楊慧

（中國電子工程設計院有限公司）

1 引言

目前，地面光伏電站占地面積大，在現(xiàn)有政策下，只能利用荒地、沙漠、廢棄地等未利用地進行建設，傳統(tǒng)的基礎形式不能適應現(xiàn)有條件，特殊地質(zhì)條件下的支架基礎體量增加。因此，研究分析特殊地質(zhì)條件下基礎選型、設計及構(gòu)造具有重要意義。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，主要進行光伏行業(yè)建設發(fā)展的國家有美國、日本、德國、印度等，這些國家的光伏建設主要為利用屋頂分布式、水塘等小規(guī)模建設，對組件的轉(zhuǎn)化效率等未有較高要求。

根據(jù)國內(nèi)光伏電站的建設現(xiàn)狀，一般地面項目廣泛應用的光伏支架基礎形式有鋼制螺旋地錨基礎、微孔灌注樁基礎、預應力管樁基礎、鋼筋混凝土獨立基礎等[1-4]。

3 用于特殊地質(zhì)條件下的光伏支架基礎研究

3.1 凍脹性地基支架基礎

3.1.1 凍脹機理

凍脹是土壤受外界和其他因素的影響，土體中的水分超過一定數(shù)量，凍結(jié)土層體積發(fā)生了增大變化，使土體整體或局部膨脹，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的現(xiàn)象。

3.1.2 凍脹土中支架基礎設計

凍脹土地基中光伏支架基礎通常采用樁基礎，即可使用預應力混凝土管樁又可使用灌注樁，樁身設計應計算土產(chǎn)生的凍脹力[5]。

根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008），季節(jié)性凍土上輕型建筑的短樁基礎，應按下列公式驗算其抗凍拔穩(wěn)定性：

式中：ηf為凍深影響系數(shù)，按規(guī)范表4.2 采用；qf為切向凍脹力，按規(guī)范表4.3 采用；z0為季節(jié)性凍土的標準凍深；Tuk為標準凍深線以下單樁抗拔極限承載力標準值；NG為基樁受的樁承臺底面以上建筑物自重、承臺及其上土重標準值；Gp為基樁自重，地下水位以上取浮重度。

支架樁基礎設計時，應考慮以上凍脹力產(chǎn)生的上拔力，通過增加樁長或者樁徑滿足設計要求。

3.1.3 實例

農(nóng)安流源與農(nóng)業(yè)相結(jié)合分布式光伏發(fā)電項目位于吉林省長春市農(nóng)安縣（見圖1），總裝機容量20 MW，總投資1.8億元。占地面積約1100畝。

圖1 農(nóng)安流源與農(nóng)業(yè)相結(jié)合分布式光伏發(fā)電項目

地質(zhì)環(huán)境：凍深為1.7m，屬強凍脹土；凍脹等級Ⅳ級，地下水位0.7m～1.4m，屬潛水。

支架類型：單立柱支架，組件豎二布置，支架結(jié)構(gòu)由組件、檁條、主梁、斜撐、立柱、基礎組成，傾角40°。

通過支架計算樁頂反力：豎向壓力22.58kN，豎向拔力6kN，水平推力4kN（標準組合），經(jīng)計算，本項目支架基礎采用φ300的預應力混凝土管樁基礎，樁身出地面2.0m，樁尖入粉質(zhì)黏土層約2.7m。根據(jù)地勘報告標準凍深為170cm，基礎持力層為粉質(zhì)黏土層，樁極限側(cè)摩阻力標準值為60kPa，具有強凍脹性且qf= 80kPa，樁長3.5m。

根據(jù)公式：

F凍>F抗，不滿足要求；經(jīng)計算樁長8m，滿足要求。

考慮項目成本，本工程采用樁長入土3.5m，采用凍土層范圍內(nèi)特殊處理，采取預引孔600mm，并在凍土層范圍內(nèi)樁身滿粘4mmSBS 防水卷材，長度1.9m，周圍填粗砂，通過上述措施抵消凍脹力，經(jīng)計算與實踐，滿足使用要求。

綜上所述，設計時，當?shù)赝辆哂袃雒浶?，建議采取構(gòu)造措施消除凍脹力，而不用加長樁長的方式處理。

3.2 鹽漬地基支架基礎

3.2.1 鹽脹機理

土壤中含有一定的硫酸鈉，當硫酸鈉含量超出設計規(guī)定范圍，溫度降到一定數(shù)值時，含鹽濃度大于土壤中硫酸鈉的溶解度，開始了結(jié)晶過程，在結(jié)晶過程中，土壤形態(tài)發(fā)生了變化，表面松散，硬質(zhì)表面形成鹽皮、鹽殼或鹽盤等狀，體積膨脹，容重急劇降低，土壤的此現(xiàn)象稱為鹽脹。

3.2.2 鹽漬土中支架基礎設計

在鹽漬土地基中，首先應根據(jù)地勘資料判定當?shù)佧}漬土的鹽脹等級，若無鹽脹性則可按一般地面項目支架設計。若出現(xiàn)鹽脹，尤其是強鹽脹土，則需要考慮鹽脹對其的影響。

在鹽漬土地中，樁身承載力計算除滿足《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）外，還應滿足《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》（GBT50942-2014）的要求。

根據(jù)具有鹽脹性鹽漬土分布情況，光伏支架基礎可采用兩種形式。

1）灌注樁基礎

此類基礎適用于表層土具有鹽脹性，樁崁固端無鹽脹或者鹽脹作用小，此時可利用土的嵌固作用抵抗上層土的鹽脹力，防止整個樁的向上拱起。

2）條形基礎

此類基礎適用于表層無鹽脹性，深層土具有鹽脹性，這類鹽漬土地基不適應采用樁基礎，將支架基礎淺埋防止深層土被擾動，若表層土松散，可將條形基礎變?yōu)椤熬至骸被A甚至筏板基礎。

對于光伏項目，因光伏組件、支架基礎自重輕，受鹽脹影響較為嚴重，在條件滿足情況下可進行室內(nèi)試驗，對鹽漬土的物理性能進行測定，若無條件，需采用一定的構(gòu)造措施，減小鹽脹對支架基礎的影響。

3.2.3 實例

平安區(qū)“十三五”6.9兆瓦村級光伏扶貧項目，場址位于海東市平安區(qū)洪水泉鄉(xiāng)井爾溝村石膏梁，海拔高度2872m。場址區(qū)用地性質(zhì)屬于一般農(nóng)用地，用地總面積為195畝。

地質(zhì)環(huán)境：光伏場地內(nèi)場地土類別為鹽漬土，且鹽脹等級為強鹽脹。

支架類型：雙立柱支架，組件橫四布置，支架結(jié)構(gòu)由組件、檁條、主梁、斜撐、立柱、基礎組成，傾角33°。

基礎參數(shù)：采用條形基礎（見圖2）。

圖2 平安區(qū)“十三五”6.9兆瓦村級光伏扶貧項目

該項目0.5m 深度范圍內(nèi)土體不具有鹽脹性，0.5m 以下土為鹽漬土具有強鹽脹性，考慮到安全因素和項目成本，若采用樁基礎，樁長會很深且計算不明確。因此，本項目采用天然基礎，又因首層土存在不均勻沉降，可通過減小光伏組件每組數(shù)量，保證單組支架僅含三個條形基礎，使得單組支架形成一個較為剛性的整體，進而保證單組支架基礎共同均勻沉降。

3.3 濕陷性黃土地基支架基礎

3.3.1 濕陷性土質(zhì)機理

濕陷性黃土最主要的特性是在土的自重壓力或自重壓力與附加壓力共同作用下受水浸濕產(chǎn)生大量而急劇的附加下沉，會在樁側(cè)表面產(chǎn)生的負摩阻力。負摩阻力會成為附加于樁側(cè)表面的下曳荷載。

3.3.2 濕陷性土中支架基礎設計

濕陷性黃土地基支架基礎一般為灌注樁，在濕陷性黃土地基中，樁身承載力計算除滿足《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）外，還應滿足《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2004）。設置在濕陷性黃土場地上的樁基礎，樁周土受水浸濕后，樁側(cè)摩擦力大幅度減小，甚至消失，當樁周土產(chǎn)生自重濕陷時，樁側(cè)的正摩擦力迅速轉(zhuǎn)化為負摩擦力[6]。

濕陷性黃土地基中樁負摩阻力根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）第5.4.4 條樁側(cè)負摩阻力標準值，按下式計算：

當自重性濕陷性黃土和地下水位降低時，

式中：qn si為第i 層土樁側(cè)負摩阻力標準值；ξni為樁周第i層土負摩阻力系數(shù)，對于自重濕陷性黃土ξni取值0.20～0.35；σ′γi為由土自重引起的樁周第i層土平均豎向有效應力；σ′γi為樁周第i 層土平均豎向有效應力；γe、γe為分別為第i計算土層和其上第e土層的重度，地下水位以下取浮重度；Δze、Δzi為第i層土、第e層土的厚度。

因此，在濕陷性黃土場地上，不允許采用摩擦型樁，設計樁基礎除樁身強度必須滿足要求外，還應根據(jù)場地工程地質(zhì)條件，采用穿透濕陷性黃土層的端承型樁（包括端承樁和摩擦端承樁），其樁底端以下的持力層在非自重濕陷性黃土場地，必須是壓縮性較低的非濕陷性黃土（巖）層；在自重濕陷性黃土場地，必須是低壓縮性的非濕性土黃（巖）層。

這樣，當樁周的土受水浸濕，樁側(cè)的正摩擦力轉(zhuǎn)化為負摩擦力時，便可由樁底的下部非濕陷黃土（巖）層所承受，同時樁基地基也不致因浸水引起濕陷，以保證支架基礎的安全與正常使用。

3.3.3 實例

湟中縣“十三五”34.1 兆瓦村級光伏扶貧項目，位于湟中縣魯沙爾鎮(zhèn)白土莊村，位于湟中縣城西側(cè)約8km。海拔高度2737m，占地約784.2 畝，如圖3所示。

圖3 湟中縣“十三五”34.1兆瓦村級光伏扶貧項目

地質(zhì)環(huán)境：光伏場地內(nèi)場地土類別為濕陷性黃土，濕陷系數(shù)0.021～0.108，濕陷程度輕微-強烈。

支架類型：雙立柱支架，組件橫四布置，支架結(jié)構(gòu)由組件、檁條、主梁、斜撐、立柱、基礎組成，傾角33°。

基礎參數(shù)：采用φ250灌注樁基礎，樁長2.7m，入土深度≥1.5m。

3.4 小結(jié)

綜上所述，因光伏項目分部較廣，不同地區(qū)其地基土土質(zhì)也不相同，本文分析了不同特殊地質(zhì)條件下光伏支架基礎的設計要點及計算方法。有的地基土可能會含有2種或者2種以上特殊地基土，這就需要考慮每種情況下地基土對支架基礎的影響，以滿足工程安全、經(jīng)濟性的需要。

4 用于特殊地質(zhì)條件下的光伏支架基礎處理方法

4.1 凍脹地基

在凍脹、強凍脹、特強凍脹地基上，應采用下列防凍害措施：

①基礎側(cè)面應回填非凍脹性的中砂或粗砂，其厚度不應小于15cm，增加樁身光滑度，來消除樁身切向凍脹力；

②宜選擇地勢高、地下水位低、地表排水良好的建筑場地，對低洼場地，宜也可增加樁周地面覆土的厚度；

③防止雨水、地表水浸入樁身內(nèi)部，應對管樁底部進行封堵；

④做好場區(qū)排水。

4.2 鹽漬土地基

鹽漬土地基采用拆分組件單元方法，減小支架長度，增加條形基礎的整體剛度，使其整體變形。

4.3 濕陷性黃土地基

此類土遇長時間積水而喪失地基承載力，在光伏支架基礎設計之前，可以根據(jù)廠區(qū)排水走勢布置光伏組件，同時廠區(qū)設置排水溝，將雨水順排水溝排至場外，避免雨水匯集到廠區(qū)支架基礎內(nèi)，支架基礎與地表接觸的部分可考慮適當培土，形成倒角，增強排水能力，防止雨水的內(nèi)滲。

5 結(jié)語

本文通過對部分光伏項目的考察，總結(jié)歸納了特殊地質(zhì)條件下的光伏支架基礎的設計方法，以及對針對不同地基土環(huán)境采取一定的構(gòu)造措施，為今后光伏項目設計提供部分參考和依據(jù)。

①凍土地基分布較為廣泛，許多光伏項目因種種原因需要冬季施工，通過構(gòu)造措施消除凍脹力、減小樁身切向凍脹力來實現(xiàn)凍脹對基礎的影響。

②鹽漬土地基光伏項目遇到較少，國內(nèi)對鹽漬土研究也較少，對此類地基土建設光伏項目的建設情況需進一步討論。

③光伏項目有其自重輕特點，有些項目自重濕陷性黃土層很厚，支架基礎樁基穿過此層從經(jīng)濟上施工上都無法實現(xiàn)，國內(nèi)有部分做法是直接將樁置于濕陷性黃土地基中，并通過現(xiàn)場浸水試驗確定其沉降量是否滿足光伏的使用要求，但此種設計方法有待進一步證實。