冰层对光伏支架桩基础稳定性的影响分析

向辉雄

摘 要：为研究冰层对光伏支架桩基础稳定性的影响，通过建立水塘内水体和塘下土体的垂向温度分布数学模型，获得各典型年的冰层厚度变化过程，进行数值求解，确定冰层温度应力计算的几何模型；建立冰层热应力计算的数学模型，采用ANSYS程序对冰层应力场进行有限元求解及模型验证分析单桩在土体和冰层共同作用下的受力，进行稳定性评估；针对桩布设条件，计算桩与冰层应力分布规律，并进行对比分析。结果显示：同等环境条件下，桩体总长度大于9 m、桩体入土埋深大于4.4 m时，在计算所考虑的典型年气温变化条件下，桩体是安全可靠的，不会产生上拔现象。

关键词：寒冷；预制桩；冰层；桩-冰粘结力；冻胀；冻土

中图分类号：TM615/PM332.8  文献标志码：A

0  引言

现阶段，中国部分渔光一体光伏发电项目建设于东北、西北等寒冷地区，此类地区冬季冰期较长，最低环境温度可达-30 ℃，最大冰厚可达1.0 m。相比于水库、湖泊、海洋的冰层，水塘冰层（下文简称为“塘冰”）的面积较小，受岸坡约束作用更为强烈；塘内水体与塘底的热交换更为显著，塘冰热力生消及膨胀应力呈现出特有的规律。在渔光一体光伏发电项目中，光伏支架桩基础（下文简称为“桩”）布置在水塘中，塘冰在受到四周边界约束的同时，也会受到桩群的多点密集约束，且桩体自身的热力特性与冰层温度的互相耦合，使桩-冰冻结效应和冰层热应力分布均较为复杂。

基于此，本文以通威肇源100 MW渔光一体光伏发电项目为例，针对冰层对光伏支架桩基础稳定性的影响进行研究。鉴于冰情及桩-冰作用机理的复杂性，为提高研究结果的可靠性，采用理论分析、数值计算的方法分析桩与冰层的应力分布规律，并进行对比分析。以期该研究可为保证渔光一体光伏发电项目中光伏支架桩基础的稳定性提供参考。

1  冰层温度应力计算方案

计算冰层温度应力[1-4]是分析桩-冰作用机理及桩体稳定性的基础和关键，也是该分析过程的核心内容。对于塘冰而言，冰情演变主要受冰层温度影响[5]，冰层温度应力的计算需要通过整理分析当地多年的气象数据[6]，选取典型年气温变化，进而确定冰层的热边界条件，并结合具体布桩条件拟定计算方案[7]。

1.1  年气温资料整理及典型年选取

为确定计算冰层热应力时需选取的典型年，从中国气象数据网获取大庆市肇源县近20年的冬季气象数据，整理结果如表1所示。

对表1的结果进行分析后，选取不同情况下的典型年，具体如表2所示。

1.2  布桩条件

1.2.1  布桩情形

为充分研究冰层温度应力对桩的作用机理及作用方式，且为提高研究结果的普适性，分别选择本项目中位于不同点位的桩，对不同布桩情形下的温度应力和受力进行计算。

1.2.2  桩型及布桩位置

针对单桩条件下的桩-冰作用机理进行研究时，需考虑布桩位置（即冰层约束形式）的影响。本实验采用预应力高强混凝土（PHC）空心圆桩，并选取了3个具有代表性的约束形式，不同约束形式下的实际布桩位置示意图如图1所示。

1）约束形式1：4条边坡固定约束，布桩位置对应于水塘中點处（即图1中位置1）。

2）约束形式2：3条边坡固定约束，1条边自由无约束，布桩位置对应于边坡中点处（即图1中位置2）。

3）约束形式3：两条相临边坡固定约束，另外两条边坡自由无约束，布桩位置对应于塘角处（即图1中位置3）。

2  单桩条件下塘冰热应力有限元分析

2.1  水、土温度模型

利用ANSYS程序建立模型时，计算域范围为展向20 m，垂向13.5 m（包含水深2.0 m和土壤恒温层埋深11.5 m）。塘底土体分为3层，自上而下分别为：杂填土、粉质黏土和粉土，根据工程地质剖面图，塘底中部的杂填土、粉质黏土和粉土的厚度分别为3.0、3.4、5.6 m，其总厚度为12.0 m。由于肇源县土壤恒温层的埋深为11.5 m，故本计算模型的土体深度取11.5 m。计算所需的土壤物理参数如表3所示。

2.1.1  边界条件

本计算采用导热问题常见边界条件中的第1类，即：规定边界上的温度值，冰下水体、土体温度计算的边界条件分别为土壤下缘温度（即下边界条件）和冰水交界面温度（即上边界条件）；冰、水交界面的温度恒定为0 ℃，由于各地土壤存在恒温层，因此下边界取为土壤恒温层埋深，温度设为恒温层温度。根据已有条件，肇源县土壤恒温层深度为11.5 m，恒温层温度为5.5 ℃。

2.2  土体温度计算结果

实验塘中桩体长度为8～13 m不等，实际测量水深为2 m，对应于计算模型所采用的水深，所选的桩体总长度为10 m，实测桩体出露冰面以上的高度平均为1.6 m，故桩体入土深度为6.4 m，计算得到桩端处土体在土壤恒温层以上5.1 m处，此处对应的土温计算结果为2.8 ℃。土体及水体垂向温度计算结果云图如图2所示。

由图2可知，水体温度、土体温度沿深度方向逐渐增加，大致呈线性分布。

2.3  冰层应力场计算结果

根据上述土体温度计算结果，以桩底端土体温度和桩顶端气温为热边界条件，计算桩内部的热对流过程。将其结果作为桩管壁热传导的内壁面热条件，最终通过数据模型计算得到桩周冰层的耦合温度场，并用于冰层的热应力计算。

根据建立的冰层（厚度为1 m）热应力有限元模型，得到桩周冰层垂向第一主应力分布，具体如图3所示。

由图3可知，冰层垂向第一主应力的分布规律呈现非单调的变化趋势；冰层下缘第一主应力值最低，该值随冰层高程的增加而增大，最大值出现在冰层中部位置，随后第一主应力值减小；冰层上表面的第一主应力值略小于冰层中部的第一主应力值，但明显大于冰层下缘的该值。

3  桩体受力分析

3.1  桩体水平方向受力

在图1所示的整个布桩塘面上，桩体与水塘边坡共同对冰层构成了内、外约束，桩体受到的冰层作用力（主要是水平方向力）会随桩体位置的不同而发生变化，最终导致光伏组件受到损害。比如，靠近边坡的桩体在冰层膨胀推坡过程中，由于桩体两侧的冰层应力大小不等而受到水平推力，造成桩体失稳并导致光伏组件受损。

在位置1处主要考虑桩体四周固定约束，因此第一主应力在桩周附近的分布大致为同心圆，如图4所示，桩周冰层的第一应力最大值约为0.36 MPa，最小值约为0.18 MPa，差值为0.18 MPa。

在位置2处需考虑桩体左侧固定约束；右侧为自由位移，位于水塘边坡，设定为无冰状态，因此桩体左侧的冰层第一主应力值明显高于右侧，如图5所示，桩周冰层边缘第一主应力差值最大为0.18 MPa（第一主应力最大值约为0.36 MPa，最小值约为0.18 MPa）。

在位置3处需考虑桩体左侧和下侧固定约束，右侧和上侧为自由位移，因此桩体左下侧冰层的第一主应力值明显高于右上侧冰层的第一主应力值，如图6所示，桩周冰层边缘第一主应力差值最大为0.19 MPa（第一主应力最大值约为0.37 MPa，最小值约为0.18 MPa）。

3.2  桩体竖直方向受力

根据上文分析，桩体在竖直方向上受到的力中对桩体稳定性最不利的力是上拔力，造成桩体上拔的情况主要有两种。

1）桩底端在冻土中时（水塘无蓄水），受到冻土的冻胀力，当冻胀力大于桩体竖向荷载及桩侧摩阻力时，桩体即被拔起。

2）冰下水位变动时会顶托冰层，若桩-冰之间冻粘强度足够大，且顶托力大于桩-冰竖向荷载及桩侧土体摩阻力时，冰层会带动桩体一起产生竖向位移。

由于渔光一体光伏发电项目中水塘常年保持有水状态，因此认为塘下不存在冻土，不考虑冻土的冻拔影响，只考虑冰层带动桩体上拔的情况。在此情况下，上拔的控制力为桩-冰之间的冻粘强度，即以两种材料结合面作为剪切面受剪强度的计算面。

桩体竖向稳定的判定条件计算式为：

式中：Ti为桩-冰之间的冻粘力；G为桩体自身的重力；Ts为桩周土体的侧摩阻力。

3.3  桩-冰之间的冻粘力

从力学机制上看，桩-冰结合面的粘结強度与正压荷载有关，所以可利用正压荷载和静摩擦系数来计算桩-冰之间的冻粘强度。计算时选择最大主应力代替桩-冰在水平方向的正应力，即考虑桩-冰结合面上的最大正压荷载。

根据已有研究成果，冰温在-2.5、-5、-10 ℃条件下，冰与水泥板间的摩擦系数分别为0.12、0.17、0.10，由此可知冰温为-5 ℃时的摩擦系数最大。考虑桩-冰之间的冻粘强度最大时为最不利情况，故取冰与混凝土的摩擦系数0.17进行计算。

由图3可得，桩-冰结合面垂向第一主应力最大值为0.245 MPa，故桩-冰之间的最大冻粘强度为0.042 MPa，当冰层厚度为1 m时，桩-冰之间的冻粘力为0.042 MPa×1.256 m2=0.05275 kN。

3.4  桩体自身重力

光伏组件的重力同桩体相比可以忽略，故桩体的竖向荷载主要是自身重力。根据桩型的几何尺寸（圆桩外径为0.4 m，内径为0.21 m），单位长度重量为237 kg/m，可以求得每米桩体的重力为3 kN。

3.5  桩周土体侧摩阻力

计算实验塘桩周土体的侧摩阻力时统一取冰层厚度为1 m，水深为2 m，冰面以上的桩体长度为1 m，桩体总长度设置为8、9、10 m这3个值，即对应的埋深分别为3.4、4.4、5.4 m。不同桩体长度L的桩周土体侧摩阻力计算结果如表4所示。

3.6  桩体竖向稳定性判别及建议

根据上文所述的竖向稳定的判定条件和计算结果，分析桩体在冰层、自重和土体综合作用下的竖向稳定性，不同长度的桩体判别结果如表5所示。

由表5可得，桩体总长度大于9 m、埋深大于4.4 m时，在计算所考虑的典型年气温变化条件下，桩体是安全可靠的，不会产生上拔现象。

另外，桩的上端开口会使上方冷空气进入PHC空心圆桩，桩内空气形成热对流，若桩内有进水，结冰后会增强冻结作用。因此桩体灌注施工前，宜对桩的两端进行封堵处理，以避免水体和冷空气进入后冬季结冰，增加桩体与冰层的粘结面积，使冰层竖向合力更大。

4  结论

为提高渔光一体光伏发电项目中光伏支架桩基础的稳定性，本文采用ANSYS程序进行有限元求解及模型验证，对无桩冰层热应力展开了计算，分析其应力场的时空分布规律；针对桩的布设条件，计算了桩-冰应力分布规律，并进行了对比分析。桩体竖向稳定性判别结果表明：同等环境条件下，桩体总长度大于9 m、桩体入土埋深大于4.4 m时，在计算所考虑的典型年气温变化条件下，桩体是安全可靠的，不会产生上拔现象。

在此类项目中，为保证桩的稳定性，建议在桩体灌注施工前，对桩的两端进行封堵处理，以避免水体和冷空气进入后冬季结冰，增加桩体与冰层的粘结面积，使冰层竖向合力更大。

［参考文献］

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