太阳能照明灯冻土地区光伏支架基础的设计方案研究

　　解决光伏支架基础的不均匀冻胀抬升问题是冻土地区开发建设光伏项目的重点与难点。该文结合东北地区某光伏项目在冻土地质条件下的光伏支架基础的设计方案，太阳能网，通过从基础类型选择、基础切向冻胀力减小措施、抱箍式可调节高度支架设计等方面进行研究，解决了支架基础因不均匀冻胀抬升对光伏组件造成破坏的问题，提出了一套防止冻土地区光伏支架基础不均匀冻胀抬升的基本可行的设计方案。

　　1 适用于冻土地区的光伏支架基础分析

　　光伏支架基础的作用是为了支撑与其连接的光伏支架及光伏组件，光伏组件通过螺栓或压块与光伏支架连接。目前较为普遍的光伏支架基础主要有：混凝土独立基础、混凝土条形基础、螺旋钢管桩基础、混凝土桩基础、预应力混凝土管桩(PHC) 基础、微孔灌注桩基础[1]。冻土地区一般具有以下气候和地质特性：

　　1)冬季气温较低，一般最低温度在-20 ℃以下；

　　2)土质为强冻胀土或特强冻胀土，如黏土、粉质黏土等；

　　3) 地下水较丰富且水位较高。在地下水丰富且水位较高的条件下，对于需要现浇筑混凝土的混凝土独立基础、混凝土桩基础、微孔灌注桩基础而言，施工难度较大，且冻土地区的冬季气温极低，混凝土浇筑及养护质量难以保证。而混凝土条形基础更适合场地平整、地下水位较低的地区( 如荒漠)，在冻土地区，该类基础易出现不均匀抬升、倾斜的情况。螺旋钢管桩基础的造价较高，并且也不适用于强腐蚀环境及流动性淤泥土质。

　　综上分析，在冻土地质条件下，考虑到经济性及施工便利性，在采取必要的减小桩长来防冻胀的前提下，PHC 基础是较为合适的光伏支架基础[2]。下文以东北地区某光伏项目为例，分析冻土地质条件下PHC 基础的受力，以及防止其不均匀冻胀抬升的措施。

　　2 冻土地质条件下PHC 基础的受力分析

　　在冻胀力作用下，PHC 基础在桩长方向主要承受永久荷载(PHC 上部支架重量、组件重量及PHC 自重等)、冻土对PHC 的切向冻胀力、冻土层以下土体对PHC 的锚固力。从受力分析来看，在强冻胀土或特强冻胀土地区，当最大冻深较深时，完全依靠PHC 锚固来避免不均匀冻胀抬升是不经济的。

　　根据地勘报告，东北地区某光伏项目所在地的标准冻深为2.0 m，在标准冻深范围内，土层从上往下依次为表层耕土、黏土、粉质黏土，这些土层均为强冻胀土或特强冻胀土；项目所在地的地下水位为-1.0～-0.5 m。项目初步选择桩径为300 mm 的PHC 作为光伏支架基础。在冬季条件下，为抵抗冻胀上拔力，根据JGJ118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》[3] 对桩基础进行稳定性验算：

　　式中，τdk,i 为第i 层土中单位切向冻胀力的标准值，kPa；可在桩身侧面埋设应力计实测得到，也可参照规范附录C 中表C.1.1 的规定取值；在同一冻胀土类别中，含水率高者取大值；本项目是按照规范的规定取值。Aτ,i 为与第i 层土冻结在一起的桩的表面积，㎡；Gk 为作用在桩基础上永久荷载的标准值，kN，包括桩基础自重、上部组件重量、支架重量等，若桩基础在地下水中，则取浮重度；Rta 为桩基础深入冻胀土层之后地基所产生的锚固力特征值，kN。

　　对于本项目中的季节性冻土地基而言，PHC基础侧面与冻土之间的Rta 其实为摩阻力，可参照JGJ 118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》[3] 中的C.1.1-2 进行计算，即：

　　式中，qsa,i 为第i 层内的土与桩侧表面的摩阻力特征值，kPa，按照桩基受压状态进行取值，在缺少试验资料时可按JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》[4] 的规定确定；Aq,i 为第i 层土内桩的侧表面积，㎡。本项目按照上述公式进行计算，光伏支架PHC 基础在地表以下的埋深至少需要7 m，太阳能电池板，这对于一个光伏项目而言，成本非常高。而在非冻土季节，满足控制荷载( 风荷载) 作用时，PHC 基础在地表以下的埋深只需要2 m。不是通过PHC基础伸入冻胀土层之下来增大锚固力，而是采取减小冻土对桩的切向冻胀力这一措施，如此可大幅缩减桩长[5]。

　　3 防止PHC 基础不均匀冻胀抬升的措施

　　3.1 防止PHC 基础不均匀冻胀抬升的主要措施

　　减小切向冻胀力对桩体的作用是防止PHC 基础因冻胀而抬升的关键。可在设计冻深范围内，采取措施避免PHC 基础与特强冻土直接接触，以减小冻土对桩的切向冻胀力。本项目经过实践发现，在冻土层的桩周回填弱冻胀性的中粗砂作为隔离层，可减小桩周土对桩体的切向冻胀力。