季节性冻土地区光伏支架基础优化设计

伍绍慧

湖南科鑫电力设计有限公司     410000

摘要：在“碳达峰、碳中和”国家战略背景下，新能源得到大力发展，应用前景广阔。随着光伏电站的大规模建设，光伏电站的分布也越来越广。在我国北部高纬度及西部高海拔地区存在分布广泛的冻土区域，其中，季节性冻土面积约占国家领土面积的1/2，多年冻土面积约占领土面积的1/5。鉴于光伏电站在冻土地区的建设需求越来越大，针对冻土特性的问题也不断显现。在季节性冻土地区，当土体温度降低时，土体内孔隙水压力冻结成冰，体积较液态水增大，使土体产生向自由面（地表）的位移，对埋置其中的结构（比如桩基础）产生了向上的摩阻力；当土体温度升高时，孔隙水融化造成土体沉降变形，会对埋置其中的结构产生向下的拖曳力。由于光伏支架单个基础荷载较小，在季节性冻土区域易受到土壤冻胀的影响，造成上部光伏支架变形，光伏组件产生隐裂乃至断裂破坏，从而降低发电效率，给光伏电站造成巨大损失。因此，冻土地区支架基础设计尤为重要。

关键词：季节性冻土；光伏支架；优化设计；

引言

光伏发电技术是达成我国“碳中和”目标的关键技术之一，部分光伏发电站建设项目位于东北北部高纬度低海拔的季节性冻土区，该地区土壤冻深可达2~3m。土质不同、水位不同时土体冻胀变形量差异较大，年冻胀量在几厘米到几十厘米，产生很大的冻拔力，对于自重轻的无法抵消冻拔力的光伏支架、路灯杆等基础冻胀破坏风险很大。光伏支架基础的受力特点是竖向荷载小、冻拔敏感性高，基础的抗拔性能在设计中起主要控制作用。光伏发电站项目占地面积广，基础数量大，后期基础发生冻拔现象后返修成本较高。季节性冻土地区水位较高时，不仅冻胀量大，也给基础抗冻胀方案施工带来一定困难。文中基于冻土力学和基础冻胀原理，对常规抗冻胀措施在光伏支架基础上的适用性和可靠性进行了综述，提出一些新的抗冻拔措施和方法，提高季节性冻土地区光伏发电设备基础的可靠性和耐久性，为同类项目的基础抗冻胀设计提供了一定参考。

1光伏支架基础选型

光伏组件支架常用的基础形式有：混凝土独立基础、混凝土条形基础、微型钻孔灌注桩、预制管桩、螺旋桩等。混凝土独立基础和混凝土条形基础：一般适用于难以成孔及难以打入的砾石、卵石等土层。条形基础施工时需要进行土方开挖，对自然环境破坏很大，在能采用桩基础的条件下，一般不采用条形基础。微型钻孔灌注桩：微型钻孔灌注桩桩径一般在0.2～0.3m之间，桩长根据地质条件确定，一般小于3m采用小型钻孔机械成孔，具有施工速度快、对自然环境影响小、造价低等优点，在光伏电站建设项目中被广泛应用。微型灌注桩主要适用于易于成孔的黏性土、粉土、较密实的砂土等土层；对于含大块碎石的碎石土及基岩，由于成孔机械的限制不再适用。考虑到冻土地区低温天气持续时间久，对混凝土的浇筑和养护影响较大，成桩效果差，如果需采用微孔灌注桩，应避开冬季施工。预制管桩：光伏支架承受的荷载一般较小，因此，预制管桩一般采用PHC桩（预应力高强度混凝土桩），直径300mm。相对于微型钻孔灌注桩，预制管桩为工业化产品，可直接购买成品，采用专用机械施工，施工速度更快，施工工期短，且对自然环境的影响更小，但综合造价相对于微型钻孔灌注桩稍高。预制管桩适用于软塑-可塑黏性土、松散-中密的粉土和砂土等土层，同样不适用于密实的碎石土及基岩。螺旋桩：利用专用设备将带螺旋叶片的圆桩（包括钢管桩、非金属材质的空心管桩和实心桩等）旋转压入土层，替代混凝土桩基础。螺旋桩工厂化生产，制作方便且质量可靠，桩顶与光伏支架连接方便，现场施工周期短，可用于北方冬季施工。但是，螺旋桩造价高，金属材料耐腐蚀性能差，使用前应进行充分的技术经济比选。陆上太阳能发电站通常面积大，支撑基础大，工作时间较短。应优先考虑对环境危害较小的快速、实用的建筑技术。独立钢筋混凝土基础，钢筋混凝土墙基础由于现场混凝土量大，开挖回填对环境影响较大，建议不要实施该项目。本工程设想了桩基础的使用，喷桩需要现场混凝土，混凝土强度指标不易控制，喷桩施工周期长，喷桩需二次钻探，施工重，孔底受地面影响预制桩基础施工方便快捷，施工期短，环境影响小因此，高强度预应力混凝土桩与直径为0.3m的小桩配合使用。

2基础冻胀危害及破坏形式

冻胀现象发生时，土中的水由于温度低结冰，发生相变，由液态变成固态，同时体积变大，产生冻胀力。基础受到土冻胀力的影响，冻胀力包括作用于基础底部的法向冻胀力、作用于基础侧面的水平冻胀力和切向冻胀力。因同一地区的土壤在土质和含水率等方面也存在差异，不同位置的冻胀量不同，这也造成基础不同部位受到不规则的冻胀力，产生不均匀冻拔位移，就有可能发生剪切破坏和结构失稳等危害。在强冻胀地区，传统直线型桩基的抗拔承载力通常要小于上部的冻拔力，因此冻土地区的桩基工程常会出现向上的冻拔位移，若桩身抗拉强度较低且锚固长度较大时，桩基甚至会出现冻拔破坏。一般建筑桩基础由底部的基桩和上部的承台组成，这种构造上部自重荷载很大，超过冻土的冻拔力，而且桩基础的主要承载范围在地面以下较深处，具有较大的抗拔锚固力，可有效地减少因地表季节性冻土层带来的影响。但出于成本控制、土地利用和环境保护等原因，光伏支架基础难以采用这种“基桩+承台”构造，此外光伏支架自重轻也对基础抗冻拔非常不利。在冻区环境下，冻结深度较大时，更容易产生冻拔位移。因此对于冻胀地区的光伏支架基础工程，需要在基础选型和设计上进行更深入的分析和研究。

3光伏支架基础设计

3.1PHC桩基础的抗冻拔设计

3.1.1结构法

结构方法是采用合适的结构来抵抗PHC桩基础上土层的切向膨胀，常见的结构方法是增加PHC桩基础的上部荷载、增加桩长或增加桩直径。但由于光伏支架结构的特殊性，PHC桩基础的上部荷载较低，不能增大；此外，虽然PHC桩的长度或直径的增加可以抵抗地层产生的切向冻结力，但PHC桩的长度和直径也在合理的限度内受到控制，同时考虑到光伏发电项目的效率和光电介质基础的成本，以及因此，此类设计通常不用于工程实践。

3.1.2PHC桩基础的竖向承载力和水平承载力复核

计算土层提供给PHC桩基础的强度(即桩体的竖向承载力、水平承载力、抗弯承载力和抗裂力矩)，而不考虑填充到PHC桩基础上的平均粗砂提供的横向强度，以验证PHC桩基础是否满足以下条件。

3.2置换法

引起土体冻胀的原因主要是土壤中水分迁移导致的土中含水量的升高。影响土壤中的水分迁移的主要因素是土质条件：细粒土含粉粒较多，渗透性较强，且土中的毛细水容易及时得到补给，故细粒土中更易聚集大量的水，因此冻胀性更明显。在地下水位相同的情况下，土壤的冻胀性随土粒级配变化而变化，土粒越粗的冻胀量越小，土粒越细的冻胀量越大。因此，按照冻胀性从强到弱排序依次是粉性土、粘性土和砂砾土。置换法的原理是将冻深范围内粉粒含量高的土开挖换填为土粒较粗的砂砾石，以降低与基础接触土体的冻胀性。置换法主要利用了粗颗粒土的以下特性：饱和粗粒土在冻结时，水分向冻结锋面相反方向迁移（排水），因此避免了较强的水凝冻胀；非饱和粗粒土在冻结时，水分虽然向冻结锋面迁移，但相较于其它的土迁移量小的多。论述了“置换法”对减少我国道路冻害的重要作用。“置换法”可靠性较高，但同样的，对于光伏发电站建设工程来说，该类项目的地理区位一般位于偏僻且人烟稀少的荒漠、山区和盐碱地区，优质的置换材料难以被稳定廉价地获取，且大规模开挖和回填将加长建设周期，增大建设成本，延长投资回收周期，以目前光伏板所能达到的使用效率，需要尽量避免承担该项损失。

3.3油性隔离法

油封法主要是通过在足周内在一定的冻结深度范围内绘制油料来减轻膨胀效果。常用的油料主要是改性沥青、工业凡士林等。

3.4加长基础埋深

为了抵抗光伏支架基座的冻结力，部分结构设计工程师参考了基本设计规范，冻结土层中只有冻结力，没有冻结强度。冻结强度只能从冻结土层下侧间隙的强度得到。地基越深，侧向间隙强度越大，冻结强度越大，越有利。因此，工程师通常使用长基础的埋深等方法来满足抗冻性要求，而对于PHC桩，工程师可以使用长桩的长度等计算方法直接进行此操作。作者选择季节性土层区域-概念示例光伏支架采用直径300毫米的PHC桩，初始桩长5.5米，地下桩长4.2米。有限元建模测试计算出PHC桩的冻结量每年约为8.2毫米。当桩长为每次延长1米时，每年的排水量减少约1.4毫米；6米长的总体增加完全消除了冻结。但是，脚的长度将达到约12米。可以看出，这种办法也可能直接增加基本费用，成本低，并造成建筑问题。该方法对于设计和施工技术非常简单和有用，因为它可以适当地增加桩长，消除部分冻结效果，并确保光伏组件结构的安全。

3.5水泥占比及冻融损伤

每个冻结周期的最大水泥应力百分比信息表明，最大应力随水泥比例的增加而增加，这表明两者之间存在比例关系，但必须认识到，最大应力的上升趋势因冻结周期的数量而异。为了探讨冻胀循环对水泥比重增加引起的试验强度的影响，设计以2%的峰值水泥为基础，不同水泥比条件下的试验应力峰值以及基准值之间的差异最终可以在不同的结焦循环条件下得到不同的水泥部分如图5所示，未经历冷却循环的试验应力的增加远远大于经历三次冷却循环的水泥不同部分应力的增加。这表明水泥比例的增加所产生的强度直接受到冻结循环的影响。

4基础设计优化

1）物理化学方法。在基础侧表面涂刷隔离剂（比如沥青、油渣等油性涂料）。该方法操作方便，造价较低，但目前工程经验较少，使用前应先根据具体地质条件及环境温度进行试验验证。2)换填法。将基础周围具有冻胀性的土体挖除，回填中粗砂等非冻胀性材料并压实，避免基础直接接触冻土。这个方法一般用于基础位于地下水水位以上且冻土层厚度不大的情况，换填范围与基础形式、工程及水文地质条件、标准冻深等有关，一般不宜小于基础外侧200mm。

4.1解决PHC基础不均匀冻胀抬升的措施

防止油砂在引入孔回填和沥青的实施中冻结，可以从根本上解决PHC基膨胀和高程不均衡的问题。但是，在一些地质变化较大的地区，一些PHC仍可能出现少量的膨胀和不均匀的增加，导致介质和部件变形。对于此类问题，可以减少每个介质组的基本PHC数量，并使用可调节高度的介质。(a)减少每组介质中PHC基础的数目，从而降低PHC基础不规则膨胀增加的可能性。在20个元素的链中，以4 PHC为基础更具成本效益，凝胶异常膨胀的可能性更小。也可以使用两套独立的支架和一系列基本支架组，即每10个构件有两个PHC基本构件，从而进一步降低了PHC基本构件异常膨胀的可能性。但是，该平面会增加支撑的数量，并且需要逐个修改和确定增量大小。(b)使用高度可调的支架，即支架设计为固定在桩帽上。冻结单个桩时，可以通过调整圆型支撑的高度来平衡支撑和构件，以防止支撑和构件发生变形和损坏。

4.2强化非冻土与基础间的相互作用

强化非动土与基础间的相互作用主要是两个思路，一个是桩身加长，另一个是改变桩身构造。桩身加长是传统做法，这种做法在桩数较少时才具备成本上的可行性，但在光伏发电站建设项目中，桩基数量巨大，任何桩身的加长都意味着成本大量增加，应尽量避免。另一个思路是改变桩身构造，其中钢管螺旋桩因施工方便、成本低廉和抗拔性能优秀而受到关注。基于螺旋钢桩现场抗拔试验，推算各类桩型的平均极限承载力，分析桩长、叶片数量、叶片间距、首层叶片埋深、叶片直径等参数对螺旋钢桩极限抗拔承载力的影响，试验结果表明，螺旋钢桩的抗拔承载力与桩长和叶片直径正相关。建立了螺旋桩冻胀的热-结构耦合模型，并通过了室内试验验证，结果表明螺旋桩不同螺旋叶片构造均具有优越的抗冻胀性能。钢管螺旋桩目前在光伏发电站建设项目中的应用仍处于起步阶段，这种桩型在成本、施工方法和抗拔性能方面具有优势。但抗腐蚀能力较弱，需要考虑土壤腐蚀性的影响。

4.3防止PHC基础不均匀冻胀抬升的主要措施

减少切向冻结力对桩体的影响对于防止冻结引起PHC地基升高至关重要。在设计的冻结深度范围内，可采取措施避免PHC地基与地幔直接接触，以减少地幔在桩上的切向冻结力。该项目的成果是，在土层桩周边填充低冻结能力的沥青砂作为隔热层，可以减少桩层在桩体上的切向冻结力。经过进一步计算，发现在地球表面以下2.0米范围内的桩周围的土壤，采用诸如在引入孔后用较低的等温补充沥青砂等措施，其桩长最短，埋深在地球表面以下3米具体施工方法如下:先用钻具钻孔，钻头比桩直径高10 ~ 20厘米，钻孔完成后，用静锤将沥青硬化PHC滑至设计水平。为避免沉孔，应在钻完孔后立即将厚砂填充到桩周长的填方中，致密系数不少于0.94，必要时可插入振动杆。

结束语

对冻土区光伏支架基础设计的分析表明，冻结深度桩周边地基回填中的粗砂可以降低PHC基础冻结土的切向冻结力，从而大大缩短PHC设计的长度，节省成本此外，通过控制每组介质中PHC基础的数量并使用可调节高度的圆形介质，可以解决某些损坏部件的PHC基础的膨胀和上升不均匀的问题。综合考虑安全性、经济性、施工难易度和工期等因素，当地质条件适宜时，冻土地区光伏电站支架可优先采用PHC管桩基础，可通过桩周换填非冻胀性的中粗砂或涂刷隔离剂等方法减小桩身切向冻胀力，缩短桩身入土长度，节省工程投资。当受地质条件限制时，也可采用微型钻孔灌注桩和螺旋桩。此外，根据工程具体情况，当桩基础存在不均匀冻胀或沉降时，可采用可调节高度的支架，有效防止上部构件破坏造成的影响。

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