预钻孔螺旋钢管桩在国家风光储输示范项目中的应用

上海电力设计院有限公司 ■ 章荣国

预钻孔螺旋钢管桩在国家风光储输示范项目中的应用

上海电力设计院有限公司 ■ 章荣国

结合国家风光储输示范项目具体情况，对采用预钻孔螺旋钢管桩光伏组件支架基础进行选型分析，介绍了预钻孔螺旋钢管桩基础的理论计算，并对理论计算结果与现场测试结果进行对比，结果表明两者具有较好的一致性；同时，本文也给出了几种典型的预钻孔螺旋钢管桩节点详图和相关技术要求。

光伏组件支架基础；预钻孔；螺旋钢管桩；灌浆

0　引言

国家风光储输示范工程一期光伏发电建设容量为40 MW，为配合项目整体的联调，尽早实现并网发电，光伏电站的建设工期相当紧张。光伏组件支架基础施工是影响光伏电站建设的关键因素，传统的光伏组件支架基础主要有钢筋混凝土扩展基础、钢筋混凝土灌注桩基础。由于受本场地地质条件、施工周期、环保等限制，不适宜采用传统的光伏组件支架基础。在经过综合比较后，本工程采用了一种新型的光伏组件支架基础——预钻孔螺旋钢管桩基础，实践证明，该基础具有施工速度快、承载能力高、对生态环境破坏小、维护方便等优点。

1　工程地质概况

光伏场地主要揭露地层为下伏第3系中新统汉诺坝组玄武岩，上覆第4系坡、残积的碎石类土及场地新近整平形成的回填土。场地按岩性及工程性质自上而下主要地层为：

1)回填土：主要成分为场区内挖方形成的碎石类土、块石、粉土等。该层土呈杂色，稍湿、稍密为主，颗粒不均匀，物理和力学性质差异性较大，在场地内分布不连续，一般厚度在0.5～2.0 m，多呈尖灭状分布，层位较混乱。

2)碎石土：杂色、稍湿、中密，主要成分为玄武岩碎块，粉土充填，局部混有漂石。本层在场地内分布不均匀，且大多与上部回填的碎石土直接接触，层位较混乱。本层厚度一般为0.7～3.0 m，并呈尖灭状分布。

3)强风化玄武岩：灰黑色，斑状结构，斑晶主要为橄榄石和角闪石等，气孔状构造，岩芯呈碎块或短柱状，RQD一般为20～40，破碎状态。

2　光伏组件支架基础选型

根据光伏场地的地质概况可知，在光伏场地浅部大部分为回填土、碎石土和强风化玄武岩层，光伏组件支架基础所涉范围内地层中含有大块石、碎石。光伏组件支架基础若采用钢筋混凝土扩展基础，土方开挖和回填工程量大，施工开挖很困难，大面积开挖对环境破坏严重，施工进度也不能保证，综合费用高，而且项目所在地在10月下旬就进入霜冻期，因此可利用施工工期很短。若采用钢筋混凝土灌注桩基础，直径一般约为250 mm，根据场地的地质条件，成孔难度大、效率低，且桩身养护周期长。

相对于传统的光伏组件支架基础，预钻孔螺旋钢管桩基础具有以下优点：1)不需要大开挖，可在10 min之内安装至地面，可大幅提高施工进度；2)施工完可立即安装组件支架系统，无需混凝土养护时间；3)施工不破坏生态及植被，电站完成使命后可进行回收，迅速恢复环境原貌；4)螺旋钢管桩可作为接地极，减少接地造价和施工工程量。

通过比较分析，决定在光伏东区的光伏组件支架基础均采用预钻孔螺旋钢管桩基础。根据场地的地质情况，桩长分为两种：在有完整的岩石出露区桩长定为1.6 m；在碎石、回填土、粉性土区域桩长定为2.1 m。图1为预钻孔螺旋钢管桩设计图。

图1　预钻孔螺旋钢管桩设计图(单位：mm)

结合本项目的特点，螺旋钢管桩的施工方案采用预钻孔灌浆沉桩技术，施工流程如图2所示。由于该施工工艺先在钻孔内灌注水泥砂浆，然后再旋入螺旋钢管桩，水泥砂浆通过螺旋钢管桩的挤压渗入周围土层，并通过桩身预留孔流入钢管桩内，大幅加强了螺旋钢管桩与周围土层间的握裹力；同时，桩身周围的水泥砂浆对桩身也起到防腐保护作用，增加了桩身耐久性。

图2　预钻孔灌浆沉桩施工流程

根据该项目运营期间的反馈，光伏东区有部分钢筋混凝土扩展基础由于受回填土的压缩变形的影响产生不均匀沉降，上部光伏支架进行了多次调整；而同样地质条件的光伏西区，由于采用预钻孔螺旋钢管桩，光伏支架基础的沉降变形非常小，上部光伏支架调整次数很少，这说明预钻孔螺旋钢管桩维护更方便。

3　预钻孔螺旋钢管桩基础理论计算及现场承载力测试

3.1光伏组件阵列布置及桩顶作用效应

按本项目地的气象条件，在考虑顺风和逆风、雪荷载和组件支架系统自重荷载多种组合的情况下，计算出预钻孔螺旋钢管桩单桩桩顶最大荷载作用效应为[1]：

1)单桩最大竖向抗压荷载作用效应Qk=13.85 kN；

2)单桩最大竖向抗拔荷载作用效应Nk=12.02 kN；

3)单桩最大水平荷载作用效应Hk=5.8 kN。

3.2预钻孔螺旋钢管桩单桩承载力计算[2]

3.2.1单桩竖向抗压承载力计算

根据JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》，预钻孔螺旋钢管桩单桩竖向抗压承载力可按式(1)进行计算：

式中，Quk为单桩竖向抗压极限承载力标准值；μ为桩身周长；qsik为桩侧第i层土极限侧摩阻力标准值；li为桩侧第i层土厚度；λp为桩端土塞效应系数，按本式计算时取1；qpk为桩端土极限端阻力标准值；Ap为桩端面积。

根据场地的工程地质情况，在不考虑抗冻拔稳定性的情况下初步选用两种桩长：在桩长范围土层性质较好时，桩长定为1.6 m；其他地层情况桩长定为1.8 m。利用地质报告中的参数，选择最不利情况下进行单桩竖向抗压承载力计算，得到桩长为1.6 m时单桩竖向抗压承载力特征值为22 kN，桩长为1.8 m时单桩竖向抗压承载力特征值为28 kN。两种桩长的单桩竖向抗压承载力特征值均大于13.85 kN，因此，满足竖向抗压承载力要求。

3.2.2单桩竖向抗拔承载力计算

根据JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》，预钻孔螺旋钢管桩单桩竖向抗拔承载力特征值可按式(2)进行计算：

式中，λi为抗拔系数；Gp为基桩自重。

利用地质报告中的参数，选择最不利情况下进行单桩竖向抗拔承载力计算，得到桩长为1.6 m时单桩竖向抗拔承载力特征值为20 kN；桩长为1.8 m时单桩竖向抗拔承载力特征值为21 kN。两种桩长的单桩竖向抗拔承载力特征值均大于12.02 kN，因此，满足竖向抗拔承载力要求。

3.2.3单桩水平承载力计算

根据JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》，预钻孔螺旋钢管桩单桩水平承载力特征值可按式(3)进行计算：

式中，Rha为单桩水平承载力特征值；α为桩的水平变形系数；EI为桩身抗弯刚度；x0a为桩顶允许水平位移；vx为桩顶水平位移系数。

利用地质报告中的参数，按式(3)计算得到桩长为1.6 m时单桩水平承载力特征值为5.85 kN，桩长为1.8 m时单桩水平承载力特征值为6.52 kN。两种桩长的单桩水平承载力特征值均大于5.8 kN，因此，满足单桩水平承载力要求。

从3.2.1～3.2.3中的计算可看出，在不考虑抗冻拔稳定性的情况下，本项目预钻孔螺旋钢管桩基础主要是受水平承载力控制。

3.2.4单桩抗冻拔计算

根据JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》，对于季节性冻土上轻型建筑的短桩基础，需验算其抗冻拔稳定性。本工程标准冻深为1.8 m，由于场地内强风化玄武岩区域属非冻胀土，无需验算其抗冻拔稳定性，桩长取1.6 m即可满足要求。而在有冻胀土区域，需验算预钻孔螺旋钢管桩的抗冻拔稳定性。预钻孔螺旋钢管桩抗冻拔稳定性可按式(4)进行计算：

式中，ηf为冻深影响系数；qf为切向冻胀力；z0为标准冻深；Tuk为单桩抗拔极限承载力标准值；NG为桩顶所受上部支架的自重标准值。

利用地质报告中的参数，在有冻胀土区域按最不利地质条件进行抗冻拔稳定性计算，桩长需达到2.1 m时方可满足抗冻拔稳定性要求。

3.2.5桩长确定

根据3.2.2～3.2.4中的计算，本工程虽然桩长在强风化玄武岩区域采用1.6 m、在其他区域采用1.8 m时均能够满足承载力要求，但在有冻胀土区域却不满足抗冻拔稳定性要求。因此，根据3.2.4中的计算，在非冻胀土的强风化玄武岩区域可选择采用1.6 m的桩长，在有冻胀土区域需采用2.1 m的桩长。

3.3预钻孔螺旋钢管桩现场承载力测试

在预钻孔螺旋钢管桩正式施工前，为验证施工工艺的可行性和单桩承载力，在整个光伏场区选择具有代表性的16个点位处进行了16根螺旋钢管桩试沉桩和现场承载力试验工作。通过现场试桩单位反映，各种地层条件试沉桩单桩费时10 min以内，沉桩速度较快，因此，本文所采用的施工工艺是可行的。

表1为现场对16根预钻孔螺旋钢管桩进行的单桩承载力测试结果。对比试验结果与理论计算结果，两者基本一致，因此，本文对于单桩承载力的理论计算结果是可靠的。

表1　单桩承载力现场测试结果

4　螺旋钢管桩连接节点及相关技术要求

4.1螺旋钢管桩连接节点

图3～图5为几种典型的螺旋钢管桩连接节点做法。

图3　管桩与承台连接节点(单位：mm)

图4　管桩与支架法兰盘连接节点(单位：mm)

图5　钢管桩与支架插入式连接节点(单位：mm)

4.2螺旋钢管桩相关技术要求

4.2.1螺旋钢管桩在运输和堆放过程中的要求

1)堆放场地应平整、坚实、排水通畅；

2)桩的两端应有适当保护措施，钢管桩应设保护圈；

3)钢管桩应按规格、材质分别堆放。

4.2.2螺旋钢管桩的检测要求[3]

1)所有桩应进行抽样检测，检测内容为基桩的完整性检测及竖向承载力和水平承载力检测；

2)桩身质量检测包括桩身尺寸、桩螺旋焊接质量、桩身热浸镀锌质量检测，检测数量不少于总桩数的30%；

3)竖向承载力检测采用静荷载试验法，原则上相同条件的一组桩选取3根，选取方法为抽样随机法，若现场监理或设计方等有关单位对桩身质量或沉桩质量有疑问时，可增加检测的桩基数量；

4)水平承载力检测采用水平静荷载试验，原则上相同条件的一组桩选取3根工程桩进行水平承载力的检测，以确定单桩在设计水平荷载作用下的水平位移值。

4.2.3构造要求

1)为避免螺旋叶片焊接和沉桩时所产生的扭矩及挤压力对管壁的破坏，一般管桩壁厚不宜小于4 mm；

2)螺旋叶片与钢管之间应采用连续焊接，焊缝高度不应小于焊接工件的最小壁厚；

3)螺旋叶片的外伸宽度与叶片厚度之比不宜大于20；

4)钢管桩应采用热镀锌防腐处理，镀锌层厚度应符合GB/T 13912《金属覆盖层钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法》的规定。

5　结论与建议

1)本文通过对采用预钻孔螺旋钢管桩在国家风光储输示范项目中的应用分析，可得出以下结论和建议：螺旋钢管桩光伏支架基础相对传统的光伏支架基础在施工阶段具有施工速度快、承载能力高、对生态环境破坏小、维护方便等优点，在光伏电站建设中具有推广价值。

2)在地基土不易采用自旋沉桩的情况下，采用预钻孔灌浆沉桩施工工艺是可靠的。

3)通过桩基承载力理论计算结果与现场桩基承载力测试结果的比较可看出，JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》中有关单桩承载力计算公式是适用于螺旋钢管桩的。

4)由于应用于光伏支架基础的螺旋钢管桩与其他桩型相比具有一定的独特性，因此在设计、制作、施工过程中，应针对其特点提出具有针对性的技术要求。

[1] GB 50009-2012, 建筑结构荷载规范[S].

[2] JGJ 94-2008, 建筑桩基技术规范[S].

[3] JGJ 106-2014, 建筑桩基检测技术规范[S].

2016-04-18

章荣国 (1980—)，男，硕士研究生、高级工程师，主要从事新能源工程结构设计工作。zrg80@126.com