摘 要：為確定沙丘地貌下適宜的光伏基礎(chǔ)形式，本文根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)常用的3種光伏樁基礎(chǔ)形式進(jìn)行綜合考慮，最終將PHC管樁作為光伏的基礎(chǔ)形式。為分析樁身水平承載力影響因素與設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)影響管樁水平承載力的管樁入土深度和自由端長(zhǎng)度進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，通過(guò)試驗(yàn)得到各因素對(duì)管樁水平承載力的影響曲線，并確定寧夏中衛(wèi)項(xiàng)目的施工參數(shù)。本文針對(duì)PHC管樁在施工中的控制要點(diǎn)進(jìn)行分析，不僅保證了光伏樁基的施工質(zhì)量，還為同類沙丘地貌下的光伏樁基施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：沙丘地貌；光伏發(fā)電；PHC管樁

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

在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，光伏發(fā)電技術(shù)因其清潔、可再生的特性而備受矚目。隨著光伏電站的大規(guī)模建設(shè)和發(fā)展，在各種復(fù)雜地形地貌下的基礎(chǔ)建設(shè)問(wèn)題逐漸凸顯，尤其是在沙丘地貌地質(zhì)條件下，沙丘地貌的土壤特性（例如松散性、流動(dòng)性以及低承載能力）會(huì)給光伏電站的基礎(chǔ)施工帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)，因此找到一種既經(jīng)濟(jì)又高效的基礎(chǔ)解決方案，成為目前施工面臨的首要難題。

PHC管樁因其卓越的承載性能和施工便捷性，逐漸成為沙丘地貌下光伏基礎(chǔ)建設(shè)的優(yōu)選方案[1]。在實(shí)際施工中，保障PHC管樁的有效承載力和施工質(zhì)量是目前面臨的重要難題。本文通過(guò)比選確定沙丘地貌下光伏的基礎(chǔ)形式，并通過(guò)模擬確定合適的施工方案以及研究施工細(xì)節(jié)，保證光伏基礎(chǔ)PHC管樁的施工質(zhì)量。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市騰格里沙漠東南部，地貌現(xiàn)狀以沙丘為主，地形起伏較大。設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)79500根，設(shè)置光伏組件413400塊，全部采用單晶硅575Wp組件。由于沙丘地貌具有特殊性，因此在保證施工質(zhì)量的前提下，選擇一種既經(jīng)濟(jì)又高效的基礎(chǔ)解決方案是基礎(chǔ)施工的重點(diǎn)。

2 光伏基礎(chǔ)選型

2.1 常用的光伏樁基礎(chǔ)形式

目前光伏樁基礎(chǔ)常用的類型主要包括螺旋鋼樁、混凝土灌注樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁3種[2]，各自的成樁工藝與優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

2.1.1 螺旋鋼樁

螺旋鋼樁是通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式將鋼樁旋入土壤中的樁基礎(chǔ)類型。它特別適用于土質(zhì)較為松軟或中等硬度的場(chǎng)地。這種樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)顯著，安裝速度快且施工效率高，對(duì)土壤的擾動(dòng)小，具有較好的環(huán)保性。更重要的是，螺旋鋼樁可回收再利用，符合綠色發(fā)展的理念。但是螺旋鋼樁不適合堅(jiān)硬或巖石地質(zhì)條件下的樁基施工，且其對(duì)生產(chǎn)廠商的要求較高，在某些地區(qū)會(huì)面臨實(shí)施困難的問(wèn)題。

2.1.2 混凝土灌注樁

混凝土灌注樁的成樁工藝是在地面鉆孔后，將混凝土灌入孔中形成樁身。在地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，可能需要在灌注過(guò)程中加入鋼筋籠提高樁身的承載力。這種樁基礎(chǔ)適用于各種地質(zhì)條件，尤其是土質(zhì)堅(jiān)硬或巖石層較淺的地區(qū)?；炷凉嘧兜闹饕獌?yōu)點(diǎn)是承載力高、穩(wěn)定性好，并且使用壽命長(zhǎng)。但施工周期相對(duì)較長(zhǎng)，同時(shí)施工過(guò)程中可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，例如噪聲和泥漿污染，而且成本相對(duì)較高。

2.1.3 預(yù)應(yīng)力混凝土（PHC）管樁

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（以下簡(jiǎn)稱PHC管樁）是采用先張法預(yù)應(yīng)力工藝和離心成型法制成的一種空心筒體細(xì)長(zhǎng)混凝土預(yù)制構(gòu)件。它作為建筑物或構(gòu)筑物的基礎(chǔ)，通過(guò)錘擊或靜壓方式沉入地下。PHC管樁在多種地質(zhì)條件下都適用，特別是在軟土地區(qū)具有較好的應(yīng)用效果。這種樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的承載力和抗裂性，施工速度快且效率高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。不過(guò)，它在堅(jiān)硬地質(zhì)條件下的施工難度較大，同時(shí)在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中需要小心處理，避免樁身?yè)p壞。

2.2 確定樁基礎(chǔ)形式

龍?jiān)粗行l(wèi)光伏項(xiàng)目的樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)選型需要綜合適用范圍、施工成本、施工效率、技術(shù)成熟度、節(jié)能環(huán)保5方面，其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

沙丘地貌通常具有沙層松散、承載能力低的特點(diǎn)，因此對(duì)樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和承載力要求較高。由表1可知，適合沙丘地貌條件下施工的是螺旋鋼樁和PHC管樁，但施工隊(duì)伍對(duì)螺旋鋼樁技術(shù)的掌握程度較低，且受限于施工場(chǎng)地附近無(wú)合適的生產(chǎn)廠商，因此選用PHC管樁作為光伏的基礎(chǔ)形式比較合適。

2.3 樁身水平承載力影響因素分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

樁身水平承載力是影響光伏基礎(chǔ)穩(wěn)定性和安全性的重要因素。在沙丘地貌下，樁身水平承載力的影響因素主要包括樁的截面剛度、材料強(qiáng)度、樁側(cè)土質(zhì)條件、樁的入土深度以及樁頂端自由段長(zhǎng)度等[3]，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工來(lái)說(shuō)，控制某些因素意義不大，因此本文用數(shù)值模擬的方法針對(duì)樁的入土深度以及樁頂端自由段長(zhǎng)度兩個(gè)因素進(jìn)行樁身水平承載力變化分析，以此指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

2.4 建立模擬分析模型

本文用ABAQUS軟件對(duì)PHC管樁進(jìn)行有限元模擬。在建模前，為保證結(jié)果的有效性與計(jì)算的快捷性，做出4種計(jì)算假定：土體均勻且各向同性；PHC管樁的混凝土與鋼筋能保持變形協(xié)調(diào)；不考慮施工過(guò)程中損失的預(yù)應(yīng)力；不考慮其他約束構(gòu)件對(duì)樁承載力的影響。

參考設(shè)計(jì)圖紙，PHC管樁外直徑為0.3m，樁長(zhǎng)為5m，入土深度為2.5m，樁頂端自由段長(zhǎng)度為2.5m，混凝土等級(jí)為C80。樁周土體模型長(zhǎng)寬取20倍PHC管樁直徑，土體深度為5m。網(wǎng)格均勻劃分，單元網(wǎng)格總數(shù)為12020個(gè)。其中，選用Mohr-Coulomb彈塑性模型作為土體本構(gòu)模型[4]，其中樁底端為固定約束，樁頂段為自由狀態(tài)。有限元模型如圖1所示。在模擬中，將水平荷載施加在樁頂中心點(diǎn)處，該點(diǎn)與樁頂?shù)谋韺玉詈线B接，通過(guò)點(diǎn)與面間的耦合作用，將水平荷載均勻分布在PHC管樁表層。

2.5 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證不同樁的入土深度以及樁頂端自由段長(zhǎng)度對(duì)樁身水平承載力的影響，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。采用控制變量法，基于上述試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母鲄?shù)取值，僅改變單一變量，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)確定以下試驗(yàn)方案。1）樁頂端自由段長(zhǎng)度為2.5m不變，入土深度變化。共設(shè)置4組，每組入土深度遞增1m，取值為1.5m～4.5m，水平荷載加載為0kN～14kN。2）樁入土深度為2.5m不變，樁頂端自由段長(zhǎng)度變化。共設(shè)置4組，每組長(zhǎng)度遞增1m，取值為0.5m～3.5m，水平荷載加載為0kN～20kN。

2.6 試驗(yàn)分析

在樁頂端自由段長(zhǎng)度取值不變的情況下，不同入土深度（L）對(duì)樁身水平承載力的影響曲線如圖2所示。

由圖2（a）可知，當(dāng)PHC管樁入土深度為1.5m時(shí)，其水平位移大于其他工況下的入土深度的位移，說(shuō)明該入土深度下的單樁水平承載力最小。對(duì)比不同入土深度在同一水平荷載下的水平位移可知，PHC管樁樁頂?shù)乃轿灰齐S著入土深度增加而減少，但入土深度大于2.5m后，其水平位移減少并不明顯，即入土深度大于2.5m后，PHC管樁的表現(xiàn)形式為剛性樁，由圖2（b）可知，在相同水平荷載下，入土深度為1.5m時(shí)，管樁沿樁身長(zhǎng)度方向的水平位移增長(zhǎng)速率不變。而入土深度大于2.5m后，水平位移沿樁頂?shù)綐抖朔较虻脑鲩L(zhǎng)速率變緩，樁端的水平位移接近零，是理想狀態(tài)。因此可以看出，PHC管樁入土深度越深，單樁水平承載力越大，但入土深度大于2.5m后，單樁水平承載力增長(zhǎng)明顯變緩，此時(shí)入土深度對(duì)單樁水平承載力的影響明顯變?nèi)?，因此建議PHC管樁入土深度值不小于2.5m。

在樁入土深度取值不變的情況下，不同自由段長(zhǎng)度（N）對(duì)樁身水平承載力的影響曲線如圖3所示。

由圖3（a）可知，PHC管樁自由段長(zhǎng)度對(duì)樁身水平承載力的影響明顯，樁頂水平位移隨著PHC管樁自由段長(zhǎng)度增加而減少，即樁身水平承載力隨著PHC管樁自由段長(zhǎng)度增加而減少，由圖3（b）可以更直觀看出在同水平荷載下，樁頂?shù)乃轿恢貌钪底兓^大，自由段長(zhǎng)度為0.5m時(shí)的位移差與自由段長(zhǎng)度為3.5m時(shí)的樁頂水平位移差值達(dá)到51mm，當(dāng)自由段長(zhǎng)度大于2.5m時(shí)，水平位移變化明顯，即自由段長(zhǎng)度越大，樁頂水平位移增長(zhǎng)趨勢(shì)越快，樁身水平承載力越低。因此，樁身水平承載力隨著PHC管樁自由段長(zhǎng)度增加而減少，當(dāng)自由段長(zhǎng)度大于2.5m時(shí)，樁身水平承載力變化明顯，因此建議PHC管樁自由段長(zhǎng)度不高于2.5m。

2.7 參數(shù)取值

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)M得到的結(jié)論與設(shè)計(jì)要求，將本項(xiàng)目PHC管樁的入土深度設(shè)計(jì)為2.5m，自由段長(zhǎng)度為1.5m。

3 PHC管樁施工控制要點(diǎn)

3.1 測(cè)量放線與樁位定位

當(dāng)測(cè)量放線時(shí)，應(yīng)設(shè)置控制樁與水準(zhǔn)點(diǎn)，并保證其位置不受打樁影響，通常是距離操作地點(diǎn)40m以外。為使樁位放樣準(zhǔn)確，須使用經(jīng)緯儀等精密儀器進(jìn)行復(fù)核，保證樁位的偏差在20mm以內(nèi)[5]。

3.2 豎樁與插樁

在豎樁和插樁過(guò)程中，應(yīng)使用直角坐標(biāo)法對(duì)樁位進(jìn)行二次復(fù)核，保證樁尖的中心點(diǎn)與樁位的偏差不超過(guò)20mm。同時(shí)，要檢查樁身的垂直度，其精度誤差應(yīng)小于樁長(zhǎng)的1%。

3.3 打樁或壓樁

在打樁或壓樁過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制錘擊力或壓樁力[6]。例如，當(dāng)使用錘擊法時(shí)，應(yīng)選擇合適的錘重和落距，避免過(guò)大的沖擊力對(duì)樁身造成損害；當(dāng)使用靜壓法時(shí)，應(yīng)控制壓樁速度和壓力，保證樁身平穩(wěn)下沉。此外，還須對(duì)樁身的垂直度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。

4 結(jié)論

本文對(duì)沙丘地貌下光伏基礎(chǔ)PHC管樁設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行研究，由研究結(jié)果可得出以下結(jié)論。1）螺旋鋼樁和PHC管樁適合沙丘地貌條件下的施工，但結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選用PHC管樁作為光伏的基礎(chǔ)形式是較為合適的。2）PHC管樁入土深度越深，單樁水平承載力越大，但當(dāng)入土深度大于2.5m時(shí)，單樁水平承載力增長(zhǎng)明顯變緩，此時(shí)入土深度對(duì)單樁水平承載力的影響明顯變?nèi)?，因此建議PHC管樁入土深度值不低于2.5m。3）樁身水平承載力隨著PHC管樁自由段長(zhǎng)度增加而減少，當(dāng)自由段長(zhǎng)度大于2.5m時(shí)，樁身水平承載力變化明顯，因此建議PHC管樁自由段長(zhǎng)度不高于2.5m。

參考文獻(xiàn)

[1]金愛云，孟令坤，白瑪南木加，等.西藏自治區(qū)超高海拔牧區(qū)光伏支架樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量控制研究[J].太陽(yáng)能，2024（2）：17-28.

[2]侯獻(xiàn)業(yè).漁光互補(bǔ)光伏項(xiàng)目PHC管樁沉樁時(shí)斷樁問(wèn)題研究[J].建筑機(jī)械化，2024，45（2）：70-74.

[3]莫桂梅，李杰生，余友誼，等.PHC樁支架結(jié)構(gòu)形式在山地光伏中的應(yīng)用分析[J].城市建筑，2023，20（20）：177-180.

[4]王岷.山地光伏支架基礎(chǔ)施工異常情況處理[J].水利水電快報(bào)，2022，43（增刊2）：55-58.

[5]張?jiān)ゴǎ炜宋?，呂?guó)順，等.水平-豎向耦合荷載下單樁承載性狀數(shù)值分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（3）：183-188.

[6]趙升峰，黃廣龍，章新，等.南京砂性土地區(qū)預(yù)制管樁抗拔承載特性試驗(yàn)研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，36（3）：145-150.