles

從圖中可以得出，在截面尺寸相同的條件下，3種不同樁長的H型鋼樁軸力隨著樁身長度增加而逐漸增大，但軸力降低的深度卻不同，這是由于現(xiàn)場試驗自身的條件造成的?？拱卧囼炛袠兜某休d力主要由側(cè)摩阻力承擔(dān)，由圖中可知，樁尺寸的提高能顯著提高承載力。當(dāng)樁長不同時，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮是一個隨深度變化的過程，當(dāng)樁身（1.6 m）較短的樁已經(jīng)發(fā)揮時，樁身（2.2 m）較長的型鋼樁才剛剛發(fā)揮，沿樁身方向從上到下依次開展。

圖10 H型鋼樁側(cè)摩阻力分布圖Fig. 10 Distribution of lateral frictional resistance of H-shaped steel piles

4 結(jié) 論

本文通過開展H型鋼樁現(xiàn)場抗壓抗拔試驗，詳細(xì)研究了不同樁長、不同截面尺寸的豎向承載力及其受力特性。試驗研究表明：

（1）通過現(xiàn)場抗壓抗拔試驗得出不同截面尺寸、樁長的H型鋼樁承載力。增大截面尺寸、提高樁長都能夠提高樁土接觸面積，從而提高型鋼樁豎向承載力。

（2）在實際工程中，需要考慮樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度。當(dāng)位移較小時，樁側(cè)摩阻力較低，幾乎不發(fā)揮，隨著樁土位移逐漸增大，樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮，且H型鋼樁受壓和受拉工況下其側(cè)摩阻力峰值均發(fā)生在距樁端1/3位置處。

（3）當(dāng)樁長不同時，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮是一個隨深度變化的過程。當(dāng)樁身（1.6 m）較短的樁已經(jīng)發(fā)揮時，樁身（2.2 m）較長的型鋼樁才剛剛發(fā)揮，沿樁身方向從上到下依次開展。

（4）不同截面尺寸、樁長對樁體承載能力的影響顯著。本文以型鋼樁現(xiàn)場試驗為依托，具有一定的現(xiàn)實意義，也可為類似的樁基施工提供參考，并豐富了樁基理論。