凍土地區光伏支架怎麽安（ān）裝？

光伏支架基礎的不均勻凍脹抬升問題是凍土地（dì）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（guāng）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（àn），通過從基礎類型選擇、基礎切向凍脹（zhàng）力減小措施、抱箍式可調節高度支架（jià）設計等方麵進行研究，解決（jué）了支架基礎（chǔ）因不均勻凍脹抬升對光伏組件造成破壞的問題，提出了一套防止凍土地區光伏支架基礎不均勻凍脹抬升的基（jī）本可行的設計方案。

凍土地區一般具有以下氣候和地質特性：

1)冬季氣（qì）溫（wēn）較低，一般（bān）最低溫度在-20 ℃以（yǐ）下（xià）；

2)土質為強（qiáng）凍脹土或特強凍脹土，如黏土、粉質黏土等；

3) 地下水較豐富且水位較高（gāo）。在地下水豐富且水位較高的條件下（xià），對於需要現澆築混凝土的混凝（níng）土獨立基礎、混凝土樁基礎、微（wēi）孔灌注樁基礎而言，施工（gōng）難度較大，且凍土地區的冬季氣溫極低，混（hún）凝（níng）土澆築及養護（hù）質量難以（yǐ）保證。而（ér）混凝土條形基礎更適合場地（dì）平（píng）整、地下水位較（jiào）低的地區( 如（rú）荒漠)，在凍土地區，該類基（jī）礎易出（chū）現不均勻抬升、傾斜的情況。螺旋鋼管樁基礎的造（zào）價較高，並且也不適用於強腐（fǔ）蝕（shí）環境及流動性淤泥土質。

綜上分析，在凍土地質（zhì）條件下，考慮到經濟性及施（shī）工便利性，在（zài）采取必要的減小樁長來防凍脹的前提下，PHC 基（jī）礎是較為合適的光伏支架（jià）基礎[2]。下文以東北地區某光伏項目為例，分析凍土地質條件（jiàn）下PHC 基礎的受力，以及防止其不（bú）均勻凍脹（zhàng）抬升的措（cuò）施。

2 凍土地（dì）質條件下PHC 基礎（chǔ）的受力分析

在凍脹力作用下，PHC 基礎（chǔ）在（zài）樁長方向主要承受永久荷載(PHC 上部支架重量、組件重量及PHC 自重等)、凍土對PHC 的切向（xiàng）凍脹力、凍土層以下（xià）土體對PHC 的錨固力。從受力分析（xī）來看，在強凍脹土或特強凍脹土地區，當最大凍深較深時，完（wán）全依靠PHC 錨固來避免不均勻凍（dòng）脹抬升（shēng）是不（bú）經濟的。

根（gēn）據地勘報告，東北地區某光伏項目所在地的標準凍深為2.0 m，在標準凍（dòng）深範圍內，土（tǔ）層從上往下依次為表層（céng）耕（gēng）土、黏（nián）土、粉質黏（nián）土，這些土層均為強凍脹土或特強凍脹土；項目所在地（dì）的地下水位為-1.0～-0.5 m。項目初步選擇樁（zhuāng）徑為300 mm 的PHC 作為光伏支架基礎。在冬季條件（jiàn）下，為抵抗（kàng）凍脹上拔力，根據JGJ118-2011《凍土地區建築地基基礎設計規（guī）範》[3] 對樁基礎進行穩定性驗算：

式中，τdk,i 為第（dì）i 層土中單位切向凍脹力的（de）標準值，kPa；可在樁（zhuāng）身側麵埋設應力計實測得（dé）到，也可參照規範（fàn）附錄C 中表C.1.1 的規定取值；在同一凍脹土（tǔ）類別中（zhōng），含（hán）水率高者（zhě）取大（dà）值；本項目是按照（zhào）規範的規定取值。Aτ,i 為與第i 層土凍結在一（yī）起的樁的表麵積，㎡；Gk 為作用在樁基（jī）礎上永久荷載的標準值，kN，包括（kuò）樁基礎自重、上部（bù）組件重量、支架重量等，若樁（zhuāng）基礎在地下水中，則取浮重度；Rta 為樁基礎深入凍脹土層之後地基所產生的錨固力特征值（zhí），kN。

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

式中，qsa,i 為第i 層內的土（tǔ）與樁側表麵的摩阻力特（tè）征值，kPa，按照樁基（jī）受壓（yā）狀態進行取值（zhí），在缺少試驗資料時可按JGJ 94-2008《建築（zhù）樁基技術規範》[4] 的規定確定；Aq,i 為第（dì）i 層（céng）土內樁的側表麵積，㎡。本項目按照上述（shù）公式進行計算，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（guāng）伏項目（mù）而言，成本（běn）非常高。而在非凍土季節，滿足控製荷載( 風荷載) 作用時，PHC 基礎在地表以下的埋深隻需要2 m。不是通過PHC基礎（chǔ）伸入凍脹土層之下來增大錨固力，而是采取減小凍土對樁的切向（xiàng）凍脹力這一措（cuò）施，如此可大幅縮減樁長[5]。

3 防止PHC 基礎不均勻凍脹抬升的措施（shī）

3.1 防止PHC 基礎不均（jun1）勻凍脹抬升的主要措施

減小切向凍脹力對樁體的作用是防止PHC 基礎因凍脹而（ér）抬升的關鍵（jiàn）。可在設計凍深範圍內，采（cǎi）取措施避免PHC 基礎與（yǔ）特強凍土直接接觸，以減小凍土對樁的（de）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（de）中粗砂作為隔離層，可減小樁周土（tǔ）對樁體的切向凍脹力。

經過進一步計算發現，本項目地表以（yǐ）下2.0 m範圍的樁（zhuāng）周土（tǔ）采取先引孔後回填弱凍脹性中粗砂的措施後，所需樁長最短，地表以下樁長埋（mái）深3m 即（jí）可滿足設計要求。具體施工方法為：先用鑽機引孔（kǒng），鑽頭比樁徑大10～20 cm，引孔完成後（hòu）再（zài）用靜壓錘將已（yǐ）塗刷瀝青的PHC沉至設計標高。為避免塌（tā）孔，沉樁完成後需立即在樁周範圍回填中粗砂至密（mì）實狀態，密壓實係數不小於0.94，必要時可插入振搗棒振動密實。

3.2 其他解決PHC 基礎不均勻（yún）凍脹抬（tái）升的（de）措施

采取引孔回填中粗砂及塗刷瀝青的防凍脹措施基本能解決PHC 基礎大範圍不均（jun1）勻凍脹抬升的問題（tí）。但對於一些地質變化較大的區域，一些PHC 仍（réng）可能出現小量的不均勻凍脹（zhàng）抬升現象，進而導致支架和組件變形。對（duì）於該類問題，可采取減小每組支架的PHC 基礎數量和采用可調節高度的支架（jià）的措施（shī）來解決。

1) 減小每組支架的PHC 基（jī）礎數量，從而（ér）降低PHC 基礎不均勻凍脹抬升發（fā）生的概率。在每組（zǔ）串為20 塊組件的情況下， 采用4 根PHC 作為基礎較為經濟，且發生不均勻凍脹抬升的概率也較低。也（yě）可以采用2 組獨立支架及基（jī）礎支撐組串，即（jí）每10 塊組件由2 根PHC基礎支撐，這樣可進一步降低每根（gēn）PHC 基（jī）礎不（bú）均勻凍脹抬升的概率。但該方案會增加一（yī）定的支架工（gōng）程量，且該增量大小需視具體情況複核確定。

2) 采用（yòng）可調節高度的太陽能板支架，即支架設（shè）計為與樁抱箍固定的形式。在個別樁發生凍脹時（shí），可通過調節抱箍式支架的高度來（lái）調平支架（jià）及組件，避免支架和組件的變形破壞。

4 結論

通過對凍土地區的光伏支架基礎設計進行分析發現，采（cǎi）取對凍深範圍內的樁周土回填中粗砂的方式能夠減小凍（dòng）土對（duì）PHC基礎的切向凍脹（zhàng）力，從而大（dà）幅減小PHC 的設計長度（dù），節約工程造價。此外，通（tōng）過控製每組支架的PHC 基礎數量（liàng）及采用（yòng）抱箍式（shì）可調節高度的支架，能進一步解決部分PHC 基礎出現（xiàn）不均勻凍脹抬升從而對組件造成破壞的問（wèn）題。

本（běn）文中計算回填（tián）後中粗砂對樁體的切向凍脹（zhàng）力參考了JGJ 118-2011《凍（dòng）土地區建築地基基（jī）礎設（shè）計規範》附錄表C.1.1[3] 切向凍脹力標準值中的弱凍脹土取值（zhí），由於（yú）光（guāng）伏組件與（yǔ）建築地基（jī）基礎（chǔ）存在一些差異，中粗砂對樁周土的切向凍脹力的際大小需根據項目（mù）的實（shí）際情（qíng）況，通過試驗確定更為準確。通過項目初（chū）步試驗（yàn），回填中粗砂對樁的切向凍脹力與引孔回（huí）填（tián）的孔徑大小、中（zhōng）粗砂本身凍脹特（tè）性、密實度、含水量及樁身（shēn）側表麵粗糙程度等有關。

對於太陽能板支架基礎而言，在保證大幅消減凍（dòng）脹力的前提下，還要使方案具有經濟性，並便於（yú）施工。因此，對於（yú）減小樁身切向凍脹力時選擇的回（huí）填材料仍可進（jìn）一步分析研（yán）究。試驗表明，在（zài）樁周塗刷1～2 cm 的瀝青的材料也可較好地消減切向凍脹力，具體塗刷瀝青厚度應根據不同工程地質條件及（jí）環境溫度來確定。