摘 要：光伏支架在投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的過(guò)程主要受風(fēng)荷載影響。對(duì)微型樁基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)荷載作用于光伏面板上時(shí)，微型樁基礎(chǔ)頂部主要受到側(cè)向荷載作用。為探明硬塑粉質(zhì)黏土層中微型樁側(cè)向承載能力是否滿足對(duì)光伏支架結(jié)構(gòu)安全性能的需求，本文采用現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)合有限元模擬的方式對(duì)微型樁側(cè)向承載性能進(jìn)行分析研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與模擬分析的微型樁側(cè)向承載能力基本一致，且施工現(xiàn)場(chǎng)選用長(zhǎng)2m的C30混凝土微型作為支架基礎(chǔ)即可滿足承載力要求。

關(guān)鍵詞：微型樁；硬塑粉質(zhì)黏土；側(cè)向承載；靜載試驗(yàn)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU 47" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

可將光伏支架施工中運(yùn)用的微型樁基礎(chǔ)作為一種小直徑樹根樁?？蓪⒈卷?xiàng)目運(yùn)用的微型樁基礎(chǔ)視為一端嵌固，一端自由。根據(jù)壓桿長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算公式（λ=μl/i）可知，當(dāng)微型樁樁頂受到水平荷載作用時(shí)，由于其樁徑較小，抗彎剛度小，且樁側(cè)與土體接觸面積也較小，導(dǎo)致樁身容易發(fā)生撓曲變形，同時(shí)上部樁周土發(fā)生的壓縮變形較大，難以滿足實(shí)際工程的位移控制要求[]?；诖耍瑸榇_定微型樁基礎(chǔ)最佳施工參數(shù)，控制微型樁撓曲變形，本文基于光伏支架微樁基礎(chǔ)施工應(yīng)用研究，進(jìn)行硬塑粉質(zhì)黏土中微型樁側(cè)向靜載試驗(yàn)，分析不同樁長(zhǎng)、混凝土性能對(duì)微型樁的水平承載力的影響，并對(duì)試驗(yàn)確定的施工參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步模擬分析，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，為微型樁在硬塑粉質(zhì)黏土地層中的施工提供了依據(jù)[]。

1 工程概況

涼山州會(huì)理光伏項(xiàng)目場(chǎng)地覆蓋范圍廣，區(qū)域相對(duì)分散，地形以山脊緩坡為主，坡度主要在5°～20°，局部地方較陡可達(dá)到35°～40°。光伏陣列支架荷載小，基礎(chǔ)埋深不大。部分場(chǎng)址分布的碎塊石土較松散，易變形，不宜作為光伏組件樁基礎(chǔ)持力層，可塑～硬塑狀的含礫粉質(zhì)黏土可以作為樁基持力層一般豎向承載力。固定支架每個(gè)單元設(shè)4個(gè)基礎(chǔ)，為單立柱形式，樁距為4.3m，基礎(chǔ)擬采用直徑250mm的微孔灌注樁，樁總長(zhǎng)2.0m，入土深度1.5m，頂端露出地面0.5m。

2 單樁側(cè)向承載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

光伏項(xiàng)目位于涼山彝族自治州會(huì)理市，微型樁基礎(chǔ)施工場(chǎng)址處屬中高山山地地貌，地質(zhì)類型主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層，土體類型主要為含礫粉質(zhì)黏土，表現(xiàn)為硬塑狀。在正式進(jìn)行光伏支架微型樁基礎(chǔ)施工前，選取不同樁基參數(shù)對(duì)微型樁進(jìn)行對(duì)比試樁試驗(yàn)，樁長(zhǎng)選取2m、4m、6m，混凝土類型選取C20、C30、C40。為簡(jiǎn)化試樁試驗(yàn)程序，減少試樁數(shù)量，按照先確定樁長(zhǎng)、再確定樁身混凝土類型的方式進(jìn)行試驗(yàn)。在每組試樁成樁且強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，在距離微型樁2m位置處設(shè)置反力墩，將千斤頂設(shè)置在微型樁與反力墩之間，采用千斤頂對(duì)微型樁施加水平力的方式進(jìn)行樁基側(cè)向靜載試驗(yàn)。并在千斤頂與微型樁間加設(shè)球鉸支座作為接觸裝置，以保證千斤頂施加的側(cè)向力能夠水平通過(guò)樁身軸線，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置如圖1所示[]。采用慢速維持荷載法進(jìn)行分級(jí)加載。分級(jí)荷載為最大加載量或預(yù)估極限承載力的1/10，其中第一級(jí)取分級(jí)荷載的2倍，當(dāng)試樁位移相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，施加下一級(jí)荷載。其中試樁位移相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每1h內(nèi)的樁頂位移量不超過(guò)0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次。若出現(xiàn)樁身折斷、水平位移超過(guò)30～40mm、水平位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水平位移容許值，則終止試驗(yàn)。通過(guò)百分表測(cè)定微型樁側(cè)向位移量，繪制微型樁的Q-s曲線以判定試樁的承載能力[]。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)每組試樁繪制的Q-s曲線進(jìn)行分析，考慮光伏支架施工對(duì)水平偏差的要求，將位移量限值設(shè)定為10mm。若位移量超過(guò)10mm，則微型樁無(wú)法再繼續(xù)承載，將此時(shí)的側(cè)向荷載作為水平承載力限值。

2.2.1 樁長(zhǎng)對(duì)側(cè)向承載能力的影響

為探究樁長(zhǎng)對(duì)微型樁側(cè)向承載能力的影響，選取C20混凝土鉆孔制成2m、4m、6m樁長(zhǎng)的微型樁，并對(duì)其進(jìn)行側(cè)向靜載試驗(yàn)，得到Q-s曲線，如圖2所示。受環(huán)境因素、施工因素等的影響，3種工況下的Q-s隨試驗(yàn)荷載增加，位移量均呈現(xiàn)出不平滑的拋物線增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)前期荷載加載量較小時(shí)，樁周土處于彈性變形階段，隨荷載進(jìn)一步增加，樁周土發(fā)生彈塑性變形，壓縮變形量進(jìn)一步增加，此時(shí)微型樁開始發(fā)生側(cè)向位移。由圖2可知，隨著樁長(zhǎng)加深，微型樁的側(cè)向承載能力逐步提高。樁長(zhǎng)從2m增至4m，再到6m，微型樁水平承載能力增幅分別為4.8%，1.7%?？紤]項(xiàng)目所在地風(fēng)荷載產(chǎn)生的側(cè)向力水平，為節(jié)省施工成本，將微型樁施工樁長(zhǎng)設(shè)置為2m即可滿足使用需求，此時(shí)微型樁的側(cè)向承載力約為70.94kN。

2.2.2 混凝土性能對(duì)側(cè)向承載能力的影響

為探究混凝土性能對(duì)微型樁側(cè)向承載能力的影響，在確定微型樁樁長(zhǎng)為2m的基礎(chǔ)上，選取C20、C30、C40這3種混凝土類型進(jìn)行側(cè)向承載力靜載試驗(yàn)。由于已對(duì)“2m-C30”試樁進(jìn)行了試驗(yàn)，此階段只需要進(jìn)行兩次試樁試驗(yàn)即可?；炷列阅軐?duì)微型樁Q-s曲線的影響如圖3所示，由圖3可知，微型樁的水平承載能力隨著混凝土性能提升而提高，當(dāng)混凝土性能從C20變化為C30和C40時(shí)，其水平承載能力增幅分別為6.8%，3.5%。由于微型樁施工場(chǎng)址處主要為硬塑粉質(zhì)黏土層，為減少地層對(duì)側(cè)向承載能力的影響，混凝土類型選取C30，此時(shí)混凝土側(cè)向承載能力為71.9kN?；炷列阅懿⒉挥绊懰匠休d能力提升，選取C30混凝土的優(yōu)勢(shì)是進(jìn)一步提升微型樁的抗彎性能，降低微型樁表面混凝土在水平力作用下開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3 微型樁側(cè)向承載數(shù)值分析

3.1 分析模型建立

根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，利用Midas建立樁土模型對(duì)微型樁側(cè)向承載進(jìn)行有限元模擬分析，模型具體參數(shù)見表1 樁土模型參數(shù)。為消除邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，模型尺寸選取20倍樁徑（?250mm），模型深度選取3倍樁長(zhǎng)（2m），即建立5m×5m×6m的樁土模型[]。

由于施工及環(huán)境因素復(fù)雜，因此模型分析基于以下假定。1）模型單元均由連續(xù)、均質(zhì)材料構(gòu)成，各向力學(xué)性質(zhì)相同。2）硬塑粉質(zhì)黏土在實(shí)際工程中，受荷載作用，并非只發(fā)生彈性變形。因此采用Mohr-Coulomb模型模擬硬塑粉質(zhì)黏土的彈塑性行為。3）微型樁底部嵌固于土體中，樁頂露出地面50cm?？蓪锻琳w模型邊界條件視為理想的土體底部Z向豎直固定約束，土體側(cè)面水平X、Y向水平約束為樁頂自由端邊界條件。

采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，共建立實(shí)體單元38820個(gè)。為保證模擬精度，將圓形樁基截面劃分為36個(gè)扇形截面網(wǎng)格，同步細(xì)化樁土接觸界面網(wǎng)格。將樁頂中心耦合為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并將其作為側(cè)向荷載作用點(diǎn)。樁土模型如圖4所示。

3.2 模擬分析驗(yàn)證

3.2.1 側(cè)向撓曲變形分析

為模擬加載過(guò)程，在樁頂耦合節(jié)點(diǎn)處逐步增加水平荷載強(qiáng)度，得到樁土模型X-Y向位移云圖，如圖5所示。微型樁由于其長(zhǎng)細(xì)比較大，自身剛度較小，因此受到側(cè)向荷載作用時(shí)，樁身容易發(fā)生撓曲變形，當(dāng)水平荷載加載約73.4kN時(shí)，位移量約為10.06mm，將此時(shí)視為微型樁的水平承載能力極限，因試驗(yàn)精度、工程實(shí)際偏差的影響，與試驗(yàn)結(jié)果相比，水平向承載能力相差約2%，試驗(yàn)與模擬結(jié)果基本一致。由圖5可知，微型樁一端嵌固于土體中，一端為自由端，使其樁頂產(chǎn)生的位移最大，且隨深度增加，微型樁水平位移逐步減少。且隨水平向荷載逐步增加，不同樁深處的水平位移變化量也不同，呈現(xiàn)出深度越大，位移變化越慢的規(guī)律。由于微型樁樁徑小，因此與樁周土的接觸面也較小[]。樁周土受到微型樁傳遞來(lái)的水平向荷載后，發(fā)生彈性變形，當(dāng)荷載逐步增加，樁周土進(jìn)一步壓縮，出現(xiàn)彈塑性變形。越靠近微型樁，樁周土壓縮變形量越大。在工程實(shí)際中，微型樁受到水平荷載作用，微型樁樁身出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)或者撓曲，造成樁體發(fā)生水平位移。樁周土體一側(cè)壓縮，另一側(cè)土體與微型樁發(fā)生脫離，使樁體松動(dòng)，最終導(dǎo)致光伏支架破壞。

3.2.2 微型樁承載特性分析

承載極限狀態(tài)下樁土X-Y向應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)微型樁在水平荷載作用下發(fā)生10mm位移變形時(shí)，微型樁發(fā)生側(cè)向撓曲變形，在地面上約10cm的樁身表面產(chǎn)生最大應(yīng)力約為3.7MPa?；炷烈粋?cè)受拉一側(cè)受壓，導(dǎo)致受壓側(cè)樁周土發(fā)生壓縮變形，受拉側(cè)樁周土與樁體發(fā)生脫離。若外部水平荷載繼續(xù)增加或水平外力持續(xù)加載，微型樁一側(cè)混凝土繼續(xù)承受拉應(yīng)力，一側(cè)承受壓應(yīng)力，則造成樁身外露段混凝土表面出現(xiàn)破壞，且樁周土體承載不均，會(huì)加深土體不均勻沉降，從而導(dǎo)致固定式光伏支架傾角改變，降低光伏發(fā)電效率[]。

4 結(jié)論

通過(guò)靜載試驗(yàn)與有限元模擬對(duì)微型樁在硬塑粉質(zhì)黏土層的側(cè)向承載能力進(jìn)行分析研究，得到以下結(jié)論。1）通過(guò)加深樁長(zhǎng)、提升樁體混凝土性能均可提升微型樁的側(cè)向承載能力，由于試驗(yàn)精度、工程實(shí)際偏差的影響，因此靜載試驗(yàn)和有限元模擬的側(cè)向承載能力值相差約2%。2）施工選用長(zhǎng)2m的C30混凝土微型樁作為光伏支架樁基礎(chǔ)，可達(dá)到71.9kN的側(cè)向承載能力，可滿足光伏發(fā)電場(chǎng)址處光伏支架抵抗風(fēng)荷載的需求。

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