凍土地區(qū)光伏支架基礎(chǔ)的設(shè)計方案研究
2020-09-15 來自: 廈門矩欣五金有限公司 瀏覽次數(shù):1317
適
用1凍土地區(qū)的光伏支架基礎(chǔ)分析
光伏支架基礎(chǔ)的作用是為了支撐與其連接的光伏支架及光伏組件,光伏組件通過螺栓或壓塊與光伏支架連接。目前較為普遍的光伏支架基礎(chǔ)主要有:混凝土獨立基礎(chǔ)、混凝土條形基礎(chǔ)、螺旋鋼管樁基礎(chǔ)、混凝土樁基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC) 基礎(chǔ)、微孔灌注樁基礎(chǔ)[1]。凍土地區(qū)一般具有以下氣候和地質(zhì)特性:
1)冬季氣溫較低,一般最低溫度在-20 ℃以下;
2)土質(zhì)為強凍脹土或特強凍脹土,如黏土、粉質(zhì)黏土等;
3) 地下水較豐富且水位較高。在地下水豐富且水位較高的條件下,對于需要現(xiàn)澆筑混凝土的混凝土獨立基礎(chǔ)、混凝土樁基礎(chǔ)、微孔灌注樁基礎(chǔ)而言,施工難度較大,且凍土地區(qū)的冬季氣溫比較低,混凝土澆筑及養(yǎng)護質(zhì)量難以保證。而混凝土條形基礎(chǔ)更適合場地平整、地下水位較低的地區(qū)( 如荒漠),在凍土地區(qū),該類基礎(chǔ)易出現(xiàn)不均勻抬升、傾斜的情況。螺旋鋼管樁基礎(chǔ)的造價較高,并且也不適用于強腐蝕環(huán)境及流動性淤泥土質(zhì)。
綜上分析,在凍土地質(zhì)條件下,考慮到經(jīng)濟性及施工便利性,在采取必要的減小樁長來防凍脹的前提下,PHC 基礎(chǔ)是較為合適的光伏支架基礎(chǔ)[2]。下文以東北地區(qū)某光伏項目為例,分析凍土地質(zhì)條件下PHC 基礎(chǔ)的受力,以及防止其不均勻凍脹抬升的措施。
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凍土地質(zhì)條件下PHC 基礎(chǔ)的受力分析
在凍脹力作用下,PHC 基礎(chǔ)在樁長方向主要承受荷載(PHC 上部支架重量、組件重量及PHC 自重等)、凍土對PHC 的切向凍脹力、凍土層以下土體對PHC 的錨固力。從受力分析來看,在強凍脹土或特強凍脹土地區(qū),當凍深較深時,完全依靠PHC 錨固來避免不均勻凍脹抬升是不經(jīng)濟的。
根據(jù)地勘報告,東北地區(qū)某光伏項目所在地的標準凍深為2.0 m,在標準凍深范圍內(nèi),土層從上往下依次為表層耕土、黏土、粉質(zhì)黏土,這些土層均為強凍脹土或特強凍脹土;項目所在地的地下水位為-1.0~-0.5 m。項目初步選擇樁徑為300 mm 的PHC 作為光伏支架基礎(chǔ)。在冬季條件下,為抵抗凍脹上拔力,根據(jù)JGJ118-2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3] 對樁基礎(chǔ)進行穩(wěn)定性驗算:

式中,τdk,i 為第i 層土中單位切向凍脹力的標準值,kPa;可在樁身側(cè)面埋設(shè)應(yīng)力計實測得到,也可參照規(guī)范附錄C 中表C.1.1 的規(guī)定取值;在同一凍脹土類別中,含水率高者取大值;本項目是按照規(guī)范的規(guī)定取值。Aτ,i 為與第i 層土凍結(jié)在一起的樁的表面積,㎡;Gk 為作用在樁基礎(chǔ)上荷載的標準值,kN,包括樁基礎(chǔ)自重、上部組件重量、支架重量等,若樁基礎(chǔ)在地下水中,則取浮重度;Rta 為樁基礎(chǔ)深入凍脹土層之后地基所產(chǎn)生的錨固力特征值,kN。
對于本項目中的季節(jié)性凍土地基而言,PHC基礎(chǔ)側(cè)面與凍土之間的Rta 其實為摩阻力,可參照JGJ 118-2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3] 中的C.1.1-2 進行計算,即:

式中,qsa,i 為第i 層內(nèi)的土與樁側(cè)表面的摩阻力特征值,kPa,按照樁基受壓狀態(tài)進行取值,在缺少試驗資料時可按JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4] 的規(guī)定確定;Aq,i 為第i 層土內(nèi)樁的側(cè)表面積,㎡。本項目按照上述公式進行計算,光伏支架PHC 基礎(chǔ)在地表以下的埋深至少需要7 m,這對于一個光伏項目而言,成本非常高。而在非凍土季節(jié),滿足控制荷載( 風(fēng)荷載) 作用時,PHC 基礎(chǔ)在地表以下的埋深只需要2 m。不是通過PHC基礎(chǔ)伸入凍脹土層之下來增大錨固力,而是采取減小凍土對樁的切向凍脹力這一措施,如此可大幅縮減樁長[5]。
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防止PHC 基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的措施
3.1 防止PHC 基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的主要措施
減小切向凍脹力對樁體的作用是防止PHC 基礎(chǔ)因凍脹而抬升的關(guān)鍵。可在設(shè)計凍深范圍內(nèi),采取措施避免PHC 基礎(chǔ)與特強凍土直接接觸,以減小凍土對樁的切向凍脹力。本項目經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn),在凍土層的樁周回填弱凍脹性的中粗砂作為隔離層,可減小樁周土對樁體的切向凍脹力。
經(jīng)過進一步計算發(fā)現(xiàn),本項目地表以下2.0 m范圍的樁周土采取先引孔后回填弱凍脹性中粗砂的措施后,所需樁長短,地表以下樁長埋深3m 即可滿足設(shè)計要求。具體施工方法為:先用鉆機引孔,鉆頭比樁徑大10~20 cm,引孔完成后再用靜壓錘將已涂刷瀝青的PHC沉至設(shè)計標高。為避免塌孔,沉樁完成后需立即在樁周范圍回填中粗砂至密實狀態(tài),密壓實系數(shù)不小于0.94,必要時可插入振搗棒振動密實。
3.2 其他解決PHC 基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的措施
采取引孔回填中粗砂及涂刷瀝青的防凍脹措施基本能解決PHC 基礎(chǔ)大范圍不均勻凍脹抬升的問題。但對于一些地質(zhì)變化較大的區(qū)域,一些PHC 仍可能出現(xiàn)小量的不均勻凍脹抬升現(xiàn)象,進而導(dǎo)致支架和組件變形。對于該類問題,可采取減小每組支架的PHC 基礎(chǔ)數(shù)量和采用可調(diào)節(jié)高度的支架的措施來解決。
1) 減小每組支架的PHC 基礎(chǔ)數(shù)量,從而降低PHC 基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升發(fā)生的概率。在每組串為20 塊組件的情況下, 采用4 根PHC 作為基礎(chǔ)較為經(jīng)濟,且發(fā)生不均勻凍脹抬升的概率也較低。也可以采用2 組獨立支架及基礎(chǔ)支撐組串,即每10 塊組件由2 根PHC基礎(chǔ)支撐,這樣可進一步降低每根PHC 基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的概率。但該方案會增加一定的支架工程量,且該增量大小需視具體情況復(fù)核確定。
2) 采用可調(diào)節(jié)高度的支架,即支架設(shè)計為與樁抱箍固定的形式。在個別樁發(fā)生凍脹時,可通過調(diào)節(jié)抱箍式支架的高度來調(diào)平支架及組件,避免支架和組件的變形破壞。
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