嚴寒地區季節性凍土影響下光伏支架PHC樁基礎設計的研究

唐 湘，樊尊龍

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

0 引言

光伏支架及其基礎是整個光伏發電系統的支撐結構，需適用于各種復雜的氣候條件和地質條件，并需要在這些條件下滿足安全、耐久使用要需求。采用預應力高強混凝土(PHC)管樁作為光伏支架基礎(下文簡稱為“PHC樁基礎”)是應用最為廣泛的光伏支架基礎形式，但其在嚴寒地區季節性凍土影響下往往會因為凍脹作用而出現樁基礎凍拔的現象，從而損壞其上部的光伏支架和光伏組件。基于此，本文以建設于嚴寒地區季節性凍土上的某實際光伏發電項目為依托，通過對季節性凍土條件下光伏支架PHC樁基礎的抗凍拔穩定性進行分析，給出了此類樁基礎相關的設計建議，以及其可采取的防凍拔措施，以抵抗因凍土層產生的切向凍脹力。

1 某實際光伏發電項目概況

本文的分析是基于黑龍江省齊齊哈爾市泰來縣某20 MWp光伏發電項目，該項目所在地位于嚴寒地區季節性凍土區，地貌單元為松嫩平原的中部低平原。為了在此地區更好地設計光伏支架基礎，下文對該光伏發電項目所在地的地層結構、地下水條件、標準凍結深度、地基土的凍脹性、基本風壓及基本雪壓進行分析。

1.1 地層結構

場址內，地基土自上而下的土層類型及其主要特征如表1所示。

表1 地基土的土層類型及其主要特征Table 1 Types of soil layers and main characteristics of foundation soil

1.2 地下水條件

場址內的地下水主要賦存于砂土層中，常年最高地下水位可達地表。

1.3 標準凍結深度

根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中附錄F的內容“擬建場地季節性凍土標準凍結深度為2.00～2.20 m”，本文按2.20 m考慮。

1.4 地基土的凍脹性

項目所在地的冬季寒冷，最低氣溫可達-36.9 ℃，地質條件屬于季節性凍土區，土壤的含水率較高。根據GB 50324—2014《凍土工程地質勘察規范》中表C.0.3-9及表C.0.3-10，可以確

1.5 基本風壓及基本雪壓

光伏支架設計采用25年一遇的基本風壓和基本雪壓，光伏支架基礎設計采用50年一遇的基本風壓和基本雪壓。不同重現期時風荷載及雪荷載的標準值如表3所示。

表3 不同重現期時風荷載及雪荷載的標準值Table 3 Standard values of wind load and snow load in different return periods

2 光伏支架及其基礎的設計方案

常用的光伏支架形式有固定式光伏支架、可調式光伏支架、跟蹤式光伏支架等，由于本光伏發電項目所在地的緯度較高，因此選用固定式光伏支架較為合適。同時，由于本項目所在地的地勢低洼，排水不暢，容易形成內澇積水，因此考慮采用30年一遇設計防水位的標準，光伏支架基礎推薦采用PHC樁基礎。

本光伏發電項目中采用的光伏組件的尺寸為1968 mm×990 mm×40 mm，采用“2排8列”的豎向排布方式布置于固定式光伏支架上，光伏組件的安裝傾角為33°，光伏組件的最低點離地高度為1.3 m。樁基光伏支架基礎采用PHC300(AB)型管樁，樁總長為6 m，樁頂露出地面的長度為1.6 m，入土深度為4.4 m；樁基采用3根PHC樁基礎的布置方案，每2根PHC樁基礎之間的間距為3.4 m。光伏支架及其基礎的平面布置圖和側視圖如圖1所示。

圖1 光伏支架及其基礎的平面布置圖和側視圖(單位：mm)Fig. 1 Floor plan and side view of PV bracket and its foundation

3 PHC樁基礎的抗凍拔設計

根據PHC樁基礎在土層中的受力情況不同，其可分為端承樁和摩擦型樁。由于本文考慮的是季節性凍土區，因此可采用摩擦型PHC樁基礎，并以土層④粉質粘土或⑤粉砂作為樁端持力層。PHC樁基礎受到的不同土層的極限側阻力及極限端阻力標準值如表4所示[1]。

結合表2和表4可以看出，相同土層時，土層的切向凍脹力標準值大于土層提供給PHC樁基 礎的極限側阻力標準值。由此可知，該光伏發電項目在保證項目收益率及PHC樁基礎最優樁長為6 m的情況下，土層提供給PHC樁基礎的極限側阻力標準值不足以抵抗土層由于凍脹對樁基礎產生的切向凍脹力，因此需采取適當的抗

表2 項目所在地地基土的凍脹性及切向凍脹力標準值Table 2 Frost heave property and standard value of tangential frost heave force of foundation soil in the project site

表4 PHC樁基礎受到的不同土層的極限側阻力及極限端阻力標準值Table 4 Standard values of ultimate lateral resistance and ultimate end resistance of different soil layers for PHC pile foundation

凍拔設計來增強PHC樁基礎的穩定性。具體的抗凍拔設計方案有2種，分別為結構法及換填法與隔離法結合的方案，下文進行詳細介紹。

3.1 結構法

結構法是指PHC樁基礎通過采用適當的結構來抵抗土層對其產生的切向凍脹力，結構法的常用方法有增加PHC樁基礎的上部荷載、增加樁長或增大樁徑[2-3]。但由于光伏支架結構的特殊性，導致PHC樁基礎的上部荷載較小，且無法再增加；而且雖然增加PHC樁基礎的樁長或樁徑可以起到抵抗土層對其產生的切向凍脹力，但考慮到光伏發電項目的收益率和光伏支架基礎的成本，PHC樁基礎的樁長與樁徑也已控制在合理范圍內，若再改變，則會增加成本。因此，工程實踐中通常不采用此種設計方案。

3.2 換填法與隔離法結合

根據JGJ 118—2011《凍土地區建筑地基基礎設計規范》，在基礎側表面換填非凍脹性的中粗砂可減小和消除土層對基礎產生的切向凍脹力，且換填的中粗砂層的整體厚度不宜小于200 mm[4]。由于本光伏發電項目采用的是PHC樁基礎，無法實現大面積的開挖換填，因此采取了引孔、打樁、回填的施工方案[5]。

該方案的具體施工步驟為：1)采用直徑350 mm的鉆頭進行引孔，引孔深度為2.2 m(即標準的季節性凍土層的深度)。2)進行打樁，但受施工成本和施工設備的限制，換填厚度無法達到規范所要求的不小于200 mm的要求。因此可在打樁施工之前，在將要插入凍土層內的PHC樁基礎側涂刷2遍工業凡士林，以達到隔離水分并減小側壁摩擦系數的效果。3)在PHC樁基礎周圍回填中粗砂。

通過本項目的實際施工發現，由于工業凡士林的熔點為45～80 ℃，即其在常溫下為固態，在涂刷工業凡士林和打樁過程中，應嚴格控制施工質量，保證涂層的均勻性和完整性，才能充分發揮涂層隔離水分和減小摩擦系數的作用。

PHC樁基礎的換填法與隔離法結合的施工方案圖如圖2所示。

圖2 PHC樁基礎的換填法與隔離法結合的施工方案Fig. 2 Construction scheme combining replacement method and isolation method of PHC pile foundation

3.3 PHC樁基礎的豎向承載力和水平承載力復核

在不考慮回填的中粗砂提供給PHC樁基礎的側阻力的情況下，計算土層提供給PHC樁基礎的抗力(即豎向承載力、水平承載力、抗凍拔承載力和樁身的開裂彎矩)，以驗證PHC樁基礎是否滿足光伏支架的使用要求，計算結果如表5所示。表中的“效應”是指PHC樁基礎上部的光伏支架及光伏組件在風荷載、雪荷載等作用下對其產生的作用力和彎矩[6-7]。

由表5可知，所有抗力均大于效應，因此在不考慮回填的中粗砂提供給PHC樁基礎的側阻力的情況下，土層提供給PHC樁基礎的豎向承載力、水平承載力、抗凍拔承載力及樁身開裂彎矩均滿足要求。

表5 PHC樁基礎的承載力統計表Table 5 Statistics table of bearing capacity of PHC pile foundation

3.4 PHC樁基礎的抗凍拔穩定性驗算

根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》，利用式(1)驗算季節性凍土中PHC樁基礎的抗凍拔穩定性。

式中：ηf為凍結深度影響系數；qf為切向凍脹力標準值；u為樁身周長；zo為季節性凍土的標準凍結深度，本文取2.2 m；Tuk為標準凍結深度線以下的單樁極限抗拔承載力標準值；NG為PHC樁基上部的光伏支架及光伏組件的自重；Gp為PHC樁基礎自重，其中，地下水位以下部分的PHC樁基礎的自重取浮重度。

當計算結果滿足式(1)時，則說明PHC樁基礎滿足抗凍拔穩定性的要求。

根據該光伏發電項目現場的鉆孔資料，驗算了不同情況下PHC樁基礎的抗凍拔穩定性，驗算結果如表6所示。

表6 不同情況下PHC樁基礎的抗凍拔穩定性Table 6 Anti-freeze andpullout stability of PHC piles foundation under different conditions

從表6中可以看出，在不采取抗凍拔措施的情況下，當樁長為6 m時，PHC樁基礎的抗力遠小于土層產生的切向凍脹力，說明PHC樁基的抗凍拔穩定性差，因此不滿足設計要求。同樣是樁長為6 m時，由于采取了換填法與隔離法結合的抗凍拔措施，PHC樁基礎的抗力大于土層產生的切向凍脹力，說明PHC樁基礎的抗凍拔穩定性好，滿足設計要求。這是因為采取換填法與隔離法結合的抗凍拔措施后，PHC樁基礎周圍土層的性質發生了改變，并減小了土層與樁側的摩擦系數。若抗凍拔措施采取結構法，即通過增加樁長來增加樁側阻力時，則樁長需要18 m才能滿足設計要求。

4 結論

本文以黑龍江省齊齊哈爾市泰來縣某20 MWp光伏發電項目為依托，對嚴寒地區季節性凍土條件下光伏支架PHC樁基礎的抗凍拔穩定性進行了分析。在嚴寒地區季節性凍土條件下，僅通過改變PHC樁基礎結構來抵抗土層對其產生的切向凍脹力不具有經濟性，而采取換填法與隔離法結合的抗凍拔措施，能有效減小和消除土層對樁基礎產生的切向凍脹力，從而可有效降低工程造價，并提高PHC樁基礎的穩定性。