光伏支架微型樁承載力特性及質量控制

摘 要：微型樁基礎作為常見的光伏支架基礎形式廣泛應用于各種光伏工程項目。本文對微型樁基礎進行現場靜載荷試驗以及有限元數值模擬分析，結果表明，隨著樁基礎入土深度減少，其極限承載力均呈現降低趨勢，在受到相同荷載的情況下，樁頂位移隨著入土深度減少而逐漸增加，同時，隨著荷載傾角變大，樁頂豎向位移減少，水平位移增加。本文提出微型樁基礎各工序的施工質量控制要點以及質量問題解決措施，以期為后續的工程施工提供參考。

關鍵詞：光伏項目；微型樁；靜載試驗；有限元模擬；承載力；施工質量

中圖分類號：TU 47" " 文獻標志碼：A

在光伏工程中，單個固定式支架體量相對較小，支架數量巨大，因此，目前光伏工程項目通常采用直徑小于400mm的微型灌注短樁作為支架的基礎[1]。雖然國內外學者對微型樁進行了部分研究，但研究成果是按傳統樁基礎規范進行分析，或是聚焦在微型樁的預制安裝方面，而對用于光伏支架的微型樁基礎承載力特性，特別是不同地質條件下的樁基礎承載性能沒有進行系統研究。

受西南大起伏山地的地形特征限制，為保證光伏支架微型樁基礎的穩定性，對樁基礎的承載性能提出了更高的要求，不僅要對微型樁基礎進行現場靜載荷試驗，還要結合有限元數值模擬，探明荷載作用下微型樁承載力特性的發展規律，為工程施工提供理論支持。

1 微型樁現場試驗

1.1 場地地質概況

工程場區位于四川省涼山彝族自治州會理市，屬中高山山地地貌，場地以大起伏大坡度山地為主，陡坡處基巖連續出露，其余部位基巖零星出露。根據場區地質勘察報告，工程場址區主要有震旦系上統燈影組上段（Zbd1）、震旦系上統燈影組中段（Zbd2）、三疊系上統—侏羅系下統白果灣群（T3-J1bg）、侏羅系中統新村組（J2x）及第四系全新統地層。第四系全新統中碎塊石土塊碎石含量約60%～80%，期間充填粉質黏土，主要分布在8#場地西部和10#場地西部，場址區其余地表廣泛分布含礫粉質黏土。

1.2 試驗方案

試驗采用微孔灌注樁，根據前期地勘結果，選定3個典型地質區域進行試驗，每個典型地質區域設置3組，每組3根樁。微孔灌注樁混凝土強度等級為C30，樁端露出地面0.5m，采用慢速維持荷載法，逐級等量進行加載[2]。

其他事項按照《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106—2014）。本文以每個區域1根試驗樁展示試樁參數，見表1。

1.3 試驗結果分析

對試驗樁分別進行分級施加水平荷載及豎向荷載，得出各自工況下的樁頂荷載—位移曲線，如圖1所示。

由圖1（a）可以看出，當豎向荷載相對較小時，樁頂豎向位移隨荷載增加呈現線性增加趨勢，而曲線的曲率相對平穩，但在荷載加載至某級后，曲線曲率突然變大，曲線（豎向位移）急劇提升，此時樁頂豎向位移與前一級荷載加載后的位移相差超過5倍，可確定在前一級荷載加載后，試驗樁已進入破壞狀態，該級荷載即為極限抗拔承載力[3]。根據曲線可知，P1-1-1、P2-1-1、P3-1-1試驗樁的極限抗拔承載力分別為22.42kN、24.68kN、30.47kN，與之相對應的樁頂豎向位移分別為3.23mm、3.66mm、4.06mm。此外，不同試驗樁隨著入土深度減少，其極限抗拔承載力也呈現降低趨勢，在同一級荷載加載后，樁頂豎向位移也隨之增加。

由圖1（b）可以看出，各試驗區域的試驗樁水平荷載—位移曲線呈現相對平穩的非線性發展，曲線發展變化規律與圖1（a）基本相同。根據曲線可知，P1-1-1、P2-1-1、P3-1-1試驗樁的極限水平承載力分別為18.26kN、26.23kN、30.58kN，與之相對應的樁頂水平位移分別為5.36mm、6.98mm、8.75mm。極限水平承載力隨著試驗樁入土深度減少而降低的趨勢，在同一級荷載加載后，樁頂水平位移隨之增加。

2 微型樁承載力特性數值模擬

現場試驗僅針對豎向荷載及水平荷載作用下樁基承載能力進行分析，在工程實際運營過程中，微型樁基礎所受的荷載通常方向和角度都不相同[4]。為進一步分析在不同荷載角度情況下，微型樁基礎承載力特性變化，利用有限元分析軟件對微型樁進行數值模擬。

2.1 模型建立

采用MIDAS軟件建立三維模型，以0.5m×0.5m的單元模擬土體，土體符合摩爾—庫倫理論。混凝土樁、預埋鋼管、土體均為實體單元，假定各結構層之間連續，忽略同質材料之間的相互作用，建立數值模型，如圖2所示。

2.2 模型結果驗證

以試驗區域1中的P1-1-1試驗樁為例，現場試驗與模型計算結果所得的樁頂荷載-位移曲線對比如圖3所示。

由圖3可以看出，有限元軟件模型計算結果與現場試驗所得數據基本吻合，模型計算中的極限承載力與試驗結果一致，與之相應的位移變化雖然略小于試驗結果，但仍在允許偏差內。兩者的曲線發展變化趨勢基本相同，說明有限元模型單元建立與劃分相對合理，所得結果較為可靠，因此對微型樁的承載特性進行模擬分析是可行的。

2.3 荷載傾角對微型樁基礎承載力的影響

在微型樁基礎實際工程中，不僅會受到豎向作用力，還會承受水平作用力，即樁基礎會承受斜向荷載[5]。利用有限元模擬分析軟件，豎向與水平分解斜向荷載，并在樁頂進行加載，同時設置不同的荷載傾角工況，對其進行計算分析。當微型樁模型破裂或不能收斂時停止加載，本文以區域2中的P2-1-1試驗樁為例，展示不同荷載傾角工況下的樁頂荷載—位移曲線，如圖4所示。

由圖4（a）可以看出，在荷載傾角從0°增至75°的過程中，樁頂豎向位移變化率呈現逐漸降低趨勢。當傾角為0°時（即微型樁僅受豎向荷載），位移曲線在23.86kN處出現突變。當傾角為15°時，曲線仍然呈現類似發展規律，在24.69kN處出現突變。當傾角為30°時，曲線變化曲率由陡變轉為緩變，無特別的突變點位。當傾角為45°時，曲線發展規律與上一級類似，位移變化量相對有所減少。當傾角為60°時，斜向荷載的水平分力增加，樁頂豎向位移及位移變化率進一步減少。當傾角為75°時，曲線變化近似直線，斜向荷載的水平分力遠大于豎向分力，導致豎向位移變化極慢。

由圖4（b）可以看出，當荷載傾角從15°增至90°時，樁頂水平位移變化率呈現逐漸增加趨勢。當傾角為15°時，由于斜向荷載的豎向分力遠大于水平分力，因此曲線近似線性變化。當傾角為30°時，斜向荷載的水平分力逐漸增加，樁頂水平位移隨之增加，曲線在36.22kN處出現突變。當傾角為45°時，樁頂水平位移再次增加，曲線在33.27kN處出現突變。當傾角為60°時，曲線發展規律與上一級類似，樁頂水平位移進一步增加，與此同時曲線出現突變的荷載降至29.84kN。當傾角為75°時，斜向荷載的豎向分力相對較小，此時水平分力占據主導地位，曲線變化規律與傾角為90°時（即微型樁僅受水平荷載）基本一致，說明荷載傾角對樁頂水平位移的影響已經非常小了。

3 微型樁施工質量控制要點

3.1 樁基礎施工工藝及控制標準

測量放線：在鉆機就位前，應該對現場各控制點位進行復核，保證樁位無誤差。

鉆孔：鉆孔時應該對鉆機進行調平對中，保證鉆桿軸線與樁位中心處于同一垂線上。

清孔：鉆孔結束后須立即對樁孔進行清孔，保證成孔質量滿足設計及規范要求。

立柱及鋼筋籠：在樁孔經檢測符合要求后，灌入少許細石混凝土，再進行鋼筋籠及預埋鋼管安放。

澆筑混凝土：在預埋鋼管及鋼筋籠安放完畢后，灌入C30細石混凝土固定。

工藝控制標準：樁位允許偏差＜30mm；垂直度偏差≤1%H（H為孔深）；樁頂標高偏差（-10，0）mm；樁長允許偏差＜100mm。

3.2 施工質量問題及解決措施

樁位偏移：當樁位放樣時應該使用全站儀精準測量，并實行復測復檢制度。當鉆機調整時，應該結合孔深以及鉆機對樁孔的影響，采取預控措施，保證在鉆孔過程中對樁位進行控制。

樁基沉降：當鉆孔時，應該將樁位附近的淤泥或雜土等清理干凈，在鉆孔完成后須及時進行清孔，將孔內浮渣清除，并對孔口進行封閉，防止渣土掉入，在混凝土澆筑前須仔細檢查。

孤石、卵石處理：通過采用向孔內投放片石進行沖進的方式處理鉆孔過程中可能遇到的孤石或卵石[6]。當沖進時若發現已沖至孤石頂，則要及時停鉆，并向孔內投放堅硬的片石，采用高頻率、小沖程的方式進行沖孔。

4 結論

本文通過現場靜載荷試驗以及建立有限元數值模型對微型灌注樁承載力特性進行分析研究，得出以下結論。1）隨著樁基礎入土深度減少，其極限承載力也呈現降低趨勢，在受到相同荷載的情況下，樁頂位移隨著入土深度減少而逐漸增加。2）對樁頂豎向位移來說，當荷載傾角從0°增至75°時，豎向位移變化率總體呈現逐漸降低趨勢。由于荷載的水平分力逐漸增加，因此遠大于豎向分力，最終導致豎向位移的變化率總體呈現逐漸降低趨勢，這表明斜向荷載對微型樁的承載力特性有顯著影響。3）對樁頂水平位移來說，隨著荷載傾角增加，水平位移變化率也在逐漸增加，當傾角為15°時，曲線近似于線性變化；當傾角為75°時，此時由斜向荷載的水平分力占據主導地位，曲線變化規律與傾角為90°時（即微型樁僅受水平荷載）基本一致。

參考文獻

[1]李江渭，何鎧岐，甘子牛，等.光伏支架微型灌注樁基礎采用中美規范設計對比分析[J].電力勘測設計，2021（增刊2）：45-49.

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