聂晓鹏，胡 辉

(中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 场区土层概况

季节性冻土[1]是指土的气温在零摄氏度以下，并夹杂着冰，冻结时间在半个月到数月。按照此定义，青海某光伏项目所在地属于季节性冻土，根据场区(图1、图2)开挖探井揭露，地层由上至下依次为耕植土、稍密角砾、稍密-中密角砾，场区范围各岩土层总体特征如下：

①耕植土：主要由粘性土组成，含植物根系，受季节性冻结影响，结构较松散。该层在场区内均有分布，厚度在0.4～0.8 m之间。

②松散-稍密角砾：主要呈松散-稍密状态，多呈棱角状-次棱角状，一般粒径2～20 mm，含量占50%～55%，含少量块碎石，母岩成分以花岗岩、砂岩为主，搬运距离较近，分选性较差，骨架颗粒交错排列，多为粗砂填充，级配不良。该土层在场地内均有分布。

③稍密-中密角砾：主要呈稍密-中密状态，多呈棱角状-次棱角状，一般粒径2～20 mm，含量占50%～70%，含少量块碎石，母岩成分以花岗岩、砂岩为主，搬运距离较近，分选性较差，骨架颗粒交错排列，多为粗砂填充，级配不良。该土层在场地内均有分布。

根据本次勘察，勘探点深度范围内未见地下水，地下水埋深较大。

图1 场区地貌a 图2 场区地貌bFig.1 Topography of the site a Fig.2 Topography of the site b

2 基础受力分析

项目所采用的光伏板布置形式为2×18，单个光伏板的平面尺寸为1956 mm×991 mm，单个光伏板重量约为26.5 kg，光伏支架采用双立柱形式，基础总计14个。基础以上荷载包括永久荷载(光伏组串及支架重量)和可变荷载(风荷载和雪荷载)，采用现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009公式计算得出该地区的25年基本风压值为0.31 kN/m2和相应的基本雪压值为0.24 kN/m2。

采用SAP2000软件模拟[2]分析，取得了基础顶部在最不利工况下最大拉力、水平力和压力，详细数值见表1所示。

表1 不同工况下基础顶部受外荷载值Tab.1 External load value at the pile top under differentworking conditions

注：1.以光伏板正面迎风为顺风，光伏板背面迎风为逆风；2.工况1：永久荷载+逆风荷载+雪荷载，工况2：永久荷载+顺风荷载+雪荷载

受力分析结果如图3和图4所示。

图3 工况1桩顶受力值Fig.3 The force at the pile top under working condition 1

图4 工况2下桩顶受力值Fig.4 The force at the pile top under working condition 2

3 桩基长度计算

3.1 季节性冻土抗冻拔稳定性验算

中国季节性冻土标准冻深图和青海地区标准冻深资料显示该地区的标准冻结深度将近290 cm，《太阳能发电站支架基础技术规范》GB 51101中“5.1.6条款规定对于新近填土、湿陷性土、季节性冻土、膨胀土，应考虑负摩阻力，冻胀土、胀切力对基础承载力和稳定性的影响，……”。为此，根据《建筑桩基技术规范》JGJ94表5.4.7条款的规定，对灌注桩的抗冻拔稳定性进行了计算，见公式(1)。

ηfqfuz0≤Tuk/2+NG+Gp

(1)

其中：ηf—冻深影响系数；qf—切向冻胀力；u—桩身周长；z0—季节性冻土的标准冻深；Tuk—标准冻深线以下单桩抗拔极限承载力标准值；NG—基桩承受的桩承台底面以上建筑物自重、承台及其上土重标准值；Gp—单桩自重(kN)，地下水位以下取浮重度。

考虑基础处在最不利工况下，地面以下0.8 m范围内，切向冻胀力[4]取30 kPa，地面0.8 m以下切向冻胀力取8 kPa，以上两种取值分别是在考虑了JGJ 94表5.4.7-2注1中提到的系数。计算得出冻深2.9 m范围内桩基所受到的冻胀力为ηfqfuz0=61.5 kN，通过计算当桩基入土深度达到4.5 m时，抗冻拔力Tuk/2+NG+GP=64.93 kN>ηfqfuz0=61.5 kN，满足规范要求。

3.2 季节性冻土桩基竖向承载力

按照JGJ 94规范第5.3.5条的规定，可根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值，其计算过程见公式(2)：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qqkAp

(2)

其中：qsik—桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qpk—极限端阻力标准值；li—桩周第i层土的厚度；Ap—桩端面积。

在最不利条件下，考虑到桩基在标准冻深线内受到切向冻胀力的影响，不能提供侧阻力，因此仅冻深线以下桩基的侧阻力，通过计算Quk=126.6 kN>3.781 kN，因此满足规范要求。

3.3 桩基水平承载力与位移的计算

本项目桩身配筋率大于0.65%，根据GB51101规范5.1.1条款中第2条在桩基础进行水平承载力计算采用公式(3)计算。

(3)

其中：EI—桩身抗弯刚度；χ0a—桩顶允许水平位移；νx—桩顶水平位移系数；α—桩的水平变形系数。

通过计算得出Rha=10.55 kN>3.552 kN，因此满足规范要求。

综上所述，根据上述规范计算得出该场区光伏支架桩基入土深度为4.5 m。

4 现场施工

现场采用的光伏支架灌注桩入土深度为1.6 m，桩径250 mm，混凝土强度等级为C30，抗冻等级F150，其原因分析如下：

1)土层——从地勘报告得知，该场区范围内土质为耕植土和角砾，土中含水较少，且地下水较深，所以降低了冻胀力对桩基础的影响[3]；

2)受力——由于光伏支架基础受力相对较小，且桩径小，因此冻胀力对桩基础影响小，并且桩间距相对较密，在一定程度上对场区土具有挤密效应；

3)冻结机理——项目所在地年降水量370.5 mm，年蒸发量1500.6～1847.8 mm，土表层含水较少，当地下水通过土中毛细管上升到地面时冻结形成结晶体，但由于土的含水率低不足以使结晶体扩大，因此不会出现冻胀现象[4]。

4)工程经验——通过分析类似项目[5]，其基础埋置深度为1.5～1.8 m不等，并且在设计时均未考虑冻胀力对基础的影响。

5 总结

通过对比在规范计算和工程实际应用两种不同情况下的桩长，得出了4.5 m桩长的施工速度是1.6 m的3倍。从工程造价方面分析，节省直接成本为投料成本，比如混凝土和钢筋用量、钻孔工程量，间接成本为工期，提前竣工其节约费用将不可估量。

虽然目前已经制定了相应光伏基础规范，但在很大程度上参考建筑类规范实施，为此针对诸如季节性冻土的特殊土宜进行现场试验，以便更好确定技术参数。

结合工程实例，土中产生冻胀力的先前条件是水和土壤类别，在无水的弱冻胀土中可以忽略冻胀力对基础的影响，因此对于有类似土质情况的其他项目可以作为参考。