凍土地區(qū)光伏支架基礎(chǔ)的設(shè)計方案研究

:解決光伏支架基礎(chǔ)的不均勻凍脹抬升問題是凍土地區(qū)開發(fā)建設(shè)光伏項目的重點與難點。該文結(jié)合東北地區(qū)某光伏項目在凍土地質(zhì)條件下的光伏支架基礎(chǔ)的設(shè)計方案，通過從基礎(chǔ)類型選擇、基礎(chǔ)切向凍脹力減小措施、抱箍式可調(diào)節(jié)高度支架設(shè)計等方面進行研究，解決了支架基礎(chǔ)因不均勻凍脹抬升對光伏組件造成破壞的問題，提出了一套防止凍土地區(qū)光伏支架基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的基本可行的設(shè)計方案。

（來源：微信公眾號“太陽能雜志”ID：tynzz1980）

1 適用于凍土地區(qū)的光伏支架基礎(chǔ)分析

光伏支架基礎(chǔ)的作用是為了支撐與其連接的光伏支架及光伏組件，光伏組件通過螺栓或壓塊與光伏支架連接。目前較為普遍的光伏支架基礎(chǔ)主要有：混凝土獨立基礎(chǔ)、混凝土條形基礎(chǔ)、螺旋鋼管樁基礎(chǔ)、混凝土樁基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC) 基礎(chǔ)、微孔灌注樁基礎(chǔ)[1]。凍土地區(qū)一般具有以下氣候和地質(zhì)特性：

1)冬季氣溫較低，一般最低溫度在-20 ℃以下；

2)土質(zhì)為強凍脹土或特強凍脹土，如黏土、粉質(zhì)黏土等；

3) 地下水較豐富且水位較高。在地下水豐富且水位較高的條件下，對于需要現(xiàn)澆筑混凝土的混凝土獨立基礎(chǔ)、混凝土樁基礎(chǔ)、微孔灌注樁基礎(chǔ)而言，施工難度較大，且凍土地區(qū)的冬季氣溫極低，混凝土澆筑及養(yǎng)護質(zhì)量難以保證。而混凝土條形基礎(chǔ)更適合場地平整、地下水位較低的地區(qū)( 如荒漠)，在凍土地區(qū)，該類基礎(chǔ)易出現(xiàn)不均勻抬升、傾斜的情況。螺旋鋼管樁基礎(chǔ)的造價較高，并且也不適用于強腐蝕環(huán)境及流動性淤泥土質(zhì)。

綜上分析，在凍土地質(zhì)條件下，考慮到經(jīng)濟性及施工便利性，在采取必要的減小樁長來防凍脹的前提下，PHC 基礎(chǔ)是較為合適的光伏支架基礎(chǔ)[2]。下文以東北地區(qū)某光伏項目為例，分析凍土地質(zhì)條件下PHC 基礎(chǔ)的受力，以及防止其不均勻凍脹抬升的措施。

2 凍土地質(zhì)條件下PHC 基礎(chǔ)的受力分析

在凍脹力作用下，PHC 基礎(chǔ)在樁長方向主要承受永久荷載(PHC 上部支架重量、組件重量及PHC 自重等)、凍土對PHC 的切向凍脹力、凍土層以下土體對PHC 的錨固力。從受力分析來看，在強凍脹土或特強凍脹土地區(qū)，當最大凍深較深時，完全依靠PHC 錨固來避免不均勻凍脹抬升是不經(jīng)濟的。

根據(jù)地勘報告，東北地區(qū)某光伏項目所在地的標準凍深為2.0 m，在標準凍深范圍內(nèi)，土層從上往下依次為表層耕土、黏土、粉質(zhì)黏土，這些土層均為強凍脹土或特強凍脹土；項目所在地的地下水位為-1.0～-0.5 m。項目初步選擇樁徑為300 mm 的PHC 作為光伏支架基礎(chǔ)。在冬季條件下，為抵抗凍脹上拔力，根據(jù)JGJ118-2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3] 對樁基礎(chǔ)進行穩(wěn)定性驗算：

式中，τdk,i 為第i 層土中單位切向凍脹力的標準值，kPa；可在樁身側(cè)面埋設(shè)應(yīng)力計實測得到，也可參照規(guī)范附錄C 中表C.1.1 的規(guī)定取值；在同一凍脹土類別中，含水率高者取大值；本項目是按照規(guī)范的規(guī)定取值。Aτ,i 為與第i 層土凍結(jié)在一起的樁的表面積，㎡；Gk 為作用在樁基礎(chǔ)上永久荷載的標準值，kN，包括樁基礎(chǔ)自重、上部組件重量、支架重量等，若樁基礎(chǔ)在地下水中，則取浮重度；Rta 為樁基礎(chǔ)深入凍脹土層之后地基所產(chǎn)生的錨固力特征值，kN。

對于本項目中的季節(jié)性凍土地基而言，PHC基礎(chǔ)側(cè)面與凍土之間的Rta 其實為摩阻力，可參照JGJ 118-2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3] 中的C.1.1-2 進行計算，即：

式中，qsa,i 為第i 層內(nèi)的土與樁側(cè)表面的摩阻力特征值，kPa，按照樁基受壓狀態(tài)進行取值，在缺少試驗資料時可按JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4] 的規(guī)定確定；Aq,i 為第i 層土內(nèi)樁的側(cè)表面積，㎡。本項目按照上述公式進行計算，光伏支架PHC 基礎(chǔ)在地表以下的埋深至少需要7 m，這對于一個光伏項目而言，成本非常高。而在非凍土季節(jié)，滿足控制荷載( 風荷載) 作用時，PHC 基礎(chǔ)在地表以下的埋深只需要2 m。不是通過PHC基礎(chǔ)伸入凍脹土層之下來增大錨固力，而是采取減小凍土對樁的切向凍脹力這一措施，如此可大幅縮減樁長[5]。

3 防止PHC 基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的措施

3.1 防止PHC 基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的主要措施

減小切向凍脹力對樁體的作用是防止PHC 基礎(chǔ)因凍脹而抬升的關(guān)鍵?？稍谠O(shè)計凍深范圍內(nèi)，采取措施避免PHC 基礎(chǔ)與特強凍土直接接觸，以減小凍土對樁的切向凍脹力。本項目經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，在凍土層的樁周回填弱凍脹性的中粗砂作為隔離層，可減小樁周土對樁體的切向凍脹力。

經(jīng)過進一步計算發(fā)現(xiàn)，本項目地表以下2.0 m范圍的樁周土采取先引孔后回填弱凍脹性中粗砂的措施后，所需樁長最短，地表以下樁長埋深3m 即可滿足設(shè)計要求。具體施工方法為：先用鉆機引孔，鉆頭比樁徑大10～20 cm，引孔完成后再用靜壓錘將已涂刷瀝青的PHC沉至設(shè)計標高。為避免塌孔，沉樁完成后需立即在樁周范圍回填中粗砂至密實狀態(tài)，密壓實系數(shù)不小于0.94，必要時可插入振搗棒振動密實。

3.2 其他解決PHC 基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的措施

采取引孔回填中粗砂及涂刷瀝青的防凍脹措施基本能解決PHC 基礎(chǔ)大范圍不均勻凍脹抬升的問題。但對于一些地質(zhì)變化較大的區(qū)域，一些PHC 仍可能出現(xiàn)小量的不均勻凍脹抬升現(xiàn)象，進而導(dǎo)致支架和組件變形。對于該類問題，可采取減小每組支架的PHC 基礎(chǔ)數(shù)量和采用可調(diào)節(jié)高度的支架的措施來解決。

1) 減小每組支架的PHC 基礎(chǔ)數(shù)量，從而降低PHC 基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升發(fā)生的概率。在每組串為20 塊組件的情況下， 采用4 根PHC 作為基礎(chǔ)較為經(jīng)濟，且發(fā)生不均勻凍脹抬升的概率也較低。也可以采用2 組獨立支架及基礎(chǔ)支撐組串，即每10 塊組件由2 根PHC基礎(chǔ)支撐，這樣可進一步降低每根PHC 基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的概率。但該方案會增加一定的支架工程量，且該增量大小需視具體情況復(fù)核確定。

2) 采用可調(diào)節(jié)高度的支架，即支架設(shè)計為與樁抱箍固定的形式。在個別樁發(fā)生凍脹時，可通過調(diào)節(jié)抱箍式支架的高度來調(diào)平支架及組件，避免支架和組件的變形破壞。

4 結(jié)論

通過對凍土地區(qū)的光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計進行分析發(fā)現(xiàn)，采取對凍深范圍內(nèi)的樁周土回填中粗砂的方式能夠減小凍土對PHC基礎(chǔ)的切向凍脹力，從而大幅減小PHC 的設(shè)計長度，節(jié)約工程造價。此外，通過控制每組支架的PHC 基礎(chǔ)數(shù)量及采用抱箍式可調(diào)節(jié)高度的支架，能進一步解決部分PHC 基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻凍脹抬升從而對組件造成破壞的問題。

本文中計算回填后中粗砂對樁體的切向凍脹力參考了JGJ 118-2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》附錄表C.1.1[3] 切向凍脹力標準值中的弱凍脹土取值，由于光伏組件與建筑地基基礎(chǔ)存在一些差異，中粗砂對樁周土的切向凍脹力的際大小需根據(jù)項目的實際情況，通過試驗確定更為準確。通過項目初步試驗，回填中粗砂對樁的切向凍脹力與引孔回填的孔徑大小、中粗砂本身凍脹特性、密實度、含水量及樁身側(cè)表面粗糙程度等有關(guān)。

對于光伏支架基礎(chǔ)而言，在保證大幅消減凍脹力的前提下，還要使方案具有經(jīng)濟性，并便于施工。因此，對于減小樁身切向凍脹力時選擇的回填材料仍可進一步分析研究。試驗表明，在樁周涂刷1～2 cm 的瀝青的材料也可較好地消減切向凍脹力，具體涂刷瀝青厚度應(yīng)根據(jù)不同工程地質(zhì)條件及環(huán)境溫度來確定。

中國三峽新能源公司東北分公司 ■ 胡德芳* 高俊松

來源：《太陽能》雜志2019 年第10 期( 總第306 期)P53-56

原標題:凍土地區(qū)光伏支架基礎(chǔ)的設(shè)計方案研究