特殊地质条件下地面光伏支架基础设计要点分析

2022-04-25杨慧

智能建筑与智慧城市 2022年4期

关键词：盐渍陷性黄土

杨慧

（中国电子工程设计院有限公司）

1 引言

目前，地面光伏电站占地面积大，在现有政策下，只能利用荒地、沙漠、废弃地等未利用地进行建设，传统的基础形式不能适应现有条件，特殊地质条件下的支架基础体量增加。因此，研究分析特殊地质条件下基础选型、设计及构造具有重要意义。

2 国内外发展现状

目前，主要进行光伏行业建设发展的国家有美国、日本、德国、印度等，这些国家的光伏建设主要为利用屋顶分布式、水塘等小规模建设，对组件的转化效率等未有较高要求。

根据国内光伏电站的建设现状，一般地面项目广泛应用的光伏支架基础形式有钢制螺旋地锚基础、微孔灌注桩基础、预应力管桩基础、钢筋混凝土独立基础等[1-4]。

3 用于特殊地质条件下的光伏支架基础研究

3.1 冻胀性地基支架基础

3.1.1 冻胀机理

冻胀是土壤受外界和其他因素的影响，土体中的水分超过一定数量，冻结土层体积发生了增大变化，使土体整体或局部膨胀，出现结构变形的现象。

3.1.2 冻胀土中支架基础设计

冻胀土地基中光伏支架基础通常采用桩基础，即可使用预应力混凝土管桩又可使用灌注桩，桩身设计应计算土产生的冻胀力[5]。

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），季节性冻土上轻型建筑的短桩基础，应按下列公式验算其抗冻拔稳定性：

式中：ηf为冻深影响系数，按规范表4.2 采用；qf为切向冻胀力，按规范表4.3 采用；z0为季节性冻土的标准冻深；Tuk为标准冻深线以下单桩抗拔极限承载力标准值；NG为基桩受的桩承台底面以上建筑物自重、承台及其上土重标准值；Gp为基桩自重，地下水位以上取浮重度。

支架桩基础设计时，应考虑以上冻胀力产生的上拔力，通过增加桩长或者桩径满足设计要求。

3.1.3 实例

农安流源与农业相结合分布式光伏发电项目位于吉林省长春市农安县（见图1），总装机容量20 MW，总投资1.8亿元。占地面积约1100亩。

图1 农安流源与农业相结合分布式光伏发电项目

地质环境：冻深为1.7m，属强冻胀土；冻胀等级Ⅳ级，地下水位0.7m～1.4m，属潜水。

支架类型：单立柱支架，组件竖二布置，支架结构由组件、檩条、主梁、斜撑、立柱、基础组成，倾角40°。

通过支架计算桩顶反力：竖向压力22.58kN，竖向拔力6kN，水平推力4kN（标准组合），经计算，本项目支架基础采用φ300的预应力混凝土管桩基础，桩身出地面2.0m，桩尖入粉质黏土层约2.7m。根据地勘报告标准冻深为170cm，基础持力层为粉质黏土层，桩极限侧摩阻力标准值为60kPa，具有强冻胀性且qf= 80kPa，桩长3.5m。

根据公式：

F冻>F抗，不满足要求；经计算桩长8m，满足要求。

考虑项目成本，本工程采用桩长入土3.5m，采用冻土层范围内特殊处理，采取预引孔600mm，并在冻土层范围内桩身满粘4mmSBS 防水卷材，长度1.9m，周围填粗砂，通过上述措施抵消冻胀力，经计算与实践，满足使用要求。

综上所述，设计时，当地土具有冻胀性，建议采取构造措施消除冻胀力，而不用加长桩长的方式处理。

3.2 盐渍地基支架基础

3.2.1 盐胀机理

土壤中含有一定的硫酸钠，当硫酸钠含量超出设计规定范围，温度降到一定数值时，含盐浓度大于土壤中硫酸钠的溶解度，开始了结晶过程，在结晶过程中，土壤形态发生了变化，表面松散，硬质表面形成盐皮、盐壳或盐盘等状，体积膨胀，容重急剧降低，土壤的此现象称为盐胀。

3.2.2 盐渍土中支架基础设计

在盐渍土地基中，首先应根据地勘资料判定当地盐渍土的盐胀等级，若无盐胀性则可按一般地面项目支架设计。若出现盐胀，尤其是强盐胀土，则需要考虑盐胀对其的影响。

在盐渍土地中，桩身承载力计算除满足《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）外，还应满足《盐渍土地区建筑技术规范》（GBT50942-2014）的要求。

根据具有盐胀性盐渍土分布情况，光伏支架基础可采用两种形式。

1）灌注桩基础

此类基础适用于表层土具有盐胀性，桩崁固端无盐胀或者盐胀作用小，此时可利用土的嵌固作用抵抗上层土的盐胀力，防止整个桩的向上拱起。

2）条形基础

此类基础适用于表层无盐胀性，深层土具有盐胀性，这类盐渍土地基不适应采用桩基础，将支架基础浅埋防止深层土被扰动，若表层土松散，可将条形基础变为“井字梁”基础甚至筏板基础。

对于光伏项目，因光伏组件、支架基础自重轻，受盐胀影响较为严重，在条件满足情况下可进行室内试验，对盐渍土的物理性能进行测定，若无条件，需采用一定的构造措施，减小盐胀对支架基础的影响。

3.2.3 实例

平安区“十三五”6.9兆瓦村级光伏扶贫项目，场址位于海东市平安区洪水泉乡井尔沟村石膏梁，海拔高度2872m。场址区用地性质属于一般农用地，用地总面积为195亩。

地质环境：光伏场地内场地土类别为盐渍土，且盐胀等级为强盐胀。

支架类型：双立柱支架，组件横四布置，支架结构由组件、檩条、主梁、斜撑、立柱、基础组成，倾角33°。

基础参数：采用条形基础（见图2）。

图2 平安区“十三五”6.9兆瓦村级光伏扶贫项目

该项目0.5m 深度范围内土体不具有盐胀性，0.5m 以下土为盐渍土具有强盐胀性，考虑到安全因素和项目成本，若采用桩基础，桩长会很深且计算不明确。因此，本项目采用天然基础，又因首层土存在不均匀沉降，可通过减小光伏组件每组数量，保证单组支架仅含三个条形基础，使得单组支架形成一个较为刚性的整体，进而保证单组支架基础共同均匀沉降。

3.3 湿陷性黄土地基支架基础

3.3.1 湿陷性土质机理

湿陷性黄土最主要的特性是在土的自重压力或自重压力与附加压力共同作用下受水浸湿产生大量而急剧的附加下沉，会在桩侧表面产生的负摩阻力。负摩阻力会成为附加于桩侧表面的下曳荷载。

3.3.2 湿陷性土中支架基础设计

湿陷性黄土地基支架基础一般为灌注桩，在湿陷性黄土地基中，桩身承载力计算除满足《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）外，还应满足《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）。设置在湿陷性黄土场地上的桩基础，桩周土受水浸湿后，桩侧摩擦力大幅度减小，甚至消失，当桩周土产生自重湿陷时，桩侧的正摩擦力迅速转化为负摩擦力[6]。

湿陷性黄土地基中桩负摩阻力根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第5.4.4 条桩侧负摩阻力标准值，按下式计算：

当自重性湿陷性黄土和地下水位降低时，

式中：qn si为第i 层土桩侧负摩阻力标准值；ξni为桩周第i层土负摩阻力系数，对于自重湿陷性黄土ξni取值0.20～0.35；σ′γi为由土自重引起的桩周第i层土平均竖向有效应力；σ′γi为桩周第i 层土平均竖向有效应力；γe、γe为分别为第i计算土层和其上第e土层的重度，地下水位以下取浮重度；Δze、Δzi为第i层土、第e层土的厚度。

因此，在湿陷性黄土场地上，不允许采用摩擦型桩，设计桩基础除桩身强度必须满足要求外，还应根据场地工程地质条件，采用穿透湿陷性黄土层的端承型桩（包括端承桩和摩擦端承桩），其桩底端以下的持力层在非自重湿陷性黄土场地，必须是压缩性较低的非湿陷性黄土（岩）层；在自重湿陷性黄土场地，必须是低压缩性的非湿性土黄（岩）层。

这样，当桩周的土受水浸湿，桩侧的正摩擦力转化为负摩擦力时，便可由桩底的下部非湿陷黄土（岩）层所承受，同时桩基地基也不致因浸水引起湿陷，以保证支架基础的安全与正常使用。

3.3.3 实例

湟中县“十三五”34.1 兆瓦村级光伏扶贫项目，位于湟中县鲁沙尔镇白土庄村，位于湟中县城西侧约8km。海拔高度2737m，占地约784.2 亩，如图3所示。