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式中,τdk,i 为第i 层土中单位切向冻胀力的标准值,kPa;可在桩身侧面埋设应力计实测得到,也可参照规范附录C 中表C.1.1 的规定取值;在同一冻胀土类别中,含水率高者取大值;本项目是按照规范的规定取值。Aτ,i 为与第i 层土冻结在一起的桩的表面积,㎡;Gk 为作用在桩基础上永久荷载的标准值,kN,包括桩基础自重、上部组件重量、支架重量等,若桩基础在地下水中,则取浮重度;Rta 为桩基础深入冻胀土层之后地基所产生的锚固力特征值,kN。
对于本项目中的季节性冻土地基而言,PHC基础侧面与冻土之间的Rta 其实为摩阻力,可参照JGJ 118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》[3] 中的C.1.1-2 进行计算,即:
式中,qsa,i 为第i 层内的土与桩侧表面的摩阻力特征值,kPa,按照桩基受压状态进行取值,在缺少试验资料时可按JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》[4] 的规定确定;Aq,i 为第i 层土内桩的侧表面积,㎡。本项目按照上述公式进行计算,光伏支架PHC 基础在地表以下的埋深至少需要7 m,这对于一个光伏项目而言,成本非常高。而在非冻土季节,满足控制荷载( 风荷载) 作用时,PHC 基础在地表以下的埋深只需要2 m。不是通过PHC基础伸入冻胀土层之下来增大锚固力,而是采取减小冻土对桩的切向冻胀力这一措施,如此可大幅缩减桩长[5]。
3 防止PHC 基础不均匀冻胀抬升的措施
3.1 防止PHC 基础不均匀冻胀抬升的主要措施
减小切向冻胀力对桩体的作用是防止PHC 基础因冻胀而抬升的关键。可在设计冻深范围内,采取措施避免PHC 基础与特强冻土直接接触,以减小冻土对桩的切向冻胀力。本项目经过实践发现,在冻土层的桩周回填弱冻胀性的中粗砂作为隔离层,可减小桩周土对桩体的切向冻胀力。
经过进一步计算发现,本项目地表以下2.0 m范围的桩周土采取先引孔后回填弱冻胀性中粗砂的措施后,所需桩长最短,地表以下桩长埋深3m 即可满足设计要求。具体施工方法为:先用钻机引孔,钻头比桩径大10~20 cm,引孔完成后再用静压锤将已涂刷沥青的PHC沉至设计标高。为避免塌孔,沉桩完成后需立即在桩周范围回填中粗砂至密实状态,密压实系数不小于0.94,必要时可插入振捣棒振动密实。
3.2 其他解决PHC 基础不均匀冻胀抬升的措施
采取引孔回填中粗砂及涂刷沥青的防冻胀措施基本能解决PHC 基础大范围不均匀冻胀抬升的问题。但对于一些地质变化较大的区域,一些PHC 仍可能出现小量的不均匀冻胀抬升现象,进而导致支架和组件变形。对于该类问题,可采取减小每组支架的PHC 基础数量和采用可调节高度的支架的措施来解决。
1) 减小每组支架的PHC 基础数量,从而降低PHC 基础不均匀冻胀抬升发生的概率。在每组串为20 块组件的情况下, 采用4 根PHC 作为基础较为经济,且发生不均匀冻胀抬升的概率也较低。也可以采用2 组独立支架及基础支撑组串,即每10 块组件由2 根PHC基础支撑,这样可进一步降低每根PHC 基础不均匀冻胀抬升的概率。但该方案会增加一定的支架工程量,且该增量大小需视具体情况复核确定。
2) 采用可调节高度的支架,即支架设计为与桩抱箍固定的形式。在个别桩发生冻胀时,可通过调节抱箍式支架的高度来调平支架及组件,避免支架和组件的变形破坏。
4 结论
通过对冻土地区的光伏支架基础设计进行分析发现,采取对冻深范围内的桩周土回填中粗砂的方式能够减小冻土对PHC基础的切向冻胀力,从而大幅减小PHC 的设计长度,节约工程造价。此外,通过控制每组支架的PHC 基础数量及采用抱箍式可调节高度的支架,能进一步解决部分PHC 基础出现不均匀冻胀抬升从而对组件造成破坏的问题。
本文中计算回填后中粗砂对桩体的切向冻胀力参考了JGJ 118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》附录表C.1.1[3] 切向冻胀力标准值中的弱冻胀土取值,由于光伏组件与建筑地基基础存在一些差异,中粗砂对桩周土的切向冻胀力的际大小需根据项目的实际情况,通过试验确定更为准确。通过项目初步试验,回填中粗砂对桩的切向冻胀力与引孔回填的孔径大小、中粗砂本身冻胀特性、密实度、含水量及桩身侧表面粗糙程度等有关。
对于光伏支架基础而言,在保证大幅消减冻胀力的前提下,还要使方案具有经济性,并便于施工。因此,对于减小桩身切向冻胀力时选择的回填材料仍可进一步分析研究。试验表明,在桩周涂刷1~2 cm 的沥青的材料也可较好地消减切向冻胀力,具体涂刷沥青厚度应根据不同工程地质条件及环境温度来确定。
中国三峡新能源公司东北分公司 ■ 胡德芳* 高俊松
来源:《太阳能》杂志2019 年第10 期( 总第306 期)P53-56
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