冻土地区光伏支架基础的设计方案研究

      光伏支架基础的作用是为了支撑与其连接的光伏支架及光伏组件，光伏组件通过螺栓或压块与光伏支架连接。目前较为普遍的光伏支架基础主要有：混凝土独立基础、混凝土条形基础、螺旋钢管桩基础、混凝土桩基础、预应力混凝土管桩(PHC) 基础、微孔灌注桩基础[1]。冻土地区一般具有以下气候和地质特性：

      1)冬季气温较低，一般最低温度在-20 ℃以下；

      2)土质为强冻胀土或特强冻胀土，如黏土、粉质黏土等；

      3) 地下水较丰富且水位较高。在地下水丰富且水位较高的条件下，对于需要现浇筑混凝土的混凝土独立基础、混凝土桩基础、微孔灌注桩基础而言，施工难度较大，且冻土地区的冬季气温比较低，混凝土浇筑及养护质量难以保证。而混凝土条形基础更适合场地平整、地下水位较低的地区( 如荒漠)，在冻土地区，该类基础易出现不均匀抬升、倾斜的情况。螺旋钢管桩基础的造价较高，并且也不适用于强腐蚀环境及流动性淤泥土质。

      综上分析，在冻土地质条件下，考虑到经济性及施工便利性，在采取必要的减小桩长来防冻胀的前提下，PHC 基础是较为合适的光伏支架基础[2]。下文以东北地区某光伏项目为例，分析冻土地质条件下PHC 基础的受力，以及防止其不均匀冻胀抬升的措施。

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      在冻胀力作用下，PHC 基础在桩长方向主要承受荷载(PHC 上部支架重量、组件重量及PHC 自重等)、冻土对PHC 的切向冻胀力、冻土层以下土体对PHC 的锚固力。从受力分析来看，在强冻胀土或特强冻胀土地区，当冻深较深时，完全依靠PHC 锚固来避免不均匀冻胀抬升是不经济的。

      根据地勘报告，东北地区某光伏项目所在地的标准冻深为2.0 m，在标准冻深范围内，土层从上往下依次为表层耕土、黏土、粉质黏土，这些土层均为强冻胀土或特强冻胀土；项目所在地的地下水位为-1.0～-0.5 m。项目初步选择桩径为300 mm 的PHC 作为光伏支架基础。在冬季条件下，为抵抗冻胀上拔力，根据JGJ118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》[3] 对桩基础进行稳定性验算：

      式中，τdk,i 为第i 层土中单位切向冻胀力的标准值，kPa；可在桩身侧面埋设应力计实测得到，也可参照规范附录C 中表C.1.1 的规定取值；在同一冻胀土类别中，含水率高者取大值；本项目是按照规范的规定取值。Aτ,i 为与第i 层土冻结在一起的桩的表面积，㎡；Gk 为作用在桩基础上荷载的标准值，kN，包括桩基础自重、上部组件重量、支架重量等，若桩基础在地下水中，则取浮重度；Rta 为桩基础深入冻胀土层之后地基所产生的锚固力特征值，kN。

      对于本项目中的季节性冻土地基而言，PHC基础侧面与冻土之间的Rta 其实为摩阻力，可参照JGJ 118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》[3] 中的C.1.1-2 进行计算，即：

      式中，qsa,i 为第i 层内的土与桩侧表面的摩阻力特征值，kPa，按照桩基受压状态进行取值，在缺少试验资料时可按JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》[4] 的规定确定；Aq,i 为第i 层土内桩的侧表面积，㎡。本项目按照上述公式进行计算，光伏支架PHC 基础在地表以下的埋深至少需要7 m，这对于一个光伏项目而言，成本非常高。而在非冻土季节，满足控制荷载( 风荷载) 作用时，PHC 基础在地表以下的埋深只需要2 m。不是通过PHC基础伸入冻胀土层之下来增大锚固力，而是采取减小冻土对桩的切向冻胀力这一措施，如此可大幅缩减桩长[5]。

3.1 防止PHC 基础不均匀冻胀抬升的主要措施

      减小切向冻胀力对桩体的作用是防止PHC 基础因冻胀而抬升的关键。可在设计冻深范围内，采取措施避免PHC 基础与特强冻土直接接触，以减小冻土对桩的切向冻胀力。本项目经过实践发现，在冻土层的桩周回填弱冻胀性的中粗砂作为隔离层，可减小桩周土对桩体的切向冻胀力。

      经过进一步计算发现，本项目地表以下2.0 m范围的桩周土采取先引孔后回填弱冻胀性中粗砂的措施后，所需桩长短，地表以下桩长埋深3m 即可满足设计要求。具体施工方法为：先用钻机引孔，钻头比桩径大10～20 cm，引孔完成后再用静压锤将已涂刷沥青的PHC沉至设计标高。为避免塌孔，沉桩完成后需立即在桩周范围回填中粗砂至密实状态，密压实系数不小于0.94，必要时可插入振捣棒振动密实。

3.2 其他解决PHC 基础不均匀冻胀抬升的措施

      采取引孔回填中粗砂及涂刷沥青的防冻胀措施基本能解决PHC 基础大范围不均匀冻胀抬升的问题。但对于一些地质变化较大的区域，一些PHC 仍可能出现小量的不均匀冻胀抬升现象，进而导致支架和组件变形。对于该类问题，可采取减小每组支架的PHC 基础数量和采用可调节高度的支架的措施来解决。

      1) 减小每组支架的PHC 基础数量，从而降低PHC 基础不均匀冻胀抬升发生的概率。在每组串为20 块组件的情况下， 采用4 根PHC 作为基础较为经济，且发生不均匀冻胀抬升的概率也较低。也可以采用2 组独立支架及基础支撑组串，即每10 块组件由2 根PHC基础支撑，这样可进一步降低每根PHC 基础不均匀冻胀抬升的概率。但该方案会增加一定的支架工程量，且该增量大小需视具体情况复核确定。

      2) 采用可调节高度的支架，即支架设计为与桩抱箍固定的形式。在个别桩发生冻胀时，可通过调节抱箍式支架的高度来调平支架及组件，避免支架和组件的变形破坏。

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