交能融合項目路域光伏支架基礎用鋼管螺旋樁抗拔極限承載力的計算研究

摘 要：由于鋼管螺旋樁具有極佳的經濟性和適用性，其在許多光伏發電項目中都是光伏支架基礎的首選形式，但國內兩項鋼管螺旋樁設計標準中關于其抗拔極限承載力的計算公式存在較大差異，在實際工程中如何選擇更合理的標準困擾著工程設計人員。以某交能融合項目路域的光伏場區為例，通過現場試驗得到了單根鋼管螺旋樁的抗拔極限承載力數據，并將現場試驗結果與不同標準下得到的計算結果進行了對比，根據對比結果給出了計算公式應用建議。研究結果表明：1） 從現場試驗結果來看，鋼管螺旋樁樁徑的增加對單樁抗拔承載力有一定的提高作用，但提高作用有限，性價比較低。若要提高單樁抗拔極限承載力，建議還是從增加葉片的道數或葉片直徑的方向采取措施。2） 在進行光伏發電項目設計時，若要估算單樁的抗拔極限承載力，建議采用DB41/T 2125—2021 中的倒圓臺承載模式的計算公式，得到的計算結果最保守也最接近現場實際情況。

關鍵詞：交能融合；光伏支架；鋼管螺旋樁；抗拔極限承載力；規范公式

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

鋼管螺旋樁施工技術于20世紀80年代引入中國，經過多年的發展，目前已成為一種技術成熟、操作簡便的施工技術。鋼管螺旋樁因具有強度性能優良、經濟耐用、施工便捷、承載力高等優點，在光伏發電領域得到了廣泛應用，且取得了良好效果。雖然鋼管螺旋樁在許多光伏發電項目中是光伏支架基礎的首選形式，但國內對鋼管螺旋樁的研究相對較少，相關配套規范也較為欠缺。吳繼峰等[1]通過現場試驗，分析了鋼管螺旋樁的葉片個數、直徑，樁徑及注漿等因素對鋼管螺旋樁抗拔承載力的影響，并初步提出了鋼管螺旋樁的抗拔承載力計算公式。董天文等[2-3]通過原型樁抗拔試驗，對鋼管螺旋樁的抗拔性能進行了研究，并提出了軟土地基時鋼管螺旋樁的抗拔極限承載力計算方法。張新春等[4]對鋼管螺旋樁的安裝扭矩進行了研究，分析了安裝扭矩與抗拔承載力之間的關聯。喬紅軍等[5]采用FLAC3D軟件對鋼管螺旋樁的抗拔承載力進行了數值模擬，通過對比數值模擬結果與工程試驗結果，針對鋼管螺旋樁的抗拔承載力計算提出了一種實用且有效的數值模擬方法。劉賓科[6]通過現場試驗分析了樁徑、葉片直徑和個數、樁間距對鋼管螺旋樁抗壓極限承載力的影響，并針對這些因素提出了樁型參數的優化建議。馬藝琳等[7]通過對不同規格的鋼管螺旋樁進行現場試驗得到了各種鋼管螺旋樁的荷載-沉降（Q-S）曲線，探討了葉片直徑、個數，樁徑及降水等因素對樁基礎抗壓承載力的影響方式及影響程度，為建立適用于國內地質條件的鋼管螺旋樁抗壓承載力計算公式提供了依據?？傮w而言，目前的研究成果尚未達到足夠的水平，鋼管螺旋樁的抗拔承載力的理論計算方式尚不能滿足工程的實際需求。

在工程設計領域，國內鋼管螺旋樁的設計主要依托于兩項規范：其中一項是2016年發布的國家標準GB 51101—2016《太陽能發電站支架基礎技術規范》[8]，另一項是2021年發布并實施的河南省地方標準DB41/T 2125—2021《公路鋼管螺旋樁設計施工技術規范》[9]，但這兩項規范對于鋼管螺旋樁抗拔極限承載力的計算思路及相應的計算公式差異較大。GB 51101—2016的抗拔極限承載力計算思路基本延用了JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[10]中的計算思路，仍將抗拔承載力簡化為樁側摩阻力來計算，并在樁側摩阻力的周長中考慮葉片的影響。DB41/T 2125—2021對鋼管螺旋樁的抗拔破壞模式進行了分類，分為倒圓臺承載模式、葉片式承載模式和圓柱剪切承載模式，并根據不同的抗拔破壞模式提出了相應的抗拔極限承載力計算公式。

鑒于國家標準和地方標準對于鋼管螺旋樁抗拔極限承載力的計算公式存在較大差異，給工程設計人員造成很大困擾這一問題，本文以某交能融合項目路域的光伏場區為例，通過現場試驗獲取單根鋼管螺旋樁的抗拔承載力數據，再將根據不同標準得到的計算結果與試驗結果進行對比，并根據對比結果給出計算公式應用建議。

1" 現場試驗概況

1.1" 光伏場區的地質情況

本交能融合項目路域的光伏場區主要位于已建路基的邊坡上，光伏支架基礎采用鋼管螺旋樁。本項目的公路已建成運營，公路路基的基底壓實度不低于90%，路堤的壓實度不低于93%，路床的壓實度不低于96%；路基填土能達到中密以上，且對于軟弱土層采用換填和強夯等方法進行處理。光伏支架基礎主要位于路基填土層中。

1.2" 鋼管螺旋樁的沉樁與靜載試驗

1.2.1" 沉樁

本光伏場區采用的鋼管螺旋樁的外徑At為76 mm、壁厚為4 mm；設置葉片道數為兩道，葉片直徑D為250 mm，葉片傾角β為10°，兩道葉片的間距Hs為800 mm；樁長為2.0 m；埋深為1.8 m。該鋼管螺旋樁的結構示意圖與實物圖如圖1所示。圖中：Ah為葉片的水平投影直徑；F為鋼管螺旋樁承受的豎向荷載。

因光伏場區的施工地位于路基邊坡上，普通的樁基施工設備不適用，因此，采用由履帶式挖掘機改裝的螺旋鉆機進行鋼管螺旋樁的沉樁，施工照片如圖2所示。

1.2.2" 實施靜載試驗

為檢測單根鋼管螺旋樁（下文簡稱為“單樁”）的抗拔承載力，對其進行靜載試驗。靜載試驗過程中采用油壓千斤頂向試驗樁施加上拔力，用于表征試驗樁的抗拔承載力，荷載大小由并聯于油壓千斤頂的油壓表計量。試驗樁樁頂上拔的位移值大小由置于基準梁上的百分表測量。靜載試驗布置圖如圖3所示。

靜載試驗流程為：沉樁→安放油壓千斤頂→安裝主梁→焊接拉筋→安裝儀表→分析單樁加載上拔力后的測試數據→評定測試結果。靜載試驗的現場照片如圖4所示。

1.3" 靜載試驗結果

在光伏場區現場選取3種樁徑共9根鋼管螺旋樁作為試驗樁，通過靜載試驗得到單樁的抗拔承載力最大值，然后取每種樁徑下的平均值，最終得到單樁的抗拔承載力靜載試驗結果，具體如表1所示。

2" 不同標準下的抗拔承載力計算方式與結果

本文主要針對GB 51101—2016和DB41/T 2125—2021中關于鋼管螺旋樁抗拔極限承載力的計算方式與結果進行研究。

2.1" GB 51101—2016的計算方式及結果

根據GB 51101—2016的第5.3.10條，單樁的抗拔極限承載力標準值Tuk可根據土的物理力學指標和承載力參數之間的經驗關系進行確定，其計算式為：

（1）

式中：λi為第i層土的抗拔系數，巖石可取0.8，砂土可取0.5，黏性土、粉土可取0.7；ui為第i層土中樁周計算周長，具體取值按該標準中的表5.3.10進行取值；qsik為樁側第i層土的極限樁側摩阻力標準值；li為樁周第i層土的厚度。

根據GB 51101—2016中單樁的抗拔極限承載力標準值計算式得到的計算結果如表2所示。

2.2" DB41/T 2125—2021的計算方式及結果

根據DB41/T 2125—2021的第5.3條，鋼管螺旋樁的抗拔極限承載力標準值的計算模式分為倒圓臺承載模式、葉片式承載模式和圓柱剪切承載模式。根據本光伏場區采用的鋼管螺旋樁的尺寸及樁基埋深，適用的計算模式有倒圓臺承載模式和葉片式承載模式兩種。

倒圓臺承載模式下單樁的抗拔極限承載力標準值Quk的計算式為：

（2）

式中：n為土層總數；Vi為倒圓臺內第i層地基土的體積；fj為第j層葉片承擔的荷載；W為樁的重量。

倒圓臺承載模式下的單樁抗拔極限承載力標準值的計算結果如表3所示。

葉片式承載模式下單樁的抗拔極限承載力標準值Quk的計算式為：

（3）

式中：f1為樁土界面摩阻力；m為葉片總層數。

葉片式承載模式下的單樁抗拔極限承載力標準值的計算結果如表4所示。

3" 結果分析

對依據不同標準得到的單樁抗拔極限承載力標準值計算結果與現場試驗結果進行對比，分別得到兩種標準下的計算結果與現場試驗結果的偏差，如表5所示。

從表5中的數據可以得到以下結論：

1）從現場試驗結果來看，鋼管螺旋樁樁徑的增加對單樁抗拔極限承載力有一定的提高作用，但提高作用有限。樁徑從76 mm增加至114 mm，截面積增加了52.7%，但單樁抗拔極限承載力僅增加了33.4%。因此，若要提高單樁抗拔承載力，建議還是從增加葉片的道數或葉片直徑的方向采取措施。

2）通過對比不同標準下的計算結果可發現，倒圓臺承載模式得到的單樁抗拔極限承載力標準值計算結果比葉片式承載模式及GB 51101—2016得到的計算結果都低，結果最為保守。

3） 相較于現場試驗結果，倒圓臺承載模式得到的單樁抗拔極限承載力標準值計算結果最為接近，不同樁徑下的最大偏差僅為7.23%；GB 51101—2016的計算結果次之；葉片式承載模式的計算結果偏差較大。

綜上可知，在進行光伏發電項目設計時，若估算單樁抗拔極限承載力，建議采用DB41/T 2125—2021中的倒圓臺承載模式的計算公式，得到的計算結果最保守也最接近現場實際情況。

4" 結論及建議

本文以某交能融合項目路域的光伏場區為例，通過現場試驗得到了單根鋼管螺旋樁的抗拔承載力數據，再將根據不同標準得到的計算結果與現場試驗結果進行了對比，并根據對比結果給出了計算公式應用建議。得到以下結論：

1）從現場試驗結果來看，鋼管螺旋樁樁徑的增加對單樁抗拔極限承載力有一定的提高作用，但提高作用有限，性價比較低。若要提高單樁抗拔極限承載力，建議還是從增加葉片的道數或葉片直徑的方向采取措施。

2）在進行光伏發電項目設計時，若要估算單樁的抗拔極限承載力，建議采用DB41/T 2125—2021中的倒圓臺承載模式的計算公式，得到的計算結果最保守也最接近現場實際情況。

需要說明的是，本項目中光伏場區主要位于回填邊坡上，而邊坡的回填時間較短，尚未完成自然沉降，邊坡土質也較為松散，且存在壓實不均勻等情況，導致實測的單樁抗拔承載力試驗值浮動較大。此外，在螺旋樁鉆進時，由于施工器械、施工工藝及施工人員的技術水平等因素的影響，樁基施工過程中對其周圍土體的擾動程度也不盡相同，因此單樁抗拔承載力也會受到不同程度的影響。由于本研究中鋼管螺旋樁的樣本數量較少，且固定了樁長、葉片直徑、葉片道數、葉片間距等變量，僅考慮了樁徑的變化，無法全面考察各個變量對單根鋼管螺旋樁抗拔承載力的影響程度。針對這些不足，在后續的研究中可以通過加大樣本數量，選擇符合標準的場地，對施工機械、施工工藝及施工人員的技術水平等外部因素加以控制等方法，對鋼管螺旋樁單樁抗拔承載力的受力機理和計算模式進行更深入的研究。

[參考文獻]

[1] 吳繼峰，吳萍，王鑫. 葉片式螺旋鋼管樁抗拔承載力的試驗研究[J]. 公路工程，2018，43（4）：180-185.

[2] 董天文，梁力，黃連壯，等. 螺旋樁基礎抗拔試驗研究[J]. 巖土力學，2009，30（1）：186-190.

[3] 董天文，李士偉，張亞軍，等. 軟土地基螺旋樁豎向抗拔極限承載力計算方法[J]. 巖石力學與工程學報，2009，28（S1）：3057-3062.

[4] 張新春，何澤群，董思捷，等. 砂土中鋼管螺旋樁安裝扭矩的研究[J].中國工程機械學報，2019，17（5）：391-396.

[5] 喬紅軍，彭麗云，楊成才，等. 葉片式螺旋樁靜載試驗及數值模擬[J].北京建筑大學學報，2017，33（4）：12-17.

[6] 劉兵科. 葉片式鋼管螺旋樁試驗研究及樁型參數優化[J]. 施工技術，2019，48（4）：93-97.

[7] 馬藝琳，王毅娟，魏新良. 豎向承壓螺旋樁承載力影響因素對比分析[J]. 北京建筑大學學報，2017，33（4）：22-26.

[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 太陽能發電站支架基礎技術規范：GB 51101—2016[S]. 北京：中國計劃出版社，2016.

[9] 河南省市場監督管理局.公路鋼管螺旋樁設計施工技術規范：DB41/T 2125—2021[S]. 河南：[出版者不詳]，2021.

[10] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑樁基技術規范：JGJ 94—2008 [S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

Calculation and research on ULTIMATE TENSILE bearing capacity of steel pipe spiral pile for PV bracket foundation in the road area of transportation and energy INTEGRATION project

Hu Chuanpeng

（China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Guangdong Guangzhou 510663，China）

Abstract：Due to its excellent economy and applicability，steel pipe spiral pile are the preferred form of PV brackets foundation in many PV power generation projects. However，there are significant differences in the calculation formula for the ultimate tensile bearing capacity of steel pipe spiral pile between the two domestic design standards for steel pipe spiral pile. How to choose more reasonable standard in practical engineering is troubling engineering designers. This paper takes the PV field area of a certain transportation energy integration project as an example，and obtains the tensile bearing capacity data of a single steel pipe spiral pile through on-site tests. The on-site test results are compared with the calculation results obtained under different standards， and based on the comparison results，application suggestions for the calculation formula are given. The research results show that：1） From the on-site test results，it can be seen that increasing the diameter of steel pipe spiral pile has a certain improvement effect on the single pile's ultimate tensile bearing capacity，but the improvement effect is limited，which is a low cost-effectiveness. To improve the tensile bearing capacity of a single pile，it is recommended to taking measures in the direction of increasing the number of blades or blade diameter. 2） When designing PV power generation projects，it is recommended to use the calculation formula for the inverted cone bearing mode in DB41/T 2125—2021 to estimate the ultimate tensile bearing capacity of a single pile. The calculated results are the most conservative and closest to actual situation on-site.

Keywords：transportation and energy integration；PV bracketss；steel pipe spiral pile；ultimate tensile bearing capacity；canonical formula

基金項目：中國能建廣東院科技項目“綜合交通與能源融合關鍵技術研究與工程示范”（CEEC2021-KJZX-08-2）

通信作者：胡傳鵬（1987—），男，碩士、高級工程師，主要從事電力、市政及工業與民用建筑結構設計方面的工作。huchuanpeng@gedi.com.cn