沙丘地貌下光伏基础PHC管桩设计与应用研究

摘 要：为确定沙丘地貌下适宜的光伏基础形式，本文根据实际情况，对常用的3种光伏桩基础形式进行综合考虑，最终将PHC管桩作为光伏的基础形式。为分析桩身水平承载力影响因素与设计参数，对影响管桩水平承载力的管桩入土深度和自由端长度进行试验模拟，通过试验得到各因素对管桩水平承载力的影响曲线，并确定宁夏中卫项目的施工参数。本文针对PHC管桩在施工中的控制要点进行分析，不仅保证了光伏桩基的施工质量，还为同类沙丘地貌下的光伏桩基施工提供了参考。

关键词：沙丘地貌；光伏发电；PHC管桩

中图分类号：TU 47 " 文献标志码：A

在全球能源转型的大背景下，光伏发电技术因其清洁、可再生的特性而备受瞩目。随着光伏电站的大规模建设和发展，在各种复杂地形地貌下的基础建设问题逐渐凸显，尤其是在沙丘地貌地质条件下，沙丘地貌的土壤特性（例如松散性、流动性以及低承载能力）会给光伏电站的基础施工带来较大的挑战，因此找到一种既经济又高效的基础解决方案，成为目前施工面临的首要难题。

PHC管桩因其卓越的承载性能和施工便捷性，逐渐成为沙丘地貌下光伏基础建设的优选方案[1]。在实际施工中，保障PHC管桩的有效承载力和施工质量是目前面临的重要难题。本文通过比选确定沙丘地貌下光伏的基础形式，并通过模拟确定合适的施工方案以及研究施工细节，保证光伏基础PHC管桩的施工质量。

1 工程概况

本项目位于宁夏回族自治区中卫市腾格里沙漠东南部，地貌现状以沙丘为主，地形起伏较大。设计桩基础79500根，设置光伏组件413400块，全部采用单晶硅575Wp组件。由于沙丘地貌具有特殊性，因此在保证施工质量的前提下，选择一种既经济又高效的基础解决方案是基础施工的重点。

2 光伏基础选型

2.1 常用的光伏桩基础形式

目前光伏桩基础常用的类型主要包括螺旋钢桩、混凝土灌注桩和预应力混凝土管桩3种[2]，各自的成桩工艺与优缺点分析如下。

2.1.1 螺旋钢桩

螺旋钢桩是通过旋转的方式将钢桩旋入土壤中的桩基础类型。它特别适用于土质较为松软或中等硬度的场地。这种桩基础的优点显著，安装速度快且施工效率高，对土壤的扰动小，具有较好的环保性。更重要的是，螺旋钢桩可回收再利用，符合绿色发展的理念。但是螺旋钢桩不适合坚硬或岩石地质条件下的桩基施工，且其对生产厂商的要求较高，在某些地区会面临实施困难的问题。

2.1.2 混凝土灌注桩

混凝土灌注桩的成桩工艺是在地面钻孔后，将混凝土灌入孔中形成桩身。在地质条件复杂的情况下，可能需要在灌注过程中加入钢筋笼提高桩身的承载力。这种桩基础适用于各种地质条件，尤其是土质坚硬或岩石层较浅的地区。混凝土灌注桩的主要优点是承载力高、稳定性好，并且使用寿命长。但施工周期相对较长，同时施工过程中可能会对环境产生一定影响，例如噪声和泥浆污染，而且成本相对较高。

2.1.3 预应力混凝土（PHC）管桩

预应力混凝土管桩（以下简称PHC管桩）是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件。它作为建筑物或构筑物的基础，通过锤击或静压方式沉入地下。PHC管桩在多种地质条件下都适用，特别是在软土地区具有较好的应用效果。这种桩基础的优点是具有较高的承载力和抗裂性，施工速度快且效率高，质量稳定可靠。不过，它在坚硬地质条件下的施工难度较大，同时在运输和安装过程中需要小心处理，避免桩身损坏。

2.2 确定桩基础形式

龙源中卫光伏项目的桩基础的基础选型需要综合适用范围、施工成本、施工效率、技术成熟度、节能环保5方面，其综合评价结果见表1。

沙丘地貌通常具有沙层松散、承载能力低的特点，因此对桩基础的稳定性和承载力要求较高。由表1可知，适合沙丘地貌条件下施工的是螺旋钢桩和PHC管桩，但施工队伍对螺旋钢桩技术的掌握程度较低，且受限于施工场地附近无合适的生产厂商，因此选用PHC管桩作为光伏的基础形式比较合适。

2.3 桩身水平承载力影响因素分析与参数设计

桩身水平承载力是影响光伏基础稳定性和安全性的重要因素。在沙丘地貌下，桩身水平承载力的影响因素主要包括桩的截面刚度、材料强度、桩侧土质条件、桩的入土深度以及桩顶端自由段长度等[3]，对现场施工来说，控制某些因素意义不大，因此本文用数值模拟的方法针对桩的入土深度以及桩顶端自由段长度两个因素进行桩身水平承载力变化分析，以此指导现场施工。

2.4 建立模拟分析模型

本文用ABAQUS软件对PHC管桩进行有限元模拟。在建模前，为保证结果的有效性与计算的快捷性，做出4种计算假定：土体均匀且各向同性；PHC管桩的混凝土与钢筋能保持变形协调；不考虑施工过程中损失的预应力；不考虑其他约束构件对桩承载力的影响。

参考设计图纸，PHC管桩外直径为0.3m，桩长为5m，入土深度为2.5m，桩顶端自由段长度为2.5m，混凝土等级为C80。桩周土体模型长宽取20倍PHC管桩直径，土体深度为5m。网格均匀划分，单元网格总数为12020个。其中，选用Mohr-Coulomb弹塑性模型作为土体本构模型[4]，其中桩底端为固定约束，桩顶段为自由状态。有限元模型如图1所示。在模拟中，将水平荷载施加在桩顶中心点处，该点与桩顶的表层耦合连接，通过点与面间的耦合作用，将水平荷载均匀分布在PHC管桩表层。

2.5 试验方案

为验证不同桩的入土深度以及桩顶端自由段长度对桩身水平承载力的影响，对其进行试验。采用控制变量法，基于上述试验模型的各参数取值，仅改变单一变量，结合施工经验确定以下试验方案。1）桩顶端自由段长度为2.5m不变，入土深度变化。共设置4组，每组入土深度递增1m，取值为1.5m～4.5m，水平荷载加载为0kN～14kN。2）桩入土深度为2.5m不变，桩顶端自由段长度变化。共设置4组，每组长度递增1m，取值为0.5m～3.5m，水平荷载加载为0kN～20kN。

2.6 试验分析

在桩顶端自由段长度取值不变的情况下，不同入土深度（L）对桩身水平承载力的影响曲线如图2所示。

由图2（a）可知，当PHC管桩入土深度为1.5m时，其水平位移大于其他工况下的入土深度的位移，说明该入土深度下的单桩水平承载力最小。对比不同入土深度在同一水平荷载下的水平位移可知，PHC管桩桩顶的水平位移随着入土深度增加而减少，但入土深度大于2.5m后，其水平位移减少并不明显，即入土深度大于2.5m后，PHC管桩的表现形式为刚性桩，由图2（b）可知，在相同水平荷载下，入土深度为1.5m时，管桩沿桩身长度方向的水平位移增长速率不变。而入土深度大于2.5m后，水平位移沿桩顶到桩端方向的增长速率变缓，桩端的水平位移接近零，是理想状态。因此可以看出，PHC管桩入土深度越深，单桩水平承载力越大，但入土深度大于2.5m后，单桩水平承载力增长明显变缓，此时入土深度对单桩水平承载力的影响明显变弱，因此建议PHC管桩入土深度值不小于2.5m。

在桩入土深度取值不变的情况下，不同自由段长度（N）对桩身水平承载力的影响曲线如图3所示。

由图3（a）可知，PHC管桩自由段长度对桩身水平承载力的影响明显，桩顶水平位移随着PHC管桩自由段长度增加而减少，即桩身水平承载力随着PHC管桩自由段长度增加而减少，由图3（b）可以更直观看出在同水平荷载下，桩顶的水平位置差值变化较大，自由段长度为0.5m时的位移差与自由段长度为3.5m时的桩顶水平位移差值达到51mm，当自由段长度大于2.5m时，水平位移变化明显，即自由段长度越大，桩顶水平位移增长趋势越快，桩身水平承载力越低。因此，桩身水平承载力随着PHC管桩自由段长度增加而减少，当自由段长度大于2.5m时，桩身水平承载力变化明显，因此建议PHC管桩自由段长度不高于2.5m。

2.7 参数取值

结合试验模拟得到的结论与设计要求，将本项目PHC管桩的入土深度设计为2.5m，自由段长度为1.5m。

3 PHC管桩施工控制要点

3.1 测量放线与桩位定位

当测量放线时，应设置控制桩与水准点，并保证其位置不受打桩影响，通常是距离操作地点40m以外。为使桩位放样准确，须使用经纬仪等精密仪器进行复核，保证桩位的偏差在20mm以内[5]。

3.2 竖桩与插桩

在竖桩和插桩过程中，应使用直角坐标法对桩位进行二次复核，保证桩尖的中心点与桩位的偏差不超过20mm。同时，要检查桩身的垂直度，其精度误差应小于桩长的1%。

3.3 打桩或压桩

在打桩或压桩过程中，应根据设计要求严格控制锤击力或压桩力[6]。例如，当使用锤击法时，应选择合适的锤重和落距，避免过大的冲击力对桩身造成损害；当使用静压法时，应控制压桩速度和压力，保证桩身平稳下沉。此外，还须对桩身的垂直度进行持续监测和调整。

4 结论

本文对沙丘地貌下光伏基础PHC管桩设计与应用进行研究，由研究结果可得出以下结论。1）螺旋钢桩和PHC管桩适合沙丘地貌条件下的施工，但结合现场实际情况，选用PHC管桩作为光伏的基础形式是较为合适的。2）PHC管桩入土深度越深，单桩水平承载力越大，但当入土深度大于2.5m时，单桩水平承载力增长明显变缓，此时入土深度对单桩水平承载力的影响明显变弱，因此建议PHC管桩入土深度值不低于2.5m。3）桩身水平承载力随着PHC管桩自由段长度增加而减少，当自由段长度大于2.5m时，桩身水平承载力变化明显，因此建议PHC管桩自由段长度不高于2.5m。

参考文献

[1]金爱云，孟令坤，白玛南木加，等.西藏自治区超高海拔牧区光伏支架桩基础的施工质量控制研究[J].太阳能，2024（2）：17-28.

[2]侯献业.渔光互补光伏项目PHC管桩沉桩时断桩问题研究[J].建筑机械化，2024，45（2）：70-74.

[3]莫桂梅，李杰生，余友谊，等.PHC桩支架结构形式在山地光伏中的应用分析[J].城市建筑，2023，20（20）：177-180.

[4]王岷.山地光伏支架基础施工异常情况处理[J].水利水电快报，2022，43（增刊2）：55-58.

[5]张豫川，朱克文，吕国顺，等.水平-竖向耦合荷载下单桩承载性状数值分析[J].科学技术与工程，2019，19（3）：183-188.

[6]赵升峰，黄广龙，章新，等.南京砂性土地区预制管桩抗拔承载特性试验研究[J].河南理工大学学报（自然科学版），2017，36（3）：145-150.