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季节性冻土区光伏支架钢桩基础承载特性的试验研究

2024-10-31 0 上传者：管理员

摘要：在季节性冻土区的光伏发电项目建设过程中，冻土的冻胀融陷作用常严重弱化光伏支架桩基础的承载力。依托某拟建于季节性冻土区的光伏电站，通过现场试桩试验，分析了单根钢桩竖向抗拔静载试验、水平静载的试验结果，系统分析了不同桩型、桩深的承载特性，并判断是否符合设计标准；提出“引孔+回填”施工工艺，研究其对钢桩基础抗拔承载力的提升效果。试验结果表明：引孔后回填砂和水泥至孔深90%的施工工艺对光伏支架桩基础的极限抗拔承载力提升效果最优。以期试验结果为类似光伏支架桩基础工程提供参考和借鉴。

关键词：
光伏支架
季节性冻土
承载力
现场试验
钢桩基础
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近年来，随着可再生能源需求的日益增长，光伏发电技术受到了广泛的关注[1-2]。尤其是在“双碳”目标的推动下，中国光伏产业逐步向太阳能资源丰富、海拔较高的西部高原山区扩展。然而，在西部高原山区广泛分布着季节性冻土；其冻胀融陷特性会严重影响光伏电站中光伏支架桩基础的承载性能[3-4]。光伏支架桩基础承担着支撑其上部结构、抵抗风荷载等任务，尽管其成本在光伏发电项目总成本中的占比不大，但其却支撑着占项目总成本60%的光伏组件。因此，对季节冻土区光伏支架桩基础承载特性进行研究具有重要的实际意义。

光伏支架桩基础属于微型桩的范畴，国内外学者已针对微型桩的承载特性开展了试验研究。例如：吕凡任等[5]通过在软土地基上进行微型桩的单桩、群桩的抗压和抗拔现场试验，研究了其荷载-沉降特性，并探讨了群桩效应、施工工艺对微型桩的设计参数的影响；Yang等[6]通过现场足尺试验，研究了两根H型钢桩在密实砂土中的受力特性及其荷载传递机制；苏荣臻等[7]通过现场试验，研究了微型桩的水平承载力与变形特性；宗钟凌等[8]通过现场桩基承载力试验，研究了压力注浆工艺和注浆体积比对微型桩抗拔极限承载力的影响。此外，部分学者也借助现场试验和数值模拟等手段研究了冻土区微型桩的承载特性。例如：陈然[9]通过数值模拟分析了冻土区螺旋桩的受力规律，以及桩周土的变化及其影响范围；孟凯[10]则借助有限元软件，模拟了季节性冻土区光伏支架螺旋桩在季节性冻融期荷载作用下的受力、位移等特征，并讨论了桩深、桩型等参数对其抗冻拔性能的影响。

综上所述，目前针对季节性冻土区光伏支架桩基础承载特性的研究还相对较少，鲜有研究关注如何提升其承载力。鉴于此，本文依托拟建于某季节性冻土区的光伏电站，通过现场试桩试验，对季节冻土区光伏支架桩基础采用钢桩时的承载特性进行系统研究；同时，针对桩基础承载力不足的问题，提出基于“引孔+回填”的施工工艺，并探究其对桩身承载力的提升效果。以期为建设于季节性冻土区的光伏电站的光伏支架桩基础工程提供参考和借鉴。

1、工程概况

本拟建光伏电站位于四川省甘孜藏族自治州，场地为高原山地地貌，四周无遮挡，海拔为4000～4600 m。该区域季节性冻土广泛发育(如图1所示)，标准冻深取80 cm。

场地内各土层的力学参数如表1所示。表中：γ为容重；c为粘聚力；φ为内摩擦角。场地浅表层(即表1中的①层)主要由第四系冲洪积物高原草甸土和碎石土层构成。高原草甸土层的结构松散，主要包括根植层、有机质土层和粉质黏土层，整体厚度为0.1～1.0 m；碎石土层中碎石含量较高，通常整体厚度为3.0～4.0 m，其典型工程地质剖面图如图2所示。场地内主要土层为三叠系砂岩、板岩层(即表1中的②层)，现场地质调查和钻孔结果表明，该层分为强风化和中风化两个亚层。碎石土层及砂岩、板岩层为光伏支架桩基础的主要持力层。

图1 场地内地表冻融现象

表1 场地内各土层的力学参数

图2 碎石土层的典型地质剖面图

光伏支架桩基础在打桩时，碎石土层会使钢桩较难打入，因此施工时会采用先引孔后入桩的策略。

由于拟建光伏电站场址覆盖高原山地的坡地及山顶缓坡区域，地势起伏。在地形较为平坦的区域，拟采用单立柱平单轴跟踪式光伏支架(下文简称为“单立柱平单轴光伏支架”)；而在地形较为陡峭的区域则采用双立柱固定式光伏支架，如图3所示。

图3 两种光伏支架及其桩基础的结果示意图(单位：mm)

2、现场试桩方案

2.1 单根钢桩的竖向抗拔静载试验

根据JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》[11]，单根钢桩(下文简称为“单桩”)竖向抗拔静载试验采用慢速维持荷载法逐级加载和卸载，以测得在每级荷载作用下的上拔量。分级荷载设定为预估极限荷载的1/10，最大加载量应不少于设计单桩竖向抗拔承载力特征值的2倍，其中第1级荷载取分级荷载的2倍，桩身达到破坏状态时停止加载，加载装置结构示意图及现场安装图如图4所示。

图4 单桩抗拔静载试验加载装置的结构示意图及现场安装图

本项目中，双立柱固定式光伏支架的桩基础采用型号为W6×6.2的H型钢桩(尺寸为146mm×95 mm×3.2 mm×4 mm)；单立柱平单轴光伏支架桩基础采用型号为I20a的H型钢桩(尺寸为200 mm×100 mm×7 mm×11.4 mm)，桩基础施工方式采用先引孔后回填原状土至孔深的90%。根据地勘报告，不同区域土质覆盖层厚度存在差异，因此本文选取场地中分布在不同区域的10根钢桩作为试验桩，10根试验桩的桩深如表2所示，其中1～7号试验桩的桩型均为W6×6.2,8～10号试验桩的桩型均为I20a。

表2 竖向抗拔静载试验的试验桩桩深

2.2 单桩水平静载试验

单桩水平静载试验由机械装置提供反力，荷载通过油压千斤顶施加，荷载值由油压表量测，试验点的水平位移量分别通过安装在距桩顶平面100、200、300、400 mm的百分表量测，采用慢速维持荷载法逐级加载和卸载。选用2根钢桩作为试验桩进行试验，试验装置结构图如图5所示，试验桩参数如表3所示。

图5 水平静载试验装置结构图

表3 水平静载试验的试验桩参数

3、试验结果分析

3.1 单桩竖向抗拔承载力

单桩竖向抗拔静载试验结果如表4所示。

表4 单桩竖向抗拔静载试验结果

1～7号试验桩对应双立柱固定式光伏支架桩顶荷载-桩身位移(Q-S)曲线如图6a所示；8～10号试验桩对应单立柱平单轴光伏支架Q-S关系曲线如图6b所示。从图6可以看出，桩身在达到极限承载力之后均发生破坏。

将表4中的试验结果与NB/T 10115—2018[12]《光伏支架结构设计规程》中单桩竖向承载力特征值设计值(考虑冻拔效应)进行对比后发现：除4、8、9、10号试验桩外，其余试验桩均满足设计要求，位移最大值为6号试验桩的3.47 mm，这表明当前所选桩型及桩深设置尚无法完全满足项目全部区域的桩基础抗拔承载力要求，桩基设计还需进一步改进。

图6 单桩抗拔静载试验Q-S曲线

由图6a可以看出：各试验桩的Q-S曲线基本呈缓变型，在施加到1级荷载(Q=3.84 kN)时，桩顶位移量较小且十分接近，显现出一定的线弹性阶段特性。在之后的加载中，随着荷载的增加，曲线逐渐变陡且呈非线性特征，位移量增速变快，直至桩身最终破坏，破坏时各桩的桩顶位移均不超过3.50 mm。对比双立柱固定式光伏支架的1～3号桩与5～7号桩可知，单桩极限抗拔承载力并未随桩深的增加而呈现明显的提升。

由图6b可以看出：对单立柱平单轴光伏支架桩基础而言，8～10号桩的Q-S曲线基本呈缓变型，随着桩深的增加，桩的极限抗拔承载力呈先增加后趋向稳定的趋势，相比8号桩，9、10号桩的极限抗拔承载力有较大提升，桩顶位移也不断增加，最大位移量为10号桩3.22 mm。

3.2 水平承载力

光伏支架桩基础的水平静载试验结果如表5所示，试验中荷载加至光伏支架设计计算水平承载力理论值后，开始逐级卸载，此时2根试验桩均未达到破坏。

表5 单桩水平静载试验结果

11、12号试验桩的水平静载试验Q-S曲线如图7所示。

图7 单桩水平静载试验Q-S曲线

由图7可知：11、12号试验桩的水平静载Q-S曲线均为缓变型。其中，11号桩加至最大荷载(Q=7.34 kN)时，桩身受力点水平位移为2.82mm，卸载至0 k N时，桩身残余水平位移为0.90mm;12号桩加至最大荷载时，桩身受力点水平位移为10.29 mm，卸载至0 kN时，桩身残余水平位移为3.58 mm，回弹率为65.20%。尽管12号试验桩比11号试验桩的桩深长，但在加卸载过程中其桩身发生的整体水平位移均大于11号试验桩，这一结果表明该试验桩所在区域各层土体可能分布不均匀，这将影响桩的水平承载性能。

4、基于“引孔+回填”的桩基础优化设计

根据前文试验结果可知，H型钢桩的竖向抗拔及水平承载性能仅处于合格水平，为了进一步提升桩身的承载性能，本研究提出了采用“引孔+回填”施工工艺，即通过先引孔入桩、后回填砂石水泥混合骨料。

4.1 试验桩的试验方案

单立柱平单轴光伏支架采用桩型为I20a的H型钢桩作为试验桩进行试验，施工方式为“引孔+回填(引孔钻头型号为φ220)”，试验桩分布于3个区域，区域编号分别为A、B、C，每个区域采用不同的试验桩深度，分别采用原状土回填深度为孔深90%、砂和水泥回填深度为孔深50%、砂和水泥回填深度为孔深90%(水泥掺量都为15%)3种回填方式进行试验。试桩具体参数如表6所示。

表6 现场试桩参数

4.2 结果分析

优化设计后的单桩竖向抗拔静载试验具体试验结果如表7所示，Q-S关系曲线如图8所示。

结合表7和图8可知，在施工工艺相同的条件下，各试桩的Q-S关系曲线均为缓变型，桩基抗拔承载力随桩深的增加而增加。在加载的初始阶段，桩顶位移随荷载的增加逐渐增加，在加载至临近极限承载力时，曲线逐渐变陡，桩顶位移加速增加直至桩身破坏，最大上拔量出现在6号试验桩，为5.12 mm，且其极限抗拔承载力最高，为68.4 kN。

表7 优化设计后的单桩竖向抗拔静载试验结果

图8 单桩竖向抗拔静载试验Q-S曲线

将表7中的试验结果与根据规范计算得到的单桩竖向承载力特征设计值进行对比，得出以下结论：采用原状土回填深度为孔深90%施工方案时，满足设计值的桩占比为33.33%；采用砂和水泥回填深度为孔深50%施工方案时，满足设计值的桩占比为83.30%；采用砂和水泥回填深度为孔深90%施工方案时，各桩均满足设计值。这表明：当回填原状土时，桩基抗拔承载性能较弱，无法满足场地风雪荷载、冻拔效应等条件；当回填砂和水泥时，桩基抗拔承载力得到显著提升，随着回填深度的增加，桩基承载力虽进一步提升但幅度不大。不同施工工艺下桩基承载力提升效果的对比图如图9所示。

图9 施工工艺对比图

由图9可以看出：回填沙和水泥至孔深90%的施工工艺效果最优。

5、结论

本文通过现场试桩试验，研究了季节性冻土区光伏支架桩基础的承载特性，针对桩基础承载力不足的问题，提出了“引孔+回填”的施工工艺，验证了其对桩身承载力的提升效果，得出以下结论：

1)单桩抗拔静载试验结果显示，H型钢桩基础Q-S曲线整体呈缓变型，桩顶位移随荷载由线弹性阶段逐渐演变至加速破坏阶段，这表明，该场地的所选桩型及桩深布置尚无法完全满足项目全部区域的桩基础抗拔承载力要求。

2)单桩水平静载试验结果表明，钢桩基的水平荷载-水平位移曲线呈缓变型，且加载至水平承载力设计值时桩身未发生破坏，不同桩深对水平承载力的影响显著。

3)“引孔+回填”施工工艺对桩基抗拔承载性能提升显著。尤其是引孔后，回填砂和水泥至孔深90%的施工工艺对桩基础极限抗拔承载力提升效果最优。

综上所述，本研究不仅揭示了季节性冻土区光伏支架桩基础的承载特性，而且通过优化施工工艺，有效提升了桩基的承载力，为类似工程提供了宝贵的经验和参考。

参考文献:

[1]李美成,高中亮,王龙泽,等.“双碳”目标下我国太阳能利用技术的发展现状与展望[J].太阳能,2021(11):13-18.

[3]练文华,张晓平,吴爱萍,等.中国光伏装备制造业空间布局演化及影响因素分析[J].地理研究,2024,43(3):679-700.

[4]陈博,李建平.近50年来中国季节性冻土与短时冻土的时空变化特征[J].大气科学,2008,32(3):432-443.