軟塑/流塑軟弱土場(chǎng)地光伏支架基礎(chǔ)不均勻沉降問題及解決措施

收稿日期：2023-02-22

通信作者：陽小超（1990—），男，碩士、工程師，主要從事火力發(fā)電及新能源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。345720988@qq.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230222.03 文章編號(hào)：1003-0417（2024）02-109-06

摘 要：針對(duì)光伏支架在軟塑/流塑軟弱土場(chǎng)地應(yīng)用時(shí)存在的一些問題，提出一種半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)形式，旨在克服常規(guī)基礎(chǔ)因受場(chǎng)地限制不適用，或施工難度大、建設(shè)成本較高的問題。通過沉降計(jì)算分析，在滿足軟塑/流塑軟弱土地基承載力及基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性的前提下，該半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)安裝支架基礎(chǔ)上方設(shè)施后，不增加基礎(chǔ)底面附加壓力，從根本上解決了光伏電站建設(shè)后場(chǎng)地地基的后續(xù)沉降問題。

關(guān)鍵詞：光伏支架基礎(chǔ)；半預(yù)制；軟弱土；軟塑/流塑；不均勻沉降

中圖分類號(hào)：TM615/TU475+.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的強(qiáng)力推動(dòng)下，中國的光伏電站建設(shè)范圍和數(shù)量均在迅速擴(kuò)大?，F(xiàn)階段，中國的光伏電站不僅遍布于西北沙漠地區(qū)，也逐漸向沿江、沿海、廢棄礦山等地區(qū)發(fā)展。光伏支架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)因項(xiàng)目場(chǎng)地類型分布廣泛，地質(zhì)類型多樣，需要根據(jù)場(chǎng)地不同的地質(zhì)情況采取適宜的基礎(chǔ)類型。即使在同一場(chǎng)地，也可能選擇不同的光伏支架基礎(chǔ)類型。當(dāng)光伏電站基礎(chǔ)數(shù)量較大時(shí)，容易造成成本和工期的巨大差異。因此，選擇合適的基礎(chǔ)類型對(duì)于控制工程成本和工期至關(guān)重要。

目前，針對(duì)軟塑/流塑軟弱土的光伏電站場(chǎng)地，常采用的光伏支架基礎(chǔ)形式主要有：預(yù)制（PC）樁基礎(chǔ)、鋼制地錨基礎(chǔ)和微孔灌注樁基礎(chǔ)。而建筑工程中常用的鋼筋混凝土擴(kuò)展式基礎(chǔ)由于自重較大，在使用期間會(huì)產(chǎn)生較大的沉降，相關(guān)規(guī)程、規(guī)范中明確指出其不適用于軟塑/流塑軟弱土場(chǎng)地。

汪海燕等[1]探討了微型混凝土預(yù)制實(shí)心樁在灘涂地的應(yīng)用，其配套的機(jī)械沉樁避免了在灘涂環(huán)境下的施工降水、土方開挖等施工技術(shù)難題，為在灘涂上建設(shè)光伏電站提供了理論依據(jù)；苗廣威等[2]從光伏支架本身出發(fā)，提出了一種在外荷載作用下可以自動(dòng)調(diào)節(jié)上部結(jié)構(gòu)高度、檁條轉(zhuǎn)角和距離的長圓孔式橫梁-檁條光伏支架，以較低的成本解決了光伏支架基礎(chǔ)在濕陷性黃土地區(qū)存在的不均勻沉降問題。針對(duì)軟塑/流塑土場(chǎng)地光伏電站建設(shè)，本文提出一種半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)形式來減少基礎(chǔ)自重，從而消減支架基礎(chǔ)基底附加壓力來控制其沉降，以避免因地基不均勻沉降造成上部光伏組件的破環(huán)，并通過工程實(shí)例對(duì)該基礎(chǔ)形式進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1" 半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)簡介

本文提出的半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)形式可以歸類于擴(kuò)展式基礎(chǔ)，其構(gòu)造包括由工廠預(yù)制或現(xiàn)場(chǎng)制作的混凝土基礎(chǔ)底板，現(xiàn)場(chǎng)澆筑的基礎(chǔ)側(cè)板、頂板及嵌固于基礎(chǔ)底板與側(cè)板、頂板一同澆筑的光伏支架基礎(chǔ)支墩；基礎(chǔ)內(nèi)部合圍區(qū)域用塑料泡沫塊填充，既起到澆筑基礎(chǔ)頂板、側(cè)板時(shí)的模板作用，又達(dá)到減輕基礎(chǔ)自重的目的，其構(gòu)造示意圖如圖1所示，具體施工做法及步驟可參見[3]文獻(xiàn)的專利說明。

2" 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1" 工程地質(zhì)情況

以南方地區(qū)某光伏電站為例，項(xiàng)目地處地勢(shì)平坦的荒地，周邊分布有湖泊、河流。場(chǎng)區(qū)設(shè)防烈度為6度（0.05g），地震分組為第2組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)風(fēng)荷載取25年基本風(fēng)壓ω0為0.45 kN/m2；地面粗糙度類別為B類；雪荷載可不考慮。該光伏電站場(chǎng)區(qū)各土層的力學(xué)物理指標(biāo)如表1所示。

2.2" 光伏支架基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果分析

本項(xiàng)目中，單個(gè)光伏陣列布置的光伏組件數(shù)量為2×10塊，單塊光伏組件的尺寸為1665 mm×992 mm×35 mm，重量約為18.6 kg；光伏支架為鋼支架，斜梁與地面夾角為35°；光伏組件離地最小距離為0.7 m，光伏支架采用雙支柱模式，前、后支柱中心距離為2 m，每一榀支柱的布置間距為3 m。由于受力特性差異，光伏支架前支柱的基礎(chǔ)尺寸較小，為0.8 m×0.8 m×0.7 m，后支柱的基礎(chǔ)尺寸較大，為1.2 m×1.0 m×0.7 m；前、后兩支柱基礎(chǔ)底板厚度均為120 mm，側(cè)板、頂板厚度均為80 mm，光伏支架基礎(chǔ)支墩尺寸為0.2 m×0.2 m，凸出地面高度為0.2 m。光伏支架基礎(chǔ)平面布置圖如圖2所示，光伏支架基礎(chǔ)剖面示意圖如圖3所示。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4-5]要求，光伏支架基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行承載力和穩(wěn)定性的驗(yàn)算。由于光伏組件及光伏支架自重較小，組合作用下風(fēng)荷載起控制作用。現(xiàn)取1榀中間鋼支架作為計(jì)算單元，依據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)情況及光伏支架荷載情況分別計(jì)算正、負(fù)風(fēng)壓工況作用下前、后支柱基礎(chǔ)的地基承載力和抗傾覆情況。

1） 當(dāng)軸心荷載作用時(shí)，基礎(chǔ)底面的壓力Pk的計(jì)算式為：

Pk= Fk+Gk" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

A

式中：Fk為上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值（標(biāo)準(zhǔn)組合）；Gk為基礎(chǔ)自身重量及其上部土的重量；A為基礎(chǔ)底面的面積。

當(dāng)偏心荷載作用時(shí)，基礎(chǔ)底面的最大壓力Pk，max的計(jì)算式為：

Pk，max= 2（Fk+Gk）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

3la

式中：l為垂直于力矩作用方向的光伏支架基礎(chǔ)底面的邊長；a為合力作用點(diǎn)至光伏支架基礎(chǔ)底面最大壓力邊緣的距離。

2） 地基承載力特征值修正值fa的計(jì)算式為：

fa＝fak+ηbγ（b–3）+ηdγm（d–0.5）" " " " " " " " " " " " （3）

式中：ηb、ηd為基礎(chǔ)底面寬、深的承載力修正系數(shù)，按規(guī)范[6]要求，取值分別為0、1；γ、γm分別為基礎(chǔ)底面以下、以上土的重度；b為基礎(chǔ)底面的寬；d為基礎(chǔ)埋深。

3） 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk根據(jù)項(xiàng)目情況及規(guī)范規(guī)定取值，其計(jì)算式為：

ωk=βz μz μsω0" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中：βz為z高度處的風(fēng)振系數(shù)，取值為1.0；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取值為1.23；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取值為1.3。

4） 地基變形最終變形量s計(jì)算式為：

s=ψss′=ψs（ziαi–zi–1αi–1）" " " " " " " " " " " " " "（5）

式中：ψs為經(jīng)驗(yàn)計(jì)算系數(shù)，按規(guī)范要求本項(xiàng)目取值為1.1；P0為基底附加壓力（準(zhǔn)永久組合）；Esi為第i層土的壓縮模量；zi為基礎(chǔ)底面處至第i層土底面的距離；αi為基礎(chǔ)底面處至第i層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)；s′為按分層總和法計(jì)算出的地基變形量；n為地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)。

正、負(fù)風(fēng)壓工況[7]作用下光伏支架前、后支柱基礎(chǔ)安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

由表2可知：負(fù)風(fēng)壓工況作用下光伏支架前、后支柱基礎(chǔ)穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果均大于1.60，滿足規(guī)范要求的穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)大于1.60的規(guī)定。其中，前支柱基礎(chǔ)沒有穩(wěn)定性問題；后支柱基礎(chǔ)抗傾覆安全系數(shù)最小，只有1.64。由于光伏支架及光伏組件重量很輕，基礎(chǔ)在軸心荷載作用下產(chǎn)生的基礎(chǔ)底面壓力較小，地基承載力富余量較大；在偏心荷載作用下前支柱基礎(chǔ)產(chǎn)生的基礎(chǔ)底面最大壓力較大，相比之下，后支柱基礎(chǔ)更加不利。因此可以得出：后支柱基礎(chǔ)在負(fù)風(fēng)壓工況下因需滿足抗傾覆驗(yàn)算的條件，對(duì)基礎(chǔ)底面尺寸有最小值要求；前支柱基礎(chǔ)在偏心荷載作用下因需滿足基礎(chǔ)底面最大壓力和基礎(chǔ)底面零應(yīng)力面積限值的條件，同樣對(duì)基礎(chǔ)底面尺寸有最小值要求。不同光伏支架基礎(chǔ)底面附加壓力及沉降計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示。

由表3可知：半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)的基礎(chǔ)底面附加應(yīng)力為負(fù)值，因此該基礎(chǔ)不會(huì)產(chǎn)生沉降，與獨(dú)立基礎(chǔ)相比，大大減少了基礎(chǔ)底面附加壓力。由此可知，半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)在滿足軟塑/流塑軟弱土地基承載力及基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性的前提下，可以實(shí)現(xiàn)安裝光伏支架基礎(chǔ)上方設(shè)施不增加基礎(chǔ)底面附加壓力，從根本上解決光伏電站建設(shè)后場(chǎng)地地基后續(xù)沉降的問題。

3" 不同光伏支架基礎(chǔ)形式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

本文從實(shí)際項(xiàng)目光伏支架基礎(chǔ)形式的經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，以單個(gè)光伏陣列為對(duì)象，對(duì)以下幾種適用的光伏支架基礎(chǔ)形式進(jìn)行工程量和成本比較，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

備注 不設(shè)混凝土墊層，不需要大型機(jī)械輔助施工 需要專業(yè)大型機(jī)具壓樁且需控制樁的定位及垂直度 需要人工或機(jī)械成孔，樁身振搗密實(shí)難度大

注：1）單個(gè)光伏陣列由4榀光伏支架組成，根據(jù)上部支架受力情況計(jì)算樁數(shù)量及樁長；2）鋼制地錨基礎(chǔ)不適用于本項(xiàng)目流塑土層較厚的情況，因此未列入

通過表4可知：半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性最好，大幅減少了工程成本，單個(gè)光伏陣列基礎(chǔ)成本比采用4樁、8樁模式的PC樁基礎(chǔ)時(shí)分別減少了69%、93%；比采用微孔灌注樁基礎(chǔ)時(shí)分別減少了47%、68%。說明半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)節(jié)省了大量工程投資，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

PC樁基礎(chǔ)和微孔灌注樁基礎(chǔ)均屬于樁類基礎(chǔ)，為了在軟塑/流塑軟弱土場(chǎng)地中能發(fā)揮樁的承載力性能，樁長一般較長，因此其基礎(chǔ)施工建設(shè)成本較高。再加上面積較大的建設(shè)場(chǎng)區(qū)通常會(huì)存在很多大型機(jī)具不能施工的區(qū)域，會(huì)造成更多人工成本投入。

4" 結(jié)論

本文針對(duì)光伏支架在軟塑/流塑軟弱土場(chǎng)地的應(yīng)用情況，提出了一種半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)形式，并以軟塑/流塑軟弱土場(chǎng)地的工程實(shí)例對(duì)其適用性進(jìn)行了說明。通過計(jì)算得出，該基礎(chǔ)可以在滿足軟塑/流塑軟弱土場(chǎng)地地基承載力及基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)安裝光伏支架基礎(chǔ)上方設(shè)施后不增加基礎(chǔ)底面附加應(yīng)力的目的，解決了建設(shè)后場(chǎng)地產(chǎn)生后續(xù)沉降造成光伏支架上部光伏組件破壞的問題。同時(shí)對(duì)PC樁基礎(chǔ)、微孔灌注樁基礎(chǔ)等常用樁基礎(chǔ)形式與半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)的施工特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性情況進(jìn)行了對(duì)比，得出半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）以實(shí)例應(yīng)用情況來看，在軟塑/流塑軟弱土場(chǎng)地應(yīng)用時(shí)，半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性最好，工程費(fèi)用較低，其成本比PC樁基礎(chǔ)和微孔灌注樁基礎(chǔ)成本分別降低了69%和47%。

2）半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)不需要專業(yè)大型機(jī)具輔助施工。當(dāng)在軟塑/流塑軟弱土場(chǎng)地施工不具備采用大型機(jī)具的施工條件，或采用常規(guī)樁基礎(chǔ)施工難度大時(shí)，可以為工程人員提供一種新型基礎(chǔ)方案。

3）半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)較傳統(tǒng)鋼筋混凝土擴(kuò)展式基礎(chǔ)優(yōu)化了施工工序，減少了施工環(huán)節(jié)?；A(chǔ)底板尺寸型號(hào)可以根據(jù)光伏電站所在區(qū)域情況同光伏支架參數(shù)配套使用，可以批量在工廠或現(xiàn)場(chǎng)制作好后再運(yùn)至指定點(diǎn)組裝，基礎(chǔ)底部不設(shè)混凝土墊層，直接澆筑即可制成半預(yù)制輕型光伏支架基礎(chǔ)。突破了相關(guān)規(guī)程、規(guī)范中鋼筋混凝土擴(kuò)展式基礎(chǔ)對(duì)軟塑/流塑軟弱土場(chǎng)地不適用的限制。

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NON-UNIFORM SETTLEMENT OF PV BRACKET FOUNDATION IN

SOFT PLASTIC/FLOW PLASTIC SOFT SOIL SITES AND

ITS SOLUTIONS

Yang Xiaochao，Chen Shaoxiong，He Zhigang

（China Energy Construction Group Hunan Electric Power Design Institute Co.，Ltd，Changsha 410007，China）

Abstract：In view of the problems existing in the application of PV brackets in soft plastic/flow plastic soft soil sites，this paper proposes a semi-prefabricated lightweight PV bracket foundation form，which aims to overcome the problems of inappropriate application of conventional foundations due to site constraints or difficult construction and high construction costs. On the premise of satisfying the bearing capacity of the soft plastic/flow plastic soft soil foundation and the overall stability of the foundation，it is found through settlement calculation that this semi-prefabricated lightweight PV bracket foundation can achieve the installation of facilities above the PV bracket foundation without increasing the additional stress on the foundation bottom，the problem of subsequent settlement of the foundation after construction of PV power stations is fundamentally solved.

Keywords：PV bracket foundation；semi-prefabricated；soft soil；soft plastic/flow plastic；non-uniform settlement