上海電力設(shè)計院有限公司 ■ 章榮國

預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁在國家風光儲輸示范項目中的應(yīng)用

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結(jié)合國家風光儲輸示范項目具體情況，對采用預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁光伏組件支架基礎(chǔ)進行選型分析，介紹了預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁基礎(chǔ)的理論計算，并對理論計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果進行對比，結(jié)果表明兩者具有較好的一致性；同時，本文也給出了幾種典型的預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁節(jié)點詳圖和相關(guān)技術(shù)要求。

光伏組件支架基礎(chǔ)；預(yù)鉆孔；螺旋鋼管樁；灌漿

0　引言

國家風光儲輸示范工程一期光伏發(fā)電建設(shè)容量為40 MW，為配合項目整體的聯(lián)調(diào)，盡早實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，光伏電站的建設(shè)工期相當緊張。光伏組件支架基礎(chǔ)施工是影響光伏電站建設(shè)的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)的光伏組件支架基礎(chǔ)主要有鋼筋混凝土擴展基礎(chǔ)、鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)。由于受本場地地質(zhì)條件、施工周期、環(huán)保等限制，不適宜采用傳統(tǒng)的光伏組件支架基礎(chǔ)。在經(jīng)過綜合比較后，本工程采用了一種新型的光伏組件支架基礎(chǔ)——預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁基礎(chǔ)，實踐證明，該基礎(chǔ)具有施工速度快、承載能力高、對生態(tài)環(huán)境破壞小、維護方便等優(yōu)點。

1　工程地質(zhì)概況

光伏場地主要揭露地層為下伏第3系中新統(tǒng)漢諾壩組玄武巖，上覆第4系坡、殘積的碎石類土及場地新近整平形成的回填土。場地按巖性及工程性質(zhì)自上而下主要地層為：

1)回填土：主要成分為場區(qū)內(nèi)挖方形成的碎石類土、塊石、粉土等。該層土呈雜色，稍濕、稍密為主，顆粒不均勻，物理和力學性質(zhì)差異性較大，在場地內(nèi)分布不連續(xù)，一般厚度在0.5～2.0 m，多呈尖滅狀分布，層位較混亂。

2)碎石土：雜色、稍濕、中密，主要成分為玄武巖碎塊，粉土充填，局部混有漂石。本層在場地內(nèi)分布不均勻，且大多與上部回填的碎石土直接接觸，層位較混亂。本層厚度一般為0.7～3.0 m，并呈尖滅狀分布。

3)強風化玄武巖：灰黑色，斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為橄欖石和角閃石等，氣孔狀構(gòu)造，巖芯呈碎塊或短柱狀，RQD一般為20～40，破碎狀態(tài)。

2　光伏組件支架基礎(chǔ)選型

根據(jù)光伏場地的地質(zhì)概況可知，在光伏場地淺部大部分為回填土、碎石土和強風化玄武巖層，光伏組件支架基礎(chǔ)所涉范圍內(nèi)地層中含有大塊石、碎石。光伏組件支架基礎(chǔ)若采用鋼筋混凝土擴展基礎(chǔ)，土方開挖和回填工程量大，施工開挖很困難，大面積開挖對環(huán)境破壞嚴重，施工進度也不能保證，綜合費用高，而且項目所在地在10月下旬就進入霜凍期，因此可利用施工工期很短。若采用鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)，直徑一般約為250 mm，根據(jù)場地的地質(zhì)條件，成孔難度大、效率低，且樁身養(yǎng)護周期長。

相對于傳統(tǒng)的光伏組件支架基礎(chǔ)，預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁基礎(chǔ)具有以下優(yōu)點：1)不需要大開挖，可在10 min之內(nèi)安裝至地面，可大幅提高施工進度；2)施工完可立即安裝組件支架系統(tǒng)，無需混凝土養(yǎng)護時間；3)施工不破壞生態(tài)及植被，電站完成使命后可進行回收，迅速恢復(fù)環(huán)境原貌；4)螺旋鋼管樁可作為接地極，減少接地造價和施工工程量。

通過比較分析，決定在光伏東區(qū)的光伏組件支架基礎(chǔ)均采用預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁基礎(chǔ)。根據(jù)場地的地質(zhì)情況，樁長分為兩種：在有完整的巖石出露區(qū)樁長定為1.6 m；在碎石、回填土、粉性土區(qū)域樁長定為2.1 m。圖1為預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁設(shè)計圖。

圖1　預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁設(shè)計圖(單位：mm)

結(jié)合本項目的特點，螺旋鋼管樁的施工方案采用預(yù)鉆孔灌漿沉樁技術(shù)，施工流程如圖2所示。由于該施工工藝先在鉆孔內(nèi)灌注水泥砂漿，然后再旋入螺旋鋼管樁，水泥砂漿通過螺旋鋼管樁的擠壓滲入周圍土層，并通過樁身預(yù)留孔流入鋼管樁內(nèi)，大幅加強了螺旋鋼管樁與周圍土層間的握裹力；同時，樁身周圍的水泥砂漿對樁身也起到防腐保護作用，增加了樁身耐久性。

圖2　預(yù)鉆孔灌漿沉樁施工流程

根據(jù)該項目運營期間的反饋，光伏東區(qū)有部分鋼筋混凝土擴展基礎(chǔ)由于受回填土的壓縮變形的影響產(chǎn)生不均勻沉降，上部光伏支架進行了多次調(diào)整；而同樣地質(zhì)條件的光伏西區(qū)，由于采用預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁，光伏支架基礎(chǔ)的沉降變形非常小，上部光伏支架調(diào)整次數(shù)很少，這說明預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁維護更方便。

3　預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁基礎(chǔ)理論計算及現(xiàn)場承載力測試

3.1光伏組件陣列布置及樁頂作用效應(yīng)

按本項目地的氣象條件，在考慮順風和逆風、雪荷載和組件支架系統(tǒng)自重荷載多種組合的情況下，計算出預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁單樁樁頂最大荷載作用效應(yīng)為[1]：

1)單樁最大豎向抗壓荷載作用效應(yīng)Qk=13.85 kN；

2)單樁最大豎向抗拔荷載作用效應(yīng)Nk=12.02 kN；

3)單樁最大水平荷載作用效應(yīng)Hk=5.8 kN。

3.2預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁單樁承載力計算[2]

3.2.1單樁豎向抗壓承載力計算

根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁單樁豎向抗壓承載力可按式(1)進行計算：

式中，Quk為單樁豎向抗壓極限承載力標準值；μ為樁身周長；qsik為樁側(cè)第i層土極限側(cè)摩阻力標準值；li為樁側(cè)第i層土厚度；λp為樁端土塞效應(yīng)系數(shù)，按本式計算時取1；qpk為樁端土極限端阻力標準值；Ap為樁端面積。

根據(jù)場地的工程地質(zhì)情況，在不考慮抗凍拔穩(wěn)定性的情況下初步選用兩種樁長：在樁長范圍土層性質(zhì)較好時，樁長定為1.6 m；其他地層情況樁長定為1.8 m。利用地質(zhì)報告中的參數(shù)，選擇最不利情況下進行單樁豎向抗壓承載力計算，得到樁長為1.6 m時單樁豎向抗壓承載力特征值為22 kN，樁長為1.8 m時單樁豎向抗壓承載力特征值為28 kN。兩種樁長的單樁豎向抗壓承載力特征值均大于13.85 kN，因此，滿足豎向抗壓承載力要求。

3.2.2單樁豎向抗拔承載力計算

根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁單樁豎向抗拔承載力特征值可按式(2)進行計算：

式中，λi為抗拔系數(shù)；Gp為基樁自重。

利用地質(zhì)報告中的參數(shù)，選擇最不利情況下進行單樁豎向抗拔承載力計算，得到樁長為1.6 m時單樁豎向抗拔承載力特征值為20 kN；樁長為1.8 m時單樁豎向抗拔承載力特征值為21 kN。兩種樁長的單樁豎向抗拔承載力特征值均大于12.02 kN，因此，滿足豎向抗拔承載力要求。

3.2.3單樁水平承載力計算

根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁單樁水平承載力特征值可按式(3)進行計算：

式中，Rha為單樁水平承載力特征值；α為樁的水平變形系數(shù)；EI為樁身抗彎剛度；x0a為樁頂允許水平位移；vx為樁頂水平位移系數(shù)。

利用地質(zhì)報告中的參數(shù)，按式(3)計算得到樁長為1.6 m時單樁水平承載力特征值為5.85 kN，樁長為1.8 m時單樁水平承載力特征值為6.52 kN。兩種樁長的單樁水平承載力特征值均大于5.8 kN，因此，滿足單樁水平承載力要求。

從3.2.1～3.2.3中的計算可看出，在不考慮抗凍拔穩(wěn)定性的情況下，本項目預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁基礎(chǔ)主要是受水平承載力控制。

3.2.4單樁抗凍拔計算

根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，對于季節(jié)性凍土上輕型建筑的短樁基礎(chǔ)，需驗算其抗凍拔穩(wěn)定性。本工程標準凍深為1.8 m，由于場地內(nèi)強風化玄武巖區(qū)域?qū)俜莾雒浲?，無需驗算其抗凍拔穩(wěn)定性，樁長取1.6 m即可滿足要求。而在有凍脹土區(qū)域，需驗算預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁的抗凍拔穩(wěn)定性。預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁抗凍拔穩(wěn)定性可按式(4)進行計算：

式中，ηf為凍深影響系數(shù)；qf為切向凍脹力；z0為標準凍深；Tuk為單樁抗拔極限承載力標準值；NG為樁頂所受上部支架的自重標準值。

利用地質(zhì)報告中的參數(shù)，在有凍脹土區(qū)域按最不利地質(zhì)條件進行抗凍拔穩(wěn)定性計算，樁長需達到2.1 m時方可滿足抗凍拔穩(wěn)定性要求。

3.2.5樁長確定

根據(jù)3.2.2～3.2.4中的計算，本工程雖然樁長在強風化玄武巖區(qū)域采用1.6 m、在其他區(qū)域采用1.8 m時均能夠滿足承載力要求，但在有凍脹土區(qū)域卻不滿足抗凍拔穩(wěn)定性要求。因此，根據(jù)3.2.4中的計算，在非凍脹土的強風化玄武巖區(qū)域可選擇采用1.6 m的樁長，在有凍脹土區(qū)域需采用2.1 m的樁長。

3.3預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁現(xiàn)場承載力測試

在預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁正式施工前，為驗證施工工藝的可行性和單樁承載力，在整個光伏場區(qū)選擇具有代表性的16個點位處進行了16根螺旋鋼管樁試沉樁和現(xiàn)場承載力試驗工作。通過現(xiàn)場試樁單位反映，各種地層條件試沉樁單樁費時10 min以內(nèi)，沉樁速度較快，因此，本文所采用的施工工藝是可行的。

表1為現(xiàn)場對16根預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁進行的單樁承載力測試結(jié)果。對比試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果，兩者基本一致，因此，本文對于單樁承載力的理論計算結(jié)果是可靠的。

表1　單樁承載力現(xiàn)場測試結(jié)果

4　螺旋鋼管樁連接節(jié)點及相關(guān)技術(shù)要求

4.1螺旋鋼管樁連接節(jié)點

圖3～圖5為幾種典型的螺旋鋼管樁連接節(jié)點做法。

圖3　管樁與承臺連接節(jié)點(單位：mm)

圖4　管樁與支架法蘭盤連接節(jié)點(單位：mm)

圖5　鋼管樁與支架插入式連接節(jié)點(單位：mm)

4.2螺旋鋼管樁相關(guān)技術(shù)要求

4.2.1螺旋鋼管樁在運輸和堆放過程中的要求

1)堆放場地應(yīng)平整、堅實、排水通暢；

2)樁的兩端應(yīng)有適當保護措施，鋼管樁應(yīng)設(shè)保護圈；

3)鋼管樁應(yīng)按規(guī)格、材質(zhì)分別堆放。

4.2.2螺旋鋼管樁的檢測要求[3]

1)所有樁應(yīng)進行抽樣檢測，檢測內(nèi)容為基樁的完整性檢測及豎向承載力和水平承載力檢測；

2)樁身質(zhì)量檢測包括樁身尺寸、樁螺旋焊接質(zhì)量、樁身熱浸鍍鋅質(zhì)量檢測，檢測數(shù)量不少于總樁數(shù)的30%；

3)豎向承載力檢測采用靜荷載試驗法，原則上相同條件的一組樁選取3根，選取方法為抽樣隨機法，若現(xiàn)場監(jiān)理或設(shè)計方等有關(guān)單位對樁身質(zhì)量或沉樁質(zhì)量有疑問時，可增加檢測的樁基數(shù)量；

4)水平承載力檢測采用水平靜荷載試驗，原則上相同條件的一組樁選取3根工程樁進行水平承載力的檢測，以確定單樁在設(shè)計水平荷載作用下的水平位移值。

4.2.3構(gòu)造要求

1)為避免螺旋葉片焊接和沉樁時所產(chǎn)生的扭矩及擠壓力對管壁的破壞，一般管樁壁厚不宜小于4 mm；

2)螺旋葉片與鋼管之間應(yīng)采用連續(xù)焊接，焊縫高度不應(yīng)小于焊接工件的最小壁厚；

3)螺旋葉片的外伸寬度與葉片厚度之比不宜大于20；

4)鋼管樁應(yīng)采用熱鍍鋅防腐處理，鍍鋅層厚度應(yīng)符合GB/T 13912《金屬覆蓋層鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術(shù)要求及試驗方法》的規(guī)定。

5　結(jié)論與建議

1)本文通過對采用預(yù)鉆孔螺旋鋼管樁在國家風光儲輸示范項目中的應(yīng)用分析，可得出以下結(jié)論和建議：螺旋鋼管樁光伏支架基礎(chǔ)相對傳統(tǒng)的光伏支架基礎(chǔ)在施工階段具有施工速度快、承載能力高、對生態(tài)環(huán)境破壞小、維護方便等優(yōu)點，在光伏電站建設(shè)中具有推廣價值。

2)在地基土不易采用自旋沉樁的情況下，采用預(yù)鉆孔灌漿沉樁施工工藝是可靠的。

3)通過樁基承載力理論計算結(jié)果與現(xiàn)場樁基承載力測試結(jié)果的比較可看出，JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)單樁承載力計算公式是適用于螺旋鋼管樁的。

4)由于應(yīng)用于光伏支架基礎(chǔ)的螺旋鋼管樁與其他樁型相比具有一定的獨特性，因此在設(shè)計、制作、施工過程中，應(yīng)針對其特點提出具有針對性的技術(shù)要求。

[1] GB 50009-2012, 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] JGJ 94-2008, 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3] JGJ 106-2014, 建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范[S].

2016-04-18

章榮國 (1980—)，男，碩士研究生、高級工程師，主要從事新能源工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。zrg80@126.com