高原山地微型桩基础抗压及抗拔性能分析

摘 要：光伏发电项目多用微型桩作为光伏支架的支承基础，由于在光伏电站运营期间，微型桩主要受到上部光伏支架及组件的压力以及风荷载产生的上拔力分量。因此，为探究微型桩在粉质黏土层中的抗压及抗拔极限承载力，分别确定沉降量、上拔量与桩顶荷载的关系，本文采用原位静载试验和有限元模拟向结合的方式分析了桩径对微型桩极限抗压及抗拔承载力的影响程度，确定了光伏支架微型桩的承载性能。结果表明，桩径对微型桩的抗拔及抗压承载性能均存在较大影响，增加桩径可有效提升微型桩承载性能。

关键词：微型桩；抗压承载；抗拔承载；静载试验；数值模拟

中图分类号：TU 47" 文献标志码：A

微型桩的竖向承载性能主要体现为抗压、抗拔两个方面。其竖向承载性能的优劣取决于微型桩桩端承载力及桩侧摩阻力的大小[]。这与微型桩桩径尺寸、地质类型均存在关系。为探究粉质黏土层中不同桩径微型桩的承载性能变化，本文依托实际光伏电站建设项目中微型桩基础施工工程，采用原位静载试验和有限元模拟相配合的方式分析了桩径对粉质黏土层中微型桩竖向承载性能的影响变化规律，确定了施工参数及微型桩的竖向极限承载力，为微型桩施工及光伏电站运营维护提供了数据支持。

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，因此将可塑～硬塑状的含砾粉质黏土作为桩基持力层一般竖向承载力。在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，桩总长为2.0m，入土深度为1.5m，顶端露出地面0.5m。

2 微型桩基础抗压承载及抗拔试验

当微型桩的顶部受到下压荷载的作用时，在桩顶产生桩身压应力，桩体与土体之间产生相对位移。因此，微型桩受到的下压荷载会通过桩身与土体之间的剪应力传递到土体中，从而以桩侧摩阻力的形式表现出来，其传递方向为从上到下[]。由于微型桩长细比较大，属于摩擦型桩，因此可以忽略桩底土体对桩身的作用力。随着下压荷载的逐渐增加，上部桩身与土层之间的接触面的摩阻力先达到极限，上部的摩阻力会保持在极限值不再增加，下部桩身与土层接触面的摩阻力逐渐增加并达到极限。最终桩侧各处摩阻力都达到极限，使微型桩处于受压极限状态。

2.1 试验方案

2.1.1 试验参数选取

为探究在粉质黏土层中光伏支架微型桩基础的施工桩径，在现场设置150mm、250mm、350mm桩径的微型桩，并对其进行对比试验，参数选取见表1。

2.1.2 微型桩下压及上拔试验

采用原位静载试验检测微型桩抗压及抗拔承载力，加载装置可以根据现场情况选择反力墩+反力梁，当采用锚桩横梁装置作为加载反力时，应对反力装置的全部构件进行强度和变形验算，并对辅助桩上拔力进行验算。当专门设置反力结构时，其承载力和刚度应大于试验桩的1.2倍以上。试验现场布置如图1所示。本项目试验桩的抗压及拉拔承载力试验采用慢速维持荷载法。试验桩加载采用逐级等量加载，分级荷载宜为最大加载量或预估极限承载力的1/10，其中第一级可取分级荷载的2倍。每级荷载施加后按第5min、15min、30min、45min、60min测读桩顶位移量，每隔30min测读一次[]。对抗压试验来说，在某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍，且桩顶总沉降量超过40mm，或桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定标准，或者当桩顶累计沉降量超过100mm时试验终止。对抗拔试验来说，在某级荷载作用下，将桩顶上拔量大于前一级荷载作用下上拔量的5倍，或桩顶累计上拔量超过100mm、或按照钢筋抗拉强度控制作为试验的终止标准[]。

表1 微型桩下压及上拔试验参数

序号 桩号 混凝土类型 桩长/m 桩径/mm 试验方法

1 X1 C30 2 150 静载反力；抗压试验

2 X2 C30 2 250

3 X3 C30 2 350

4 S1 C30 2 150 静载反力；拉拔试验

5 S2 C30 2 250

6 S3 C30 2 350

2.2 微型桩抗压性能分析

由图2微型桩抗压试验的Q-s曲线分析可知：当3种不同桩径的试验桩承受竖向压力荷载作用时，沉降位移趋势基本相同。当竖向荷载超过达到极限时，沉降位移陡增。从图2中可以看出，当微型桩桩径由150mm增至250mm时，微型桩极限抗压承载能力由68.7kN增至85.4kN，增幅约24.3%。极限荷载对应沉降位移由9.8mm增至10.2mm，增幅为4%。当微型桩桩径由250mm增至350mm时，微型桩极限抗压承载能力由85.4kN增至103.4kN，增幅约21%。极限荷载对应沉降位移由10.2mm增至11.8mm，增幅为15.6%。

2.3 微型桩抗拔性能分析

由图3微型桩抗拔试验的Q-s曲线分析可知：当3种不同桩径的试验桩承受上拔力作用时，微型桩向上的位移趋势基本相同。由于微型桩抗拔主要依靠桩土间的摩阻力发挥作用，因此随着上拔力增加，微型桩与桩周土间的相对位移逐渐增加，导致桩土接触界面发生剪切破坏，当上拔力超越摩阻力时，向上位移量陡增，此时的作用荷载即为微型桩的极限抗拔承载力。从图3可以看出，当微型桩桩径由150mm增至250mm时，微型桩极限抗拔承载能力由49.5kN增至68kN，增幅约37.4%。极限荷载对应位移由7.2mm增至9.6mm，增幅为33.3%。当微型桩桩径由250mm增至350mm时，微型桩极限抗压承载能力由68kN增至96.2kN，增幅约41.7%。极限荷载对应沉降位移由9.6mm增至10.9mm，增幅为13.5%[]。

由上述分析可知，微型桩竖向承载性能发挥主要依靠桩侧摩阻力及桩端承载力。当微型桩桩径增加时，微型桩桩端承压面积增加，桩侧与土体接触面积增加，更有利于桩端承载力及桩侧摩阻力发挥。增加微型桩桩径可有效提高微型桩抗压及抗拉拔性能，因此基于本项目施工工况，选取ø250mm的微型桩作为光伏支架桩基础，即可满足光伏电站的运营需求。

3 微型桩极限压拔承载力数值模拟

3.1 建立分析模型

通过原位静载试验分析，选定ø250mm微型桩作为光伏支架基础。为进一步验证静载试验的准确性，采用有限元模拟的方式对微型桩的抗拔及抗压承载力进行分析验证。当建立桩土模型时，为消除边界效应对模拟结果的影响，模型尺寸选取最大模拟桩径的20倍，模型深度选取3倍桩长，即需要建立5m×5m×6m的桩土模型[]，模型具体参数见表2。

由于施工及环境因素复杂，因此基于以下假定进行模型分析。1）微型桩、土体模型均由连续、均质材料构成，各向力学性质相同。微型桩周土正常固结。2）采用Mohr-Coulomb模型模拟硬塑粉质黏土的弹塑性行为，且桩周土的力学性质不受微型桩的影响。3）由于微型桩底部嵌固于土体中，因此桩顶露出地面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。

采用实体单元模拟桩土模型，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

由静载试验分析可知，当ø250mm微型桩在竖向压力荷载作用下产生约10.2mm沉降量时，达到抗压承载极限。为模拟抗压承载过程，采用逐步增加桩顶节点竖向荷载的方式进行模拟加载，当节点压力荷载增至89.2kN时，桩顶位移达到-10.37mm，此时桩土模型沉降变形情况如图5（a）所示。与静载试验相比，当桩顶沉降量达到几乎一致时，微型桩模型的极限抗压承载力上升约4.4%。当拉拔力荷载增至72.5kN时，模拟的微型桩桩顶上拔量约为9.72mm，与静载试验中极限抗拔状态时的上拔量9.6mm几乎一致，此时桩土模型变形情况如图5（b）所示。与静载试验相比，微型桩模型的极限抗拔承载力提高约6.1%。通过模拟分析可知，当桩顶位移沉降量或者上拔量与原位静载试验测量位移值几乎一致时，与原位静载试验测试值相比，桩土模型的极限抗压及抗拔承载力均有所提升。由于桩土模型为理想化的弹塑性模型，因此在模拟微型桩受荷载作用的过程中，并未考虑施工水平因素、环境因素等对模拟结果的影响，模拟结果较为理想化。但通过数据对比发现，微型桩竖向承载力的原位试验测试值与模拟分析值差距并不大，且图5变形云图所呈现桩土变形趋势与实际相吻合，表明微型桩竖向承载特性及极限承载力分析得到了有效验证，可以指导实际施工。

4 结论

通过静载试验与有限元模拟对微型桩的抗压及抗拔性能进行分析研究可知，桩径对微型桩的抗拔及抗压性能均存在较大影响，在实际施工中，若地质情况较差，则可通过增加微型桩桩径的方式保证竖向承载性能。基于本项目的实际地质情况，通过原位静载试验和模拟分析的微型桩竖向极限承载力基本一致。为保障施工安全，将ø250mm微型桩原位试验测试的极限抗压承载力85.4kN以及68kN的抗拔承载力作为施工依据，可以满足光伏电站运营需求。

参考文献

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