研制一种直顶式轻型光伏管桩抗拔试验方法及工装的实践

段佩怡 张元海

(1.东南粤水电投资有限公司，海南 海口 570203；2.广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511304；3.徐闻县粤水电能源有限公司，广东 湛江 524000)

1 工程概况

遂溪县官田水库光伏发电项目位于广东省湛江市遂溪县官田乡，地理位置为东经110°10′12″，北纬21°11′25″。装机容量50MW，由光伏区、升压站、生产楼等组成，光伏区为水库消落区，占地面积552亩(见图1)。工程光伏板支架采用管桩作为基础和承载柱，采用单根半埋基础、半露柱结构，埋深2.5～3.5m，柱高3～6m(见图2)，单根管桩抗拔力为3kN。

图1 遂溪县官田水库50MW光伏发电项目光伏区布置

图2 光伏板支架

2 课题选择

2.1 明确需求

工程管桩总数为13000根，考虑到光伏板受到风等荷载作用，管桩会承受到光伏板传递下来的上拔荷载，因此，需对光伏管桩进行抗拔试验，根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)，单桩竖向抗拔静载试验的检测数量应不少于总桩数的1%，管桩试验数量为200根，要求在汛期前水库水位较低时完成施工，为了节省工期，研发一种轻型的光伏管桩抗拔试验方法及工装，非常必要。

2.2 对比分析

现有抗拔技术采用反力梁或其他结构，针对大吨位、大直径地下工程桩地面试验，试验装置笨重，管桩抗拔力在20kN左右，而对于半埋半露的光伏支架，基础管桩的抗拔力在3kN左右，抗拔力级别相差较大，大型试验设备由于装置笨重，需要机械辅助，试验方法复杂，导致单根管桩抗拔试验的耗时长，对工期不利。现有的抗拔试验工装情况见表1。

表1 现有抗拔试验方法及使用工装情况

2.3 查询借鉴

借鉴行业内半埋半露光伏支架基础管桩的试验装置、试验方法，经网络查询，有一项发明专利“一种渔光互补光伏发电超高桩基的检测用工装及检测方法”对光伏管桩抗拔力检测的借鉴意义较大(见表2)。

表2 方案借鉴情况

3 设定目标及目标可行性论证

3.1 设定目标

通过对比分析，确定目标为研制一种轻型的光伏管桩抗拔试验方法及工装，光伏管桩抗拔试验工装总重量与现有抗拔试验装置重量相比减少75%，单根管桩抗拔试验耗时减少60%。

3.2 目标可行性论证

根据借鉴查询内容，抗拔装置由1个抱箍、2个液压千斤顶、一块反力梁以及2个垫块组成，其重量集中在反力梁和垫块，经计算，该套抗拔设备重量为250kg，其中反力梁的重量为180kg，占总重量的72%，本次活动拟通过减少反力梁的设置达到减少总重量75%的目标，在重量减少之后，操作更加方便，工时也会相应减少。

此外，研发人员包括1名教授级高级工程师、2名高级工程师，本课题资金支持来源为科研费用，具备完成这项课题的人力和资金支持。

4 提出方案并确定最佳方案

4.1 提出总体方案

通过调研、学习、借鉴管桩抗拔试验原理，从内而外剖析了借鉴方案，分析该方案的优缺点，并在该方案的基础上提出创新点，最终提出了抗拔试验方法及工装方案：直顶式轻型光伏管桩抗拔试验方法及工装，主要创新点为采用直顶式的传力方式，取消反力梁，可大大地减少了试验工装的重量。方案对比见表3。

表3 方案对比分析

通过对比分析，方案三具有一定的合理性与创新性，确定总体方案为“直顶式轻型光伏管桩抗拔试验方法及工装”，质量轻，人工可搬动，安拆灵活，可周转使用。

4.2 确定分级方案

根据确定的方案，归纳总结，对光伏管桩抗拔试验方法及工装的研发进行进一步分解(见图3)，其中抱箍的稳定性是保证试验工装轻型化的重要方面。

图3 方案系统分解

4.2.1 抱箍设计

抱箍为千斤顶和管桩之间的传力装置，使用要求是需要与管桩固定牢固，使得千斤顶作用时抱箍不会与管桩发生相对位移，影响试验结果。可以采用单抱箍和双抱箍两种形式，通过对两种设计进行对比(见表4)，最终选定双抱箍组作为抱箍设计方案。

表4 抱箍设计及制作

4.2.2 支座设计

通常采用的支座为借鉴方案中的垫块，制作简单，但通常需要定制，且不能重复使用，为减轻支座重量，将支座设计成框架型式，减少材料用量，同时为了适应施工现场的特殊要求，赋予支座高度可调节的功能。实心垫块和框架支座的对比分析见表5。

表5 支座设计及制作

4.2.3 千斤顶选型

千斤顶及加压泵根据抗拔力选取，千斤顶行程大于10cm，柱塞直径大于30mm，承载能力大于5t；加压泵采用手动加压，最大压力大于100MPa。

4.2.4 观测定位线工装设计

观测定位线用于管桩位移观测，观测管桩在受到上拔力时是否发生了位移，本着简便、准确原则，定位线由两个带钎刺的细钢棒和鱼线组成，钢钎刺插入管桩两侧的土岩层中，鱼线将钢钎刺水平连接，鱼线在管桩紧邻但不密贴。

5 制定对策

根据总体方案以及制定的分级方案，制定对策(见表6)。

表6 对 策

6 对策实施

6.1 实施对策一

根据总体方案和分级方案及抗拔试验要求、分级方案要求，通过优化试验方法减少反力梁的设置，采用框架支架的型式降低支承墩的重量，并根据本工程的管桩直径等情况进行抗拔工装的设计(设计结果见表7、图4～图6，整套试验工装所需的工具见表8)。

图4 抱箍组BIM设计

图5 板凳式可调支座BIM设计

图6 抗拔工装整体方案BIM设计

表7 抗拔试验装置设计结果

表8 抗拔工装配套设备、工具

6.2 实施对策二

委托有丰富制作经验的厂家，按照提供的制作图纸进行抱箍和支座的加工制作。

6.3 实施对策三

实施抗拔试验的地点为遂溪官田50MW光伏电站光伏发电场区，试验时间为管桩施工完成后，试验步骤见流程见图7。

图7 光伏管桩抗拔试验流程

6.3.1 管桩引钻孔植桩及试验桩选择

半土半岩地层中进行预应力管桩打设，需要先在土层中引孔，在下部岩层中钻孔，岩层中孔径略大于桩径，孔深低于设计高程5cm以内，成孔后用植压桩基将管桩种植于孔内，利用振动压桩时带入孔中的孔口填充料或孔壁下落至孔底的积渣形成浆渣充填孔间隙，管桩桩身与孔壁接触充填情况决定了抗拔力大小，试验桩选择经目测填充少或不密实的管桩，而不选择孔口冒浆的管桩(见图8、图9)。

图8 不密实孔口

图9 密实孔口

6.3.2 安装抗拔试验工装

a.支座安设。采用铁铲、锄头、羊角锄将管桩支座位置整平，整平支座面时，注意避免将渣土掉入桩壁空隙中；两个支座支撑面可以不在同一高程，由板凳可调高程及千斤顶行程进行调节；如遇地面承载力不足或岩石块时，可以采用木条支垫(见图10)。

图10 支座安设

b.千斤顶加压泵安设及连接。千斤顶支立在可动支座钢板上，对侧设立，上端与抱箍悬臂对应钢板传力件接触。加压泵在桩周边平整地面择地安设，加压泵下部支垫木条或木板调平，加压前检查油泵油量；千斤顶与加压泵采用一分二的高压油管连接，连接时注意加力，防止接口漏油。

c.抱箍组安设。上下抱箍分半串接。将上下对应半抱箍用直螺栓连接件连接(见图11)。

图11 上下抱箍分半串接

抱箍位置确定。根据千斤顶放置在支座上的高度，确定下抱箍在桩身上的位置(地面高+实际支凳高+千斤顶净高)，将抱箍两侧悬臂位置对准千斤顶位置，在连接口依次穿入连接螺栓和螺栓+传力钢板体，用活动扳手拧紧，抱箍与管桩桩身采用软胶垫分隔保护(见图12)。

抱箍连接。下抱箍固定后，可同步安装上抱箍结构，用对侧螺栓将上抱箍的两半固定连接在管桩桩身的适当位置上，对侧螺杆上穿入传力钢板，抱箍与管桩桩身采用软胶垫分隔保护(见图12)。

图12 抱箍安装示意图

d.定位线安设及对照刻度线设置。以上步骤实施完毕后，将钢钎刺插入管桩两侧的土岩层中，由鱼线将钢钎刺水平连接，鱼线与管桩紧邻但不密贴，水平鱼线作为标线对应管桩桩身处画设的试验参照红线(见图13)。

图13 抗拔试验工装安装完成图

6.3.3 加压观测

选定试验管桩长度7.5m，设计抗拔力3kN，根据抗拔力进行加压上下限设置，压力表以MPa为单位，抗拔力以kgf为单位，千斤顶油缸直径以cm为单位，承载力以N为单位，需要统一单位并进行计算。人工逐步打压至5MPa，打压过程中观察抱箍是否上移，油路结构是否漏油，悬臂是否明显变形，如有则采取措施；打压至设计压力前管桩对应参照线是否上移，上移即意味本管桩抗拔力不合格(见图14)。

图14 参照线观测

试验结束立即停止计时，记录从安装到调试的试验总耗时为1h，试验装置满足要求，可以投入使用。

7 效果检查

将研制的工装用于遂溪光伏项目的管桩抗拔试验检测，并将应用结果与徐闻鲤鱼潭水库光伏电站的管桩抗拔试验方法进行了对比(见表9)，本次活动在进行200根管桩抗拔试验中不需要机械辅助，人工独自完成，抗拔试验装置重量从250kg减少到60kg，减少了76%，单根管桩抗拔试验耗时从3h减少到1h，减少了67%，由于重量减少，单根管桩抗拔试验所需人数从4人减少到2人，综上，本次QC活动达到了预期的目标。

表9 抗拔试验方法及工装应用成果对比

8 标准化

2021年3月，对设计的支座、抱箍组的相关参数以及设计图进行存档，编写了《光伏管桩抗拔试验工装及方法手册》，对试验方法以及应用条件及注意事项作了特别的说明，为这套抗拔试验装置的使用制定了标准。并将成果总结，完成了2项专利的申报(见表10)。

表10 本次成果专利申请明细

9 结 语

本次QC小组活动严格遵守PDCA程序，先后经过5次大的循环、10次小的循环，连续不断开展了四个阶段即计划(Plan)、实施(Do)、检查(Check)和处理(Action)的工作，分析问题时做到了一环紧扣一环具有逻辑性，QC活动能恰当准确地应用图表来归纳问题、发现问题和分析问题，并深入施工现场调查取证，以客观事实为依据，以数据做支撑，采用科学的方法来解决问题。