光伏支架微型樁承載力特性及質(zhì)量控制

摘 要：微型樁基礎(chǔ)作為常見的光伏支架基礎(chǔ)形式廣泛應(yīng)用于各種光伏工程項(xiàng)目。本文對(duì)微型樁基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)以及有限元數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，隨著樁基礎(chǔ)入土深度減少，其極限承載力均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，在受到相同荷載的情況下，樁頂位移隨著入土深度減少而逐漸增加，同時(shí)，隨著荷載傾角變大，樁頂豎向位移減少，水平位移增加。本文提出微型樁基礎(chǔ)各工序的施工質(zhì)量控制要點(diǎn)以及質(zhì)量問(wèn)題解決措施，以期為后續(xù)的工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：光伏項(xiàng)目；微型樁；靜載試驗(yàn)；有限元模擬；承載力；施工質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TU 47" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在光伏工程中，單個(gè)固定式支架體量相對(duì)較小，支架數(shù)量巨大，因此，目前光伏工程項(xiàng)目通常采用直徑小于400mm的微型灌注短樁作為支架的基礎(chǔ)[1]。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微型樁進(jìn)行了部分研究，但研究成果是按傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)規(guī)范進(jìn)行分析，或是聚焦在微型樁的預(yù)制安裝方面，而對(duì)用于光伏支架的微型樁基礎(chǔ)承載力特性，特別是不同地質(zhì)條件下的樁基礎(chǔ)承載性能沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)研究。

受西南大起伏山地的地形特征限制，為保證光伏支架微型樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，對(duì)樁基礎(chǔ)的承載性能提出了更高的要求，不僅要對(duì)微型樁基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)，還要結(jié)合有限元數(shù)值模擬，探明荷載作用下微型樁承載力特性的發(fā)展規(guī)律，為工程施工提供理論支持。

1 微型樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 場(chǎng)地地質(zhì)概況

工程場(chǎng)區(qū)位于四川省涼山彝族自治州會(huì)理市，屬中高山山地地貌，場(chǎng)地以大起伏大坡度山地為主，陡坡處基巖連續(xù)出露，其余部位基巖零星出露。根據(jù)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)勘察報(bào)告，工程場(chǎng)址區(qū)主要有震旦系上統(tǒng)燈影組上段（Zbd1）、震旦系上統(tǒng)燈影組中段（Zbd2）、三疊系上統(tǒng)—侏羅系下統(tǒng)白果灣群（T3-J1bg）、侏羅系中統(tǒng)新村組（J2x）及第四系全新統(tǒng)地層。第四系全新統(tǒng)中碎塊石土塊碎石含量約60%～80%，期間充填粉質(zhì)黏土，主要分布在8#場(chǎng)地西部和10#場(chǎng)地西部，場(chǎng)址區(qū)其余地表廣泛分布含礫粉質(zhì)黏土。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用微孔灌注樁，根據(jù)前期地勘結(jié)果，選定3個(gè)典型地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)典型地質(zhì)區(qū)域設(shè)置3組，每組3根樁。微孔灌注樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，樁端露出地面0.5m，采用慢速維持荷載法，逐級(jí)等量進(jìn)行加載[2]。

其他事項(xiàng)按照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）。本文以每個(gè)區(qū)域1根試驗(yàn)樁展示試樁參數(shù)，見表1。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)樁分別進(jìn)行分級(jí)施加水平荷載及豎向荷載，得出各自工況下的樁頂荷載—位移曲線，如圖1所示。

由圖1（a）可以看出，當(dāng)豎向荷載相對(duì)較小時(shí)，樁頂豎向位移隨荷載增加呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)，而曲線的曲率相對(duì)平穩(wěn)，但在荷載加載至某級(jí)后，曲線曲率突然變大，曲線（豎向位移）急劇提升，此時(shí)樁頂豎向位移與前一級(jí)荷載加載后的位移相差超過(guò)5倍，可確定在前一級(jí)荷載加載后，試驗(yàn)樁已進(jìn)入破壞狀態(tài)，該級(jí)荷載即為極限抗拔承載力[3]。根據(jù)曲線可知，P1-1-1、P2-1-1、P3-1-1試驗(yàn)樁的極限抗拔承載力分別為22.42kN、24.68kN、30.47kN，與之相對(duì)應(yīng)的樁頂豎向位移分別為3.23mm、3.66mm、4.06mm。此外，不同試驗(yàn)樁隨著入土深度減少，其極限抗拔承載力也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，在同一級(jí)荷載加載后，樁頂豎向位移也隨之增加。

由圖1（b）可以看出，各試驗(yàn)區(qū)域的試驗(yàn)樁水平荷載—位移曲線呈現(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)的非線性發(fā)展，曲線發(fā)展變化規(guī)律與圖1（a）基本相同。根據(jù)曲線可知，P1-1-1、P2-1-1、P3-1-1試驗(yàn)樁的極限水平承載力分別為18.26kN、26.23kN、30.58kN，與之相對(duì)應(yīng)的樁頂水平位移分別為5.36mm、6.98mm、8.75mm。極限水平承載力隨著試驗(yàn)樁入土深度減少而降低的趨勢(shì)，在同一級(jí)荷載加載后，樁頂水平位移隨之增加。

2 微型樁承載力特性數(shù)值模擬

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)僅針對(duì)豎向荷載及水平荷載作用下樁基承載能力進(jìn)行分析，在工程實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，微型樁基礎(chǔ)所受的荷載通常方向和角度都不相同[4]。為進(jìn)一步分析在不同荷載角度情況下，微型樁基礎(chǔ)承載力特性變化，利用有限元分析軟件對(duì)微型樁進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 模型建立

采用MIDAS軟件建立三維模型，以0.5m×0.5m的單元模擬土體，土體符合摩爾—庫(kù)倫理論。混凝土樁、預(yù)埋鋼管、土體均為實(shí)體單元，假定各結(jié)構(gòu)層之間連續(xù)，忽略同質(zhì)材料之間的相互作用，建立數(shù)值模型，如圖2所示。

2.2 模型結(jié)果驗(yàn)證

以試驗(yàn)區(qū)域1中的P1-1-1試驗(yàn)樁為例，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與模型計(jì)算結(jié)果所得的樁頂荷載-位移曲線對(duì)比如圖3所示。

由圖3可以看出，有限元軟件模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)基本吻合，模型計(jì)算中的極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果一致，與之相應(yīng)的位移變化雖然略小于試驗(yàn)結(jié)果，但仍在允許偏差內(nèi)。兩者的曲線發(fā)展變化趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明有限元模型單元建立與劃分相對(duì)合理，所得結(jié)果較為可靠，因此對(duì)微型樁的承載特性進(jìn)行模擬分析是可行的。

2.3 荷載傾角對(duì)微型樁基礎(chǔ)承載力的影響

在微型樁基礎(chǔ)實(shí)際工程中，不僅會(huì)受到豎向作用力，還會(huì)承受水平作用力，即樁基礎(chǔ)會(huì)承受斜向荷載[5]。利用有限元模擬分析軟件，豎向與水平分解斜向荷載，并在樁頂進(jìn)行加載，同時(shí)設(shè)置不同的荷載傾角工況，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)微型樁模型破裂或不能收斂時(shí)停止加載，本文以區(qū)域2中的P2-1-1試驗(yàn)樁為例，展示不同荷載傾角工況下的樁頂荷載—位移曲線，如圖4所示。

由圖4（a）可以看出，在荷載傾角從0°增至75°的過(guò)程中，樁頂豎向位移變化率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。當(dāng)傾角為0°時(shí)（即微型樁僅受豎向荷載），位移曲線在23.86kN處出現(xiàn)突變。當(dāng)傾角為15°時(shí)，曲線仍然呈現(xiàn)類似發(fā)展規(guī)律，在24.69kN處出現(xiàn)突變。當(dāng)傾角為30°時(shí)，曲線變化曲率由陡變轉(zhuǎn)為緩變，無(wú)特別的突變點(diǎn)位。當(dāng)傾角為45°時(shí)，曲線發(fā)展規(guī)律與上一級(jí)類似，位移變化量相對(duì)有所減少。當(dāng)傾角為60°時(shí)，斜向荷載的水平分力增加，樁頂豎向位移及位移變化率進(jìn)一步減少。當(dāng)傾角為75°時(shí)，曲線變化近似直線，斜向荷載的水平分力遠(yuǎn)大于豎向分力，導(dǎo)致豎向位移變化極慢。

由圖4（b）可以看出，當(dāng)荷載傾角從15°增至90°時(shí)，樁頂水平位移變化率呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。當(dāng)傾角為15°時(shí)，由于斜向荷載的豎向分力遠(yuǎn)大于水平分力，因此曲線近似線性變化。當(dāng)傾角為30°時(shí)，斜向荷載的水平分力逐漸增加，樁頂水平位移隨之增加，曲線在36.22kN處出現(xiàn)突變。當(dāng)傾角為45°時(shí)，樁頂水平位移再次增加，曲線在33.27kN處出現(xiàn)突變。當(dāng)傾角為60°時(shí)，曲線發(fā)展規(guī)律與上一級(jí)類似，樁頂水平位移進(jìn)一步增加，與此同時(shí)曲線出現(xiàn)突變的荷載降至29.84kN。當(dāng)傾角為75°時(shí)，斜向荷載的豎向分力相對(duì)較小，此時(shí)水平分力占據(jù)主導(dǎo)地位，曲線變化規(guī)律與傾角為90°時(shí)（即微型樁僅受水平荷載）基本一致，說(shuō)明荷載傾角對(duì)樁頂水平位移的影響已經(jīng)非常小了。

3 微型樁施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 樁基礎(chǔ)施工工藝及控制標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)量放線：在鉆機(jī)就位前，應(yīng)該對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各控制點(diǎn)位進(jìn)行復(fù)核，保證樁位無(wú)誤差。

鉆孔：鉆孔時(shí)應(yīng)該對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行調(diào)平對(duì)中，保證鉆桿軸線與樁位中心處于同一垂線上。

清孔：鉆孔結(jié)束后須立即對(duì)樁孔進(jìn)行清孔，保證成孔質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

立柱及鋼筋籠：在樁孔經(jīng)檢測(cè)符合要求后，灌入少許細(xì)石混凝土，再進(jìn)行鋼筋籠及預(yù)埋鋼管安放。

澆筑混凝土：在預(yù)埋鋼管及鋼筋籠安放完畢后，灌入C30細(xì)石混凝土固定。

工藝控制標(biāo)準(zhǔn)：樁位允許偏差＜30mm；垂直度偏差≤1%H（H為孔深）；樁頂標(biāo)高偏差（-10，0）mm；樁長(zhǎng)允許偏差＜100mm。

3.2 施工質(zhì)量問(wèn)題及解決措施

樁位偏移：當(dāng)樁位放樣時(shí)應(yīng)該使用全站儀精準(zhǔn)測(cè)量，并實(shí)行復(fù)測(cè)復(fù)檢制度。當(dāng)鉆機(jī)調(diào)整時(shí)，應(yīng)該結(jié)合孔深以及鉆機(jī)對(duì)樁孔的影響，采取預(yù)控措施，保證在鉆孔過(guò)程中對(duì)樁位進(jìn)行控制。

樁基沉降：當(dāng)鉆孔時(shí)，應(yīng)該將樁位附近的淤泥或雜土等清理干凈，在鉆孔完成后須及時(shí)進(jìn)行清孔，將孔內(nèi)浮渣清除，并對(duì)孔口進(jìn)行封閉，防止渣土掉入，在混凝土澆筑前須仔細(xì)檢查。

孤石、卵石處理：通過(guò)采用向孔內(nèi)投放片石進(jìn)行沖進(jìn)的方式處理鉆孔過(guò)程中可能遇到的孤石或卵石[6]。當(dāng)沖進(jìn)時(shí)若發(fā)現(xiàn)已沖至孤石頂，則要及時(shí)停鉆，并向孔內(nèi)投放堅(jiān)硬的片石，采用高頻率、小沖程的方式進(jìn)行沖孔。

4 結(jié)論

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)以及建立有限元數(shù)值模型對(duì)微型灌注樁承載力特性進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論。1）隨著樁基礎(chǔ)入土深度減少，其極限承載力也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，在受到相同荷載的情況下，樁頂位移隨著入土深度減少而逐漸增加。2）對(duì)樁頂豎向位移來(lái)說(shuō)，當(dāng)荷載傾角從0°增至75°時(shí)，豎向位移變化率總體呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。由于荷載的水平分力逐漸增加，因此遠(yuǎn)大于豎向分力，最終導(dǎo)致豎向位移的變化率總體呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，這表明斜向荷載對(duì)微型樁的承載力特性有顯著影響。3）對(duì)樁頂水平位移來(lái)說(shuō)，隨著荷載傾角增加，水平位移變化率也在逐漸增加，當(dāng)傾角為15°時(shí)，曲線近似于線性變化；當(dāng)傾角為75°時(shí)，此時(shí)由斜向荷載的水平分力占據(jù)主導(dǎo)地位，曲線變化規(guī)律與傾角為90°時(shí)（即微型樁僅受水平荷載）基本一致。

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