某光伏電站小型鉆孔灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題的探討

■ 買(mǎi)發(fā)軍 白榮麗 張曉峰

（1.特變電工新疆新能源股份有限公司；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)西安第七零五研究所海源測(cè)控技術(shù)有限公司)

0 引言

光伏支架基礎(chǔ)主要用于安裝、支承支架及太陽(yáng)電池組件，光伏支架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要充分考慮到承重、抗風(fēng)、抗震等因素。在設(shè)計(jì)支架基礎(chǔ)前，必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)進(jìn)行勘察，充分了解、研究土層的成因、構(gòu)造及其物理力學(xué)性質(zhì)等，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)條件做出正確的判斷。伴隨著光伏電站的快速發(fā)展，小型鉆孔灌注樁基礎(chǔ)已廣泛應(yīng)用于光伏電站中。本文根據(jù)共和縣某項(xiàng)目實(shí)際情況，研究小型鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及計(jì)算方法。

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目建設(shè)容量為20 MWp，項(xiàng)目位于青海省海南州共和縣光伏發(fā)電園區(qū)內(nèi)，光伏發(fā)電園區(qū)距縣城12 km，G214國(guó)道由園區(qū)西側(cè)通過(guò)。場(chǎng)址區(qū)平均海拔2900 m，地勢(shì)平緩，地形開(kāi)闊，地面多為退化、半退化草場(chǎng)。

共和縣具有海拔高、氣壓低、降水量小、晝夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、風(fēng)沙大等氣候特征。年平均降水量為318.5 mm，多年平均氣溫為4.3 ℃，年極端風(fēng)速為28 m/s，年平均沙塵暴日數(shù)為4 d，年平均雷暴日數(shù)為40 d。全境光照充足，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，平均每天日照時(shí)間達(dá)8 h，年平均日照時(shí)數(shù)為2922.6 h，太陽(yáng)能資源豐富，是建設(shè)光伏電站的理想場(chǎng)所。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

1) 場(chǎng)地土類(lèi)型為中硬土，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)；2) 地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g；3) 設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓0.35 kPa[1]，設(shè)計(jì)基本雪壓0.15 kPa；4) 標(biāo)準(zhǔn)凍土深度150 cm；5) 根據(jù)地勘資料，在勘探深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)地下水，可不考慮地下水對(duì)基礎(chǔ)及施工的影響。

1.3 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

勘探揭示，場(chǎng)區(qū)巖土工程性狀自上而下分述如下：1) 風(fēng)積細(xì)砂(Q4eol)：土黃色，干燥、松散，砂質(zhì)較純凈，礦物成分以石英、長(zhǎng)石、云母等組成。分布于場(chǎng)地淺部表層，該層層厚0.3～0.5 m。2) 卵石(Q3al)：灰白色，稍濕，稍密－中密，礫卵石成分多為石英巖、石英砂巖及花崗巖等。該層位于風(fēng)積細(xì)砂層之下，層頂埋深0.3～3.7 m，整個(gè)場(chǎng)地均有分布，揭露厚度大于15.0 m，本次勘察未揭穿。

表1 各層巖土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值

2 小型鉆孔灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

支架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件：1)作用于支架基礎(chǔ)上的載荷不超過(guò)地基容許的承載能力，以保證基礎(chǔ)在防止整體破壞方面有足夠的安全性；2)控制基礎(chǔ)的沉降，使其不超過(guò)基礎(chǔ)容許的變形值[2]。

本項(xiàng)目選用組件尺寸為1650 mm×992 mm×40 mm，40塊組件為一個(gè)單元，組件排列形式為2×20，每個(gè)單元長(zhǎng)20.22 m，雙排立柱，立柱間距為2200 mm，基礎(chǔ)間距為2800 mm，最佳傾角35°。單元支架平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 單元支架平面布置圖

通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)貧庀髼l件及地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合所選用支架的結(jié)構(gòu)形式，本項(xiàng)目擬采用φ250 mm、1.5 m長(zhǎng)的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁頂高出室外地坪0.3 m，地面以下1.2 m。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)詳圖見(jiàn)圖2。

2.2 基礎(chǔ)計(jì)算

2.2.1 樁身抗壓承載力計(jì)算(抗壓驗(yàn)算)

根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.5.11條公式[3]計(jì)算承載力：

式中：?c為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kPa，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，本項(xiàng)目基礎(chǔ)采用C30混凝土，?c=14.3 N/mm2；Q為相應(yīng)于作用的基本組合時(shí)的單樁豎向力設(shè)計(jì)值，kN；Ap為樁身橫截面積，mm2，Ap=π(250/2)2=49062.5 mm2；φc為工作條件系數(shù)，非預(yù)應(yīng)力預(yù)制樁取0.75，預(yù)應(yīng)力樁取0.55～0.65，灌注樁取0.6～0.8，本項(xiàng)目φc取用低值0.6；K為安全系數(shù)，K=2。

由式(1)可得：樁身抗壓承載力N為210.48 kN。

根據(jù)上部支架結(jié)構(gòu)計(jì)算書(shū)中提取的前后立柱基礎(chǔ)反力最大Nmax=15.086 kN< 210.48 kN，因此樁身強(qiáng)度滿(mǎn)足樁的抗壓承載力設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

鉆孔灌注樁直徑取φ250 mm，初步選擇樁長(zhǎng)1.5 m，基礎(chǔ)露出地面長(zhǎng)度0.3 m，基礎(chǔ)埋入地下長(zhǎng)度1.2 m，埋入地下樁長(zhǎng)分布于土層1～2層。

1)單樁豎向承載力特征值計(jì)算：

圖2 灌注樁基礎(chǔ)詳圖

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值；qpa為樁端端阻力；qsia為樁側(cè)阻力特征值；Ap為樁底端橫截面面積；up為樁身周邊長(zhǎng)度，對(duì)于等直徑樁取up=πd；li為第i層巖土層的厚度；λi為樁周i層土抗拔承載力系數(shù)；K為安全系數(shù)，K=2。

由式(2)得：

2)單樁豎向抗拔承載力特征值計(jì)算：

式中：Ra′為單樁豎向承載力特征值；λi為樁周i層土抗拔承載力系數(shù)；Gpk為單樁自重標(biāo)準(zhǔn)值(扣除地下水浮力)。

由式(3)得：

2.2.3 單樁受彎計(jì)算

根據(jù)計(jì)算，單樁所受的水平力F=0.452 kN，

樁基水平承載力特征值

根據(jù)上部支架結(jié)構(gòu)計(jì)算書(shū)中提取的水平承載力最大值，F(xiàn)max=0.452 kN<0.662 kN，滿(mǎn)足樁基礎(chǔ)受彎要求。

2.2.4 樁身配筋驗(yàn)算

式中：?y為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As為縱向受拉鋼筋截面面積。

由式 (4)得：As≥35.7 mm2。

本工程選用6根φ10縱筋，As=6π(10/2)2=471 mm2>35.7 mm2，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3 不同類(lèi)地況基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討

通過(guò)上述計(jì)算可以看出，地質(zhì)條件的差異對(duì)灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取影響很大。不同類(lèi)地況基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，需考慮的主要因素有：場(chǎng)區(qū)巖土工程土層分布情況、承載力特征值、極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值、抗拔系數(shù)。其他地況基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)實(shí)施地區(qū)詳細(xì)地勘報(bào)告提取上述參數(shù)值，按照前面所述計(jì)算流程設(shè)計(jì)計(jì)算，完成灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于小型鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的計(jì)算在一般的土建基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中是一種特例，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一本書(shū)籍能較為系統(tǒng)地闡述此方面的計(jì)算，而且也沒(méi)有針對(duì)此種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算方面的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。本文參照土建基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合對(duì)光伏電站基礎(chǔ)的研究及長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，給出小型鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，可供從事此方面工作的人員參考。

[1]GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2]GB 50797-2012，光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].