硬塑粉質黏土層中微型樁水平向承載特性分析

摘 要：光伏支架在投產運營的過程主要受風荷載影響。對微型樁基礎來說，當風荷載作用于光伏面板上時，微型樁基礎頂部主要受到側向荷載作用。為探明硬塑粉質黏土層中微型樁側向承載能力是否滿足對光伏支架結構安全性能的需求，本文采用現(xiàn)場靜載試驗結合有限元模擬的方式對微型樁側向承載性能進行分析研究。結果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場試驗與模擬分析的微型樁側向承載能力基本一致，且施工現(xiàn)場選用長2m的C30混凝土微型作為支架基礎即可滿足承載力要求。

關鍵詞：微型樁；硬塑粉質黏土；側向承載；靜載試驗；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU 47" " 文獻標志碼：A

可將光伏支架施工中運用的微型樁基礎作為一種小直徑樹根樁?？蓪⒈卷椖窟\用的微型樁基礎視為一端嵌固，一端自由。根據壓桿長細比計算公式（λ=μl/i）可知，當微型樁樁頂受到水平荷載作用時，由于其樁徑較小，抗彎剛度小，且樁側與土體接觸面積也較小，導致樁身容易發(fā)生撓曲變形，同時上部樁周土發(fā)生的壓縮變形較大，難以滿足實際工程的位移控制要求[]。基于此，為確定微型樁基礎最佳施工參數(shù)，控制微型樁撓曲變形，本文基于光伏支架微樁基礎施工應用研究，進行硬塑粉質黏土中微型樁側向靜載試驗，分析不同樁長、混凝土性能對微型樁的水平承載力的影響，并對試驗確定的施工參數(shù)進行進一步模擬分析，將模擬結果與試驗進行對比，為微型樁在硬塑粉質黏土地層中的施工提供了依據[]。

1 工程概況

涼山州會理光伏項目場地覆蓋范圍廣，區(qū)域相對分散，地形以山脊緩坡為主，坡度主要在5°～20°，局部地方較陡可達到35°～40°。光伏陣列支架荷載小，基礎埋深不大。部分場址分布的碎塊石土較松散，易變形，不宜作為光伏組件樁基礎持力層，可塑～硬塑狀的含礫粉質黏土可以作為樁基持力層一般豎向承載力。固定支架每個單元設4個基礎，為單立柱形式，樁距為4.3m，基礎擬采用直徑250mm的微孔灌注樁，樁總長2.0m，入土深度1.5m，頂端露出地面0.5m。

2 單樁側向承載試驗

2.1 試驗方案

光伏項目位于涼山彝族自治州會理市，微型樁基礎施工場址處屬中高山山地地貌，地質類型主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層，土體類型主要為含礫粉質黏土，表現(xiàn)為硬塑狀。在正式進行光伏支架微型樁基礎施工前，選取不同樁基參數(shù)對微型樁進行對比試樁試驗，樁長選取2m、4m、6m，混凝土類型選取C20、C30、C40。為簡化試樁試驗程序，減少試樁數(shù)量，按照先確定樁長、再確定樁身混凝土類型的方式進行試驗。在每組試樁成樁且強度達標后，在距離微型樁2m位置處設置反力墩，將千斤頂設置在微型樁與反力墩之間，采用千斤頂對微型樁施加水平力的方式進行樁基側向靜載試驗。并在千斤頂與微型樁間加設球鉸支座作為接觸裝置，以保證千斤頂施加的側向力能夠水平通過樁身軸線，現(xiàn)場試驗布置如圖1所示[]。采用慢速維持荷載法進行分級加載。分級荷載為最大加載量或預估極限承載力的1/10，其中第一級取分級荷載的2倍，當試樁位移相對穩(wěn)定時，施加下一級荷載。其中試樁位移相對穩(wěn)定標準為每1h內的樁頂位移量不超過0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次。若出現(xiàn)樁身折斷、水平位移超過30～40mm、水平位移達到設計要求的水平位移容許值，則終止試驗。通過百分表測定微型樁側向位移量，繪制微型樁的Q-s曲線以判定試樁的承載能力[]。

2.2 試驗數(shù)據分析

對每組試樁繪制的Q-s曲線進行分析，考慮光伏支架施工對水平偏差的要求，將位移量限值設定為10mm。若位移量超過10mm，則微型樁無法再繼續(xù)承載，將此時的側向荷載作為水平承載力限值。

2.2.1 樁長對側向承載能力的影響

為探究樁長對微型樁側向承載能力的影響，選取C20混凝土鉆孔制成2m、4m、6m樁長的微型樁，并對其進行側向靜載試驗，得到Q-s曲線，如圖2所示。受環(huán)境因素、施工因素等的影響，3種工況下的Q-s隨試驗荷載增加，位移量均呈現(xiàn)出不平滑的拋物線增長趨勢。當前期荷載加載量較小時，樁周土處于彈性變形階段，隨荷載進一步增加，樁周土發(fā)生彈塑性變形，壓縮變形量進一步增加，此時微型樁開始發(fā)生側向位移。由圖2可知，隨著樁長加深，微型樁的側向承載能力逐步提高。樁長從2m增至4m，再到6m，微型樁水平承載能力增幅分別為4.8%，1.7%?？紤]項目所在地風荷載產生的側向力水平，為節(jié)省施工成本，將微型樁施工樁長設置為2m即可滿足使用需求，此時微型樁的側向承載力約為70.94kN。

2.2.2 混凝土性能對側向承載能力的影響

為探究混凝土性能對微型樁側向承載能力的影響，在確定微型樁樁長為2m的基礎上，選取C20、C30、C40這3種混凝土類型進行側向承載力靜載試驗。由于已對“2m-C30”試樁進行了試驗，此階段只需要進行兩次試樁試驗即可?；炷列阅軐ξ⑿蜆禥-s曲線的影響如圖3所示，由圖3可知，微型樁的水平承載能力隨著混凝土性能提升而提高，當混凝土性能從C20變化為C30和C40時，其水平承載能力增幅分別為6.8%，3.5%。由于微型樁施工場址處主要為硬塑粉質黏土層，為減少地層對側向承載能力的影響，混凝土類型選取C30，此時混凝土側向承載能力為71.9kN?；炷列阅懿⒉挥绊懰匠休d能力提升，選取C30混凝土的優(yōu)勢是進一步提升微型樁的抗彎性能，降低微型樁表面混凝土在水平力作用下開裂的風險。

3 微型樁側向承載數(shù)值分析

3.1 分析模型建立

根據試驗所得數(shù)據，利用Midas建立樁土模型對微型樁側向承載進行有限元模擬分析，模型具體參數(shù)見表1 樁土模型參數(shù)。為消除邊界效應對模擬結果的影響，模型尺寸選取20倍樁徑（?250mm），模型深度選取3倍樁長（2m），即建立5m×5m×6m的樁土模型[]。

由于施工及環(huán)境因素復雜，因此模型分析基于以下假定。1）模型單元均由連續(xù)、均質材料構成，各向力學性質相同。2）硬塑粉質黏土在實際工程中，受荷載作用，并非只發(fā)生彈性變形。因此采用Mohr-Coulomb模型模擬硬塑粉質黏土的彈塑性行為。3）微型樁底部嵌固于土體中，樁頂露出地面50cm?？蓪锻琳w模型邊界條件視為理想的土體底部Z向豎直固定約束，土體側面水平X、Y向水平約束為樁頂自由端邊界條件。

采用實體單元進行模擬，共建立實體單元38820個。為保證模擬精度，將圓形樁基截面劃分為36個扇形截面網格，同步細化樁土接觸界面網格。將樁頂中心耦合為一個節(jié)點，并將其作為側向荷載作用點。樁土模型如圖4所示。

3.2 模擬分析驗證

3.2.1 側向撓曲變形分析

為模擬加載過程，在樁頂耦合節(jié)點處逐步增加水平荷載強度，得到樁土模型X-Y向位移云圖，如圖5所示。微型樁由于其長細比較大，自身剛度較小，因此受到側向荷載作用時，樁身容易發(fā)生撓曲變形，當水平荷載加載約73.4kN時，位移量約為10.06mm，將此時視為微型樁的水平承載能力極限，因試驗精度、工程實際偏差的影響，與試驗結果相比，水平向承載能力相差約2%，試驗與模擬結果基本一致。由圖5可知，微型樁一端嵌固于土體中，一端為自由端，使其樁頂產生的位移最大，且隨深度增加，微型樁水平位移逐步減少。且隨水平向荷載逐步增加，不同樁深處的水平位移變化量也不同，呈現(xiàn)出深度越大，位移變化越慢的規(guī)律。由于微型樁樁徑小，因此與樁周土的接觸面也較小[]。樁周土受到微型樁傳遞來的水平向荷載后，發(fā)生彈性變形，當荷載逐步增加，樁周土進一步壓縮，出現(xiàn)彈塑性變形。越靠近微型樁，樁周土壓縮變形量越大。在工程實際中，微型樁受到水平荷載作用，微型樁樁身出現(xiàn)轉動或者撓曲，造成樁體發(fā)生水平位移。樁周土體一側壓縮，另一側土體與微型樁發(fā)生脫離，使樁體松動，最終導致光伏支架破壞。

3.2.2 微型樁承載特性分析

承載極限狀態(tài)下樁土X-Y向應力云圖如圖6所示。由圖6可知，當微型樁在水平荷載作用下發(fā)生10mm位移變形時，微型樁發(fā)生側向撓曲變形，在地面上約10cm的樁身表面產生最大應力約為3.7MPa。混凝土一側受拉一側受壓，導致受壓側樁周土發(fā)生壓縮變形，受拉側樁周土與樁體發(fā)生脫離。若外部水平荷載繼續(xù)增加或水平外力持續(xù)加載，微型樁一側混凝土繼續(xù)承受拉應力，一側承受壓應力，則造成樁身外露段混凝土表面出現(xiàn)破壞，且樁周土體承載不均，會加深土體不均勻沉降，從而導致固定式光伏支架傾角改變，降低光伏發(fā)電效率[]。

4 結論

通過靜載試驗與有限元模擬對微型樁在硬塑粉質黏土層的側向承載能力進行分析研究，得到以下結論。1）通過加深樁長、提升樁體混凝土性能均可提升微型樁的側向承載能力，由于試驗精度、工程實際偏差的影響，因此靜載試驗和有限元模擬的側向承載能力值相差約2%。2）施工選用長2m的C30混凝土微型樁作為光伏支架樁基礎，可達到71.9kN的側向承載能力，可滿足光伏發(fā)電場址處光伏支架抵抗風荷載的需求。

參考文獻

[1] 程永鋒.微型樁基礎在輸電線路工程中的應用[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2] 呂凡任，陳仁朋，陳云敏，等.軟土地基上微型樁抗壓和抗拔特性試驗研究[J].土木工程學報，2005，38（3）：99-105.

[3] 屈偉，朱銳，居俊，等.黃土地區(qū)微型樁基礎承載特性現(xiàn)場試驗研究[J].建筑科學，2020，36（1）：98-105.

[4] 武玉萍，付紅安，王佳佳，等.黃土地基微型樁水平承載力及群樁效應研究[J].應用力學學報，2022，39（3）：543-553.

[5] 陳正，梅嶺，梅國雄.柔性微型樁水平承載力數(shù)值模擬[J].巖土力學，2011，7（6）：2219-2224.

[6] 孔德森，劉一，鄧美旭，等.海上風電單樁基礎周圍非均質土體橫向土抗力分布特性研究[J].應用力學學報，2021，38（3）：943-949.

[7] 許澤航，何斌，韓鵬舉，等.荷載傾角對光伏支架微型樁承載特性影響的試驗與數(shù)值模擬研究[J].中國科技論文，2023，8（10）：1098-1104.