凍土（tǔ）地區光伏支架怎麽安裝？

光伏支架基礎的不（bú）均勻凍（dòng）脹抬升（shēng）問題是凍土地區開發建設光伏項目的重點與難點。該文結合東北地區某光伏項目在凍土地質條件下的太陽能板支架基礎的設計方案，通（tōng）過從基礎類型選擇、基礎切向凍脹力減小措施、抱箍式可調節（jiē）高度（dù）支架設計等方麵進行研究，解決了支架基礎因不均（jun1）勻凍（dòng）脹抬升對光伏組（zǔ）件造成（chéng）破壞的問題，提出了一套（tào）防止凍土地區光（guāng）伏支架基礎不均勻（yún）凍脹抬升的基本可行的設計方案。

凍土（tǔ）地區一般具有以下氣候和地質特性：

1)冬（dōng）季氣溫較低，一般最低溫度在-20 ℃以（yǐ）下；

2)土質為強凍脹（zhàng）土或特強凍（dòng）脹土，如（rú）黏土、粉質（zhì）黏（nián）土等；

3) 地下水較豐富且水位較高。在地下水豐富且水位較高的條件下，對於需要（yào）現澆築混凝土的混凝土獨立基礎、混凝土樁（zhuāng）基礎、微孔灌注樁基礎而言（yán），施工難度較大，且凍土地（dì）區的冬（dōng）季氣溫極低，混凝土澆築及養護質量難以保證。而混凝土條形基礎更適合場（chǎng）地平（píng）整、地下水位較低的（de）地區( 如（rú）荒漠)，在凍土地區，該類基礎易出現不（bú）均勻抬升、傾斜的情況。螺旋鋼管樁基礎的造價較高，並且也不適用（yòng）於強（qiáng）腐蝕環境及流動性淤泥土質。

綜上分析，在凍土地質（zhì）條件下，考慮到經濟性（xìng）及施工便利性，在采取必要（yào）的減小樁長（zhǎng）來防凍（dòng）脹的前提下，PHC 基礎是較（jiào）為合適的光伏支架基礎[2]。下文以東北地區某（mǒu）光伏項目為例（lì），分析凍土地（dì）質條件下PHC 基礎的受力，以及防止其不均勻凍脹（zhàng）抬升的措施。

2 凍土地質條件下PHC 基礎的受力（lì）分析

在凍（dòng）脹力作（zuò）用（yòng）下，PHC 基礎在樁長方向主要（yào）承受永久荷載(PHC 上部支架重量、組件（jiàn）重量及PHC 自重（chóng）等)、凍土（tǔ）對PHC 的切向凍脹力、凍土層以下土體對PHC 的（de）錨固力（lì）。從受力分析來看，在強凍（dòng）脹土或特強凍脹土地區，當最大凍深較深時，完全依靠PHC 錨固來避免（miǎn）不（bú）均勻凍脹抬升是不經濟的。

根據地勘報告，東北地區某光伏（fú）項目所在地的標準凍深為2.0 m，在標準凍深範圍（wéi）內，土層從上（shàng）往下依（yī）次為表層耕土、黏土、粉質黏土（tǔ），這些土層（céng）均為強凍脹土或特強凍脹土；項目所在地的地下水位為-1.0～-0.5 m。項目初步選（xuǎn）擇樁徑為300 mm 的PHC 作為光伏支架基礎。在冬季條（tiáo）件下，為抵抗（kàng）凍脹上（shàng）拔力，根據JGJ118-2011《凍（dòng）土地區建築地基基礎設計（jì）規範》[3] 對樁基礎進行穩定性驗算：

式中，τdk,i 為第i 層土中單位切向凍脹力（lì）的標準值，kPa；可在樁身側麵埋設應力計實測得到，也可參照（zhào）規範附錄C 中（zhōng）表C.1.1 的規定取值；在同一凍脹土類（lèi）別中，含水率（lǜ）高者取大值；本項目是（shì）按照規範的規定取（qǔ）值。Aτ,i 為與第i 層土凍結在一（yī）起的樁的表麵積，㎡；Gk 為作用（yòng）在樁基礎上永久荷載的標準值，kN，包括樁基礎自重、上部組（zǔ）件重量、支架重量等（děng），若樁（zhuāng）基礎在地下水中，則取（qǔ）浮重度；Rta 為（wéi）樁基礎深入凍（dòng）脹土層之後地基所產生的錨固（gù）力特征值，kN。

對於本項目中的季節性（xìng）凍土地基（jī）而言，PHC基礎側麵與凍土之間的Rta 其實為（wéi）摩阻力，可參照JGJ 118-2011《凍土地區建築地基基（jī）礎設計規範》[3] 中的（de）C.1.1-2 進行計算，即：

式中，qsa,i 為第i 層內的土與樁側表麵的（de）摩阻力特征值，kPa，按照（zhào）樁基受壓狀態進行取值，在缺少試驗資料時可按JGJ 94-2008《建（jiàn）築樁基技術規範》[4] 的規定確定；Aq,i 為第i 層土內樁的側表麵（miàn）積，㎡。本項目按照上述公式（shì）進行計算（suàn），光伏支架PHC 基礎在地表以下的埋深至少需要7 m，這對於一個光伏項目而言（yán），成（chéng）本非常高。而在非凍土季節，滿（mǎn）足控製荷載( 風荷（hé）載) 作用時，PHC 基礎在地表以下（xià）的埋深隻需要2 m。不是通（tōng）過PHC基礎伸入凍脹土層之下（xià）來增大錨固力，而（ér）是采取減（jiǎn）小凍土對樁的切向凍脹力這一措施，如此可（kě）大幅縮減樁長[5]。

3 防止PHC 基礎不均勻凍脹抬升的措施

3.1 防止PHC 基礎不（bú）均勻凍脹抬升的（de）主要措施

減小切向（xiàng）凍脹力對樁體的作用是防止PHC 基礎因凍脹而抬升（shēng）的關鍵。可在設計凍深範圍內，采取措施避免PHC 基礎與特強凍土直接接觸，以（yǐ）減小凍土對樁的切向凍脹力。本項目經過實踐發現，在凍土層的樁周回填弱凍脹性的中粗砂作為（wéi）隔（gé）離層（céng），可減小（xiǎo）樁周土對樁體（tǐ）的切向凍脹力。

經過進（jìn）一步計算發現，本項目地表以下2.0 m範圍的樁周土采取先引孔（kǒng）後回填弱凍（dòng）脹性中粗砂的措施後，所需樁（zhuāng）長最短，地表以下樁長埋深3m 即可滿足設計（jì）要求。具體施工方法為：先用鑽機引孔，鑽頭比（bǐ）樁徑大10～20 cm，引孔完成（chéng）後再用靜（jìng）壓錘將已塗刷瀝青的（de）PHC沉至設計標高。為避免塌（tā）孔，沉樁完成後需立（lì）即在樁周範圍回填中粗砂至密實狀態，密壓實係數不小於0.94，必要時可插入（rù）振搗棒振動密實。

3.2 其他解決PHC 基礎不均勻（yún）凍脹抬升的措施

采取引孔回（huí）填中粗砂及塗刷瀝青的防凍脹措施基本能解決PHC 基礎大範（fàn）圍不均勻凍脹抬升的（de）問題。但對於一些地質變化較大的區域，一些PHC 仍可能出現小量的不均勻凍脹抬升現象，進而導致（zhì）支架和組件變形。對於該類問題（tí），可采取減小每組支架（jià）的PHC 基礎數量和（hé）采（cǎi）用（yòng）可調節高度的支架的措（cuò）施來解（jiě）決。

1) 減小每組（zǔ）支架（jià）的PHC 基礎數量，從而降低PHC 基礎不均勻凍脹（zhàng）抬升發生的概率。在每組（zǔ）串為20 塊（kuài）組件（jiàn）的情況下， 采用4 根PHC 作為基礎較為經（jīng）濟，且發生不均勻凍脹抬升的概率也較低。也可以采用2 組獨立支架及基礎支（zhī）撐組串，即每10 塊組件由（yóu）2 根PHC基（jī）礎支撐，這樣（yàng）可進一步降低每根PHC 基礎（chǔ）不均勻凍脹抬升的概率。但該方案會增加一定的支架工程量，且該增量大小需視具體情（qíng）況複核確定。

2) 采用可調節高度的太陽能板支架，即支架（jià）設計為與樁抱箍固定的（de）形式。在個別樁發生凍脹時，可通過調節抱箍式支架（jià）的高度（dù）來調平支架及組件（jiàn），避免支架和組件的變形破壞。

4 結論

通過對凍土地區的光（guāng）伏支架基礎設計（jì）進行分析發現，采取對凍（dòng）深範圍（wéi）內的樁周土回填中粗砂（shā）的方式（shì）能夠減小凍土對PHC基礎的切向凍脹力，從而大（dà）幅減小PHC 的設計長度，節（jiē）約工程（chéng）造價。此外（wài），通過控製每（měi）組支架的PHC 基礎數量及采用抱箍式（shì）可調節高度的支架，能進一（yī）步解（jiě）決（jué）部分PHC 基礎出現不（bú）均勻凍脹抬升（shēng）從（cóng）而對組件造成破壞的問題。

本文中計算回填後（hòu）中粗砂（shā）對樁（zhuāng）體的切向凍脹（zhàng）力參考了JGJ 118-2011《凍土地區建築地基基礎設計規（guī）範》附錄表C.1.1[3] 切向凍脹力標準值中的弱凍脹（zhàng）土取值，由於（yú）光伏組件與建築地基（jī）基（jī）礎存在（zài）一些差異，中粗砂對（duì）樁周土（tǔ）的切向凍脹力的際（jì）大小需根據項目的實際情況，通過試驗確定更為（wéi）準確。通過項目初步試驗，回填中粗砂對樁的切向凍（dòng）脹力與引孔回填的孔徑大小、中粗砂（shā）本身凍脹特性（xìng）、密實度（dù）、含水量及（jí）樁身（shēn）側表麵粗（cū）糙程度等有關。

對（duì）於太陽能（néng）板支架基礎而言，在保證大幅（fú）消減（jiǎn）凍脹力的前提下，還要使方案具有經濟性，並便於施工。因此，對於減小樁身切向凍脹力時選擇的回填材料仍可進一步分析研究。試（shì）驗表明，在樁（zhuāng）周塗刷1～2 cm 的瀝青的材料也可較好地消減切向凍脹力，具體塗刷（shuā）瀝青厚度應根據不同（tóng）工（gōng）程地質條件及環境溫度來確（què）定。