硬塑粉质黏土层中微型桩水平向承载特性分析

摘 要：光伏支架在投产运营的过程主要受风荷载影响。对微型桩基础来说，当风荷载作用于光伏面板上时，微型桩基础顶部主要受到侧向荷载作用。为探明硬塑粉质黏土层中微型桩侧向承载能力是否满足对光伏支架结构安全性能的需求，本文采用现场静载试验结合有限元模拟的方式对微型桩侧向承载性能进行分析研究。结果发现，现场试验与模拟分析的微型桩侧向承载能力基本一致，且施工现场选用长2m的C30混凝土微型作为支架基础即可满足承载力要求。

关键词：微型桩；硬塑粉质黏土；侧向承载；静载试验；数值模拟

中图分类号：TU 47" " 文献标志码：A

可将光伏支架施工中运用的微型桩基础作为一种小直径树根桩。可将本项目运用的微型桩基础视为一端嵌固，一端自由。根据压杆长细比计算公式（λ=μl/i）可知，当微型桩桩顶受到水平荷载作用时，由于其桩径较小，抗弯刚度小，且桩侧与土体接触面积也较小，导致桩身容易发生挠曲变形，同时上部桩周土发生的压缩变形较大，难以满足实际工程的位移控制要求[]。基于此，为确定微型桩基础最佳施工参数，控制微型桩挠曲变形，本文基于光伏支架微桩基础施工应用研究，进行硬塑粉质黏土中微型桩侧向静载试验，分析不同桩长、混凝土性能对微型桩的水平承载力的影响，并对试验确定的施工参数进行进一步模拟分析，将模拟结果与试验进行对比，为微型桩在硬塑粉质黏土地层中的施工提供了依据[]。

1 工程概况

凉山州会理光伏项目场地覆盖范围广，区域相对分散，地形以山脊缓坡为主，坡度主要在5°～20°，局部地方较陡可达到35°～40°。光伏阵列支架荷载小，基础埋深不大。部分场址分布的碎块石土较松散，易变形，不宜作为光伏组件桩基础持力层，可塑～硬塑状的含砾粉质黏土可以作为桩基持力层一般竖向承载力。固定支架每个单元设4个基础，为单立柱形式，桩距为4.3m，基础拟采用直径250mm的微孔灌注桩，桩总长2.0m，入土深度1.5m，顶端露出地面0.5m。

2 单桩侧向承载试验

2.1 试验方案

光伏项目位于凉山彝族自治州会理市，微型桩基础施工场址处属中高山山地地貌，地质类型主要为第四系全新统残坡积层，土体类型主要为含砾粉质黏土，表现为硬塑状。在正式进行光伏支架微型桩基础施工前，选取不同桩基参数对微型桩进行对比试桩试验，桩长选取2m、4m、6m，混凝土类型选取C20、C30、C40。为简化试桩试验程序，减少试桩数量，按照先确定桩长、再确定桩身混凝土类型的方式进行试验。在每组试桩成桩且强度达标后，在距离微型桩2m位置处设置反力墩，将千斤顶设置在微型桩与反力墩之间，采用千斤顶对微型桩施加水平力的方式进行桩基侧向静载试验。并在千斤顶与微型桩间加设球铰支座作为接触装置，以保证千斤顶施加的侧向力能够水平通过桩身轴线，现场试验布置如图1所示[]。采用慢速维持荷载法进行分级加载。分级荷载为最大加载量或预估极限承载力的1/10，其中第一级取分级荷载的2倍，当试桩位移相对稳定时，施加下一级荷载。其中试桩位移相对稳定标准为每1h内的桩顶位移量不超过0.1mm，并连续出现2次。若出现桩身折断、水平位移超过30～40mm、水平位移达到设计要求的水平位移容许值，则终止试验。通过百分表测定微型桩侧向位移量，绘制微型桩的Q-s曲线以判定试桩的承载能力[]。

2.2 试验数据分析

对每组试桩绘制的Q-s曲线进行分析，考虑光伏支架施工对水平偏差的要求，将位移量限值设定为10mm。若位移量超过10mm，则微型桩无法再继续承载，将此时的侧向荷载作为水平承载力限值。

2.2.1 桩长对侧向承载能力的影响

为探究桩长对微型桩侧向承载能力的影响，选取C20混凝土钻孔制成2m、4m、6m桩长的微型桩，并对其进行侧向静载试验，得到Q-s曲线，如图2所示。受环境因素、施工因素等的影响，3种工况下的Q-s随试验荷载增加，位移量均呈现出不平滑的抛物线增长趋势。当前期荷载加载量较小时，桩周土处于弹性变形阶段，随荷载进一步增加，桩周土发生弹塑性变形，压缩变形量进一步增加，此时微型桩开始发生侧向位移。由图2可知，随着桩长加深，微型桩的侧向承载能力逐步提高。桩长从2m增至4m，再到6m，微型桩水平承载能力增幅分别为4.8%，1.7%。考虑项目所在地风荷载产生的侧向力水平，为节省施工成本，将微型桩施工桩长设置为2m即可满足使用需求，此时微型桩的侧向承载力约为70.94kN。

2.2.2 混凝土性能对侧向承载能力的影响

为探究混凝土性能对微型桩侧向承载能力的影响，在确定微型桩桩长为2m的基础上，选取C20、C30、C40这3种混凝土类型进行侧向承载力静载试验。由于已对“2m-C30”试桩进行了试验，此阶段只需要进行两次试桩试验即可。混凝土性能对微型桩Q-s曲线的影响如图3所示，由图3可知，微型桩的水平承载能力随着混凝土性能提升而提高，当混凝土性能从C20变化为C30和C40时，其水平承载能力增幅分别为6.8%，3.5%。由于微型桩施工场址处主要为硬塑粉质黏土层，为减少地层对侧向承载能力的影响，混凝土类型选取C30，此时混凝土侧向承载能力为71.9kN。混凝土性能并不影响水平承载能力提升，选取C30混凝土的优势是进一步提升微型桩的抗弯性能，降低微型桩表面混凝土在水平力作用下开裂的风险。

3 微型桩侧向承载数值分析

3.1 分析模型建立

根据试验所得数据，利用Midas建立桩土模型对微型桩侧向承载进行有限元模拟分析，模型具体参数见表1 桩土模型参数。为消除边界效应对模拟结果的影响，模型尺寸选取20倍桩径（ø250mm），模型深度选取3倍桩长（2m），即建立5m×5m×6m的桩土模型[]。

由于施工及环境因素复杂，因此模型分析基于以下假定。1）模型单元均由连续、均质材料构成，各向力学性质相同。2）硬塑粉质黏土在实际工程中，受荷载作用，并非只发生弹性变形。因此采用Mohr-Coulomb模型模拟硬塑粉质黏土的弹塑性行为。3）微型桩底部嵌固于土体中，桩顶露出地面50cm。可将桩土整体模型边界条件视为理想的土体底部Z向竖直固定约束，土体侧面水平X、Y向水平约束为桩顶自由端边界条件。

采用实体单元进行模拟，共建立实体单元38820个。为保证模拟精度，将圆形桩基截面划分为36个扇形截面网格，同步细化桩土接触界面网格。将桩顶中心耦合为一个节点，并将其作为侧向荷载作用点。桩土模型如图4所示。

3.2 模拟分析验证

3.2.1 侧向挠曲变形分析

为模拟加载过程，在桩顶耦合节点处逐步增加水平荷载强度，得到桩土模型X-Y向位移云图，如图5所示。微型桩由于其长细比较大，自身刚度较小，因此受到侧向荷载作用时，桩身容易发生挠曲变形，当水平荷载加载约73.4kN时，位移量约为10.06mm，将此时视为微型桩的水平承载能力极限，因试验精度、工程实际偏差的影响，与试验结果相比，水平向承载能力相差约2%，试验与模拟结果基本一致。由图5可知，微型桩一端嵌固于土体中，一端为自由端，使其桩顶产生的位移最大，且随深度增加，微型桩水平位移逐步减少。且随水平向荷载逐步增加，不同桩深处的水平位移变化量也不同，呈现出深度越大，位移变化越慢的规律。由于微型桩桩径小，因此与桩周土的接触面也较小[]。桩周土受到微型桩传递来的水平向荷载后，发生弹性变形，当荷载逐步增加，桩周土进一步压缩，出现弹塑性变形。越靠近微型桩，桩周土压缩变形量越大。在工程实际中，微型桩受到水平荷载作用，微型桩桩身出现转动或者挠曲，造成桩体发生水平位移。桩周土体一侧压缩，另一侧土体与微型桩发生脱离，使桩体松动，最终导致光伏支架破坏。

3.2.2 微型桩承载特性分析

承载极限状态下桩土X-Y向应力云图如图6所示。由图6可知，当微型桩在水平荷载作用下发生10mm位移变形时，微型桩发生侧向挠曲变形，在地面上约10cm的桩身表面产生最大应力约为3.7MPa。混凝土一侧受拉一侧受压，导致受压侧桩周土发生压缩变形，受拉侧桩周土与桩体发生脱离。若外部水平荷载继续增加或水平外力持续加载，微型桩一侧混凝土继续承受拉应力，一侧承受压应力，则造成桩身外露段混凝土表面出现破坏，且桩周土体承载不均，会加深土体不均匀沉降，从而导致固定式光伏支架倾角改变，降低光伏发电效率[]。

4 结论

通过静载试验与有限元模拟对微型桩在硬塑粉质黏土层的侧向承载能力进行分析研究，得到以下结论。1）通过加深桩长、提升桩体混凝土性能均可提升微型桩的侧向承载能力，由于试验精度、工程实际偏差的影响，因此静载试验和有限元模拟的侧向承载能力值相差约2%。2）施工选用长2m的C30混凝土微型桩作为光伏支架桩基础，可达到71.9kN的侧向承载能力，可满足光伏发电场址处光伏支架抵抗风荷载的需求。

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