預鉆孔螺旋鋼管樁在國家風光儲輸示范項目中的應用

上海電力設計院有限公司 ■ 章榮國

預鉆孔螺旋鋼管樁在國家風光儲輸示范項目中的應用

上海電力設計院有限公司 ■ 章榮國

結合國家風光儲輸示范項目具體情況，對采用預鉆孔螺旋鋼管樁光伏組件支架基礎進行選型分析，介紹了預鉆孔螺旋鋼管樁基礎的理論計算，并對理論計算結果與現場測試結果進行對比，結果表明兩者具有較好的一致性；同時，本文也給出了幾種典型的預鉆孔螺旋鋼管樁節點詳圖和相關技術要求。

光伏組件支架基礎；預鉆孔；螺旋鋼管樁；灌漿

0　引言

國家風光儲輸示范工程一期光伏發電建設容量為40 MW，為配合項目整體的聯調，盡早實現并網發電，光伏電站的建設工期相當緊張。光伏組件支架基礎施工是影響光伏電站建設的關鍵因素，傳統的光伏組件支架基礎主要有鋼筋混凝土擴展基礎、鋼筋混凝土灌注樁基礎。由于受本場地地質條件、施工周期、環保等限制，不適宜采用傳統的光伏組件支架基礎。在經過綜合比較后，本工程采用了一種新型的光伏組件支架基礎——預鉆孔螺旋鋼管樁基礎，實踐證明，該基礎具有施工速度快、承載能力高、對生態環境破壞小、維護方便等優點。

1　工程地質概況

光伏場地主要揭露地層為下伏第3系中新統漢諾壩組玄武巖，上覆第4系坡、殘積的碎石類土及場地新近整平形成的回填土。場地按巖性及工程性質自上而下主要地層為：

1)回填土：主要成分為場區內挖方形成的碎石類土、塊石、粉土等。該層土呈雜色，稍濕、稍密為主，顆粒不均勻，物理和力學性質差異性較大，在場地內分布不連續，一般厚度在0.5～2.0 m，多呈尖滅狀分布，層位較混亂。

2)碎石土：雜色、稍濕、中密，主要成分為玄武巖碎塊，粉土充填，局部混有漂石。本層在場地內分布不均勻，且大多與上部回填的碎石土直接接觸，層位較混亂。本層厚度一般為0.7～3.0 m，并呈尖滅狀分布。

3)強風化玄武巖：灰黑色，斑狀結構，斑晶主要為橄欖石和角閃石等，氣孔狀構造，巖芯呈碎塊或短柱狀，RQD一般為20～40，破碎狀態。

2　光伏組件支架基礎選型

根據光伏場地的地質概況可知，在光伏場地淺部大部分為回填土、碎石土和強風化玄武巖層，光伏組件支架基礎所涉范圍內地層中含有大塊石、碎石。光伏組件支架基礎若采用鋼筋混凝土擴展基礎，土方開挖和回填工程量大，施工開挖很困難，大面積開挖對環境破壞嚴重，施工進度也不能保證，綜合費用高，而且項目所在地在10月下旬就進入霜凍期，因此可利用施工工期很短。若采用鋼筋混凝土灌注樁基礎，直徑一般約為250 mm，根據場地的地質條件，成孔難度大、效率低，且樁身養護周期長。

相對于傳統的光伏組件支架基礎，預鉆孔螺旋鋼管樁基礎具有以下優點：1)不需要大開挖，可在10 min之內安裝至地面，可大幅提高施工進度；2)施工完可立即安裝組件支架系統，無需混凝土養護時間；3)施工不破壞生態及植被，電站完成使命后可進行回收，迅速恢復環境原貌；4)螺旋鋼管樁可作為接地極，減少接地造價和施工工程量。

通過比較分析，決定在光伏東區的光伏組件支架基礎均采用預鉆孔螺旋鋼管樁基礎。根據場地的地質情況，樁長分為兩種：在有完整的巖石出露區樁長定為1.6 m；在碎石、回填土、粉性土區域樁長定為2.1 m。圖1為預鉆孔螺旋鋼管樁設計圖。

圖1　預鉆孔螺旋鋼管樁設計圖(單位：mm)

結合本項目的特點，螺旋鋼管樁的施工方案采用預鉆孔灌漿沉樁技術，施工流程如圖2所示。由于該施工工藝先在鉆孔內灌注水泥砂漿，然后再旋入螺旋鋼管樁，水泥砂漿通過螺旋鋼管樁的擠壓滲入周圍土層，并通過樁身預留孔流入鋼管樁內，大幅加強了螺旋鋼管樁與周圍土層間的握裹力；同時，樁身周圍的水泥砂漿對樁身也起到防腐保護作用，增加了樁身耐久性。

圖2　預鉆孔灌漿沉樁施工流程

根據該項目運營期間的反饋，光伏東區有部分鋼筋混凝土擴展基礎由于受回填土的壓縮變形的影響產生不均勻沉降，上部光伏支架進行了多次調整；而同樣地質條件的光伏西區，由于采用預鉆孔螺旋鋼管樁，光伏支架基礎的沉降變形非常小，上部光伏支架調整次數很少，這說明預鉆孔螺旋鋼管樁維護更方便。

3　預鉆孔螺旋鋼管樁基礎理論計算及現場承載力測試

3.1光伏組件陣列布置及樁頂作用效應

按本項目地的氣象條件，在考慮順風和逆風、雪荷載和組件支架系統自重荷載多種組合的情況下，計算出預鉆孔螺旋鋼管樁單樁樁頂最大荷載作用效應為[1]：

1)單樁最大豎向抗壓荷載作用效應Qk=13.85 kN；

2)單樁最大豎向抗拔荷載作用效應Nk=12.02 kN；

3)單樁最大水平荷載作用效應Hk=5.8 kN。

3.2預鉆孔螺旋鋼管樁單樁承載力計算[2]

3.2.1單樁豎向抗壓承載力計算

根據JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》，預鉆孔螺旋鋼管樁單樁豎向抗壓承載力可按式(1)進行計算：

式中，Quk為單樁豎向抗壓極限承載力標準值；μ為樁身周長；qsik為樁側第i層土極限側摩阻力標準值；li為樁側第i層土厚度；λp為樁端土塞效應系數，按本式計算時取1；qpk為樁端土極限端阻力標準值；Ap為樁端面積。

根據場地的工程地質情況，在不考慮抗凍拔穩定性的情況下初步選用兩種樁長：在樁長范圍土層性質較好時，樁長定為1.6 m；其他地層情況樁長定為1.8 m。利用地質報告中的參數，選擇最不利情況下進行單樁豎向抗壓承載力計算，得到樁長為1.6 m時單樁豎向抗壓承載力特征值為22 kN，樁長為1.8 m時單樁豎向抗壓承載力特征值為28 kN。兩種樁長的單樁豎向抗壓承載力特征值均大于13.85 kN，因此，滿足豎向抗壓承載力要求。

3.2.2單樁豎向抗拔承載力計算

根據JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》，預鉆孔螺旋鋼管樁單樁豎向抗拔承載力特征值可按式(2)進行計算：

式中，λi為抗拔系數；Gp為基樁自重。

利用地質報告中的參數，選擇最不利情況下進行單樁豎向抗拔承載力計算，得到樁長為1.6 m時單樁豎向抗拔承載力特征值為20 kN；樁長為1.8 m時單樁豎向抗拔承載力特征值為21 kN。兩種樁長的單樁豎向抗拔承載力特征值均大于12.02 kN，因此，滿足豎向抗拔承載力要求。

3.2.3單樁水平承載力計算

根據JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》，預鉆孔螺旋鋼管樁單樁水平承載力特征值可按式(3)進行計算：

式中，Rha為單樁水平承載力特征值；α為樁的水平變形系數；EI為樁身抗彎剛度；x0a為樁頂允許水平位移；vx為樁頂水平位移系數。

利用地質報告中的參數，按式(3)計算得到樁長為1.6 m時單樁水平承載力特征值為5.85 kN，樁長為1.8 m時單樁水平承載力特征值為6.52 kN。兩種樁長的單樁水平承載力特征值均大于5.8 kN，因此，滿足單樁水平承載力要求。

從3.2.1～3.2.3中的計算可看出，在不考慮抗凍拔穩定性的情況下，本項目預鉆孔螺旋鋼管樁基礎主要是受水平承載力控制。

3.2.4單樁抗凍拔計算

根據JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》，對于季節性凍土上輕型建筑的短樁基礎，需驗算其抗凍拔穩定性。本工程標準凍深為1.8 m，由于場地內強風化玄武巖區域屬非凍脹土，無需驗算其抗凍拔穩定性，樁長取1.6 m即可滿足要求。而在有凍脹土區域，需驗算預鉆孔螺旋鋼管樁的抗凍拔穩定性。預鉆孔螺旋鋼管樁抗凍拔穩定性可按式(4)進行計算：

式中，ηf為凍深影響系數；qf為切向凍脹力；z0為標準凍深；Tuk為單樁抗拔極限承載力標準值；NG為樁頂所受上部支架的自重標準值。

利用地質報告中的參數，在有凍脹土區域按最不利地質條件進行抗凍拔穩定性計算，樁長需達到2.1 m時方可滿足抗凍拔穩定性要求。

3.2.5樁長確定

根據3.2.2～3.2.4中的計算，本工程雖然樁長在強風化玄武巖區域采用1.6 m、在其他區域采用1.8 m時均能夠滿足承載力要求，但在有凍脹土區域卻不滿足抗凍拔穩定性要求。因此，根據3.2.4中的計算，在非凍脹土的強風化玄武巖區域可選擇采用1.6 m的樁長，在有凍脹土區域需采用2.1 m的樁長。

3.3預鉆孔螺旋鋼管樁現場承載力測試

在預鉆孔螺旋鋼管樁正式施工前，為驗證施工工藝的可行性和單樁承載力，在整個光伏場區選擇具有代表性的16個點位處進行了16根螺旋鋼管樁試沉樁和現場承載力試驗工作。通過現場試樁單位反映，各種地層條件試沉樁單樁費時10 min以內，沉樁速度較快，因此，本文所采用的施工工藝是可行的。

表1為現場對16根預鉆孔螺旋鋼管樁進行的單樁承載力測試結果。對比試驗結果與理論計算結果，兩者基本一致，因此，本文對于單樁承載力的理論計算結果是可靠的。

表1　單樁承載力現場測試結果

4　螺旋鋼管樁連接節點及相關技術要求

4.1螺旋鋼管樁連接節點

圖3～圖5為幾種典型的螺旋鋼管樁連接節點做法。

圖3　管樁與承臺連接節點(單位：mm)

圖4　管樁與支架法蘭盤連接節點(單位：mm)

圖5　鋼管樁與支架插入式連接節點(單位：mm)

4.2螺旋鋼管樁相關技術要求

4.2.1螺旋鋼管樁在運輸和堆放過程中的要求

1)堆放場地應平整、堅實、排水通暢；

2)樁的兩端應有適當保護措施，鋼管樁應設保護圈；

3)鋼管樁應按規格、材質分別堆放。

4.2.2螺旋鋼管樁的檢測要求[3]

1)所有樁應進行抽樣檢測，檢測內容為基樁的完整性檢測及豎向承載力和水平承載力檢測；

2)樁身質量檢測包括樁身尺寸、樁螺旋焊接質量、樁身熱浸鍍鋅質量檢測，檢測數量不少于總樁數的30%；

3)豎向承載力檢測采用靜荷載試驗法，原則上相同條件的一組樁選取3根，選取方法為抽樣隨機法，若現場監理或設計方等有關單位對樁身質量或沉樁質量有疑問時，可增加檢測的樁基數量；

4)水平承載力檢測采用水平靜荷載試驗，原則上相同條件的一組樁選取3根工程樁進行水平承載力的檢測，以確定單樁在設計水平荷載作用下的水平位移值。

4.2.3構造要求

1)為避免螺旋葉片焊接和沉樁時所產生的扭矩及擠壓力對管壁的破壞，一般管樁壁厚不宜小于4 mm；

2)螺旋葉片與鋼管之間應采用連續焊接，焊縫高度不應小于焊接工件的最小壁厚；

3)螺旋葉片的外伸寬度與葉片厚度之比不宜大于20；

4)鋼管樁應采用熱鍍鋅防腐處理，鍍鋅層厚度應符合GB/T 13912《金屬覆蓋層鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術要求及試驗方法》的規定。

5　結論與建議

1)本文通過對采用預鉆孔螺旋鋼管樁在國家風光儲輸示范項目中的應用分析，可得出以下結論和建議：螺旋鋼管樁光伏支架基礎相對傳統的光伏支架基礎在施工階段具有施工速度快、承載能力高、對生態環境破壞小、維護方便等優點，在光伏電站建設中具有推廣價值。

2)在地基土不易采用自旋沉樁的情況下，采用預鉆孔灌漿沉樁施工工藝是可靠的。

3)通過樁基承載力理論計算結果與現場樁基承載力測試結果的比較可看出，JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》中有關單樁承載力計算公式是適用于螺旋鋼管樁的。

4)由于應用于光伏支架基礎的螺旋鋼管樁與其他樁型相比具有一定的獨特性，因此在設計、制作、施工過程中，應針對其特點提出具有針對性的技術要求。

[1] GB 50009-2012, 建筑結構荷載規范[S].

[2] JGJ 94-2008, 建筑樁基技術規范[S].

[3] JGJ 106-2014, 建筑樁基檢測技術規范[S].

2016-04-18

章榮國 (1980—)，男，碩士研究生、高級工程師，主要從事新能源工程結構設計工作。zrg80@126.com