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季节性冻土地区光伏支架基础优化设计

摘要：在“碳达峰、碳中和”国家战略背景下，新能源得到大力发展，应用前景广阔。随着光伏电站的大规模建设，光伏电站的分布也越来越广。在我国北部高纬度及西部高海拔地区存在分布广泛的冻土区域，其中，季节性冻土面积约占国家领土面积的1/2，多年冻土面积约占领土面积的1/5。鉴于光伏电站在冻土地区的建设需求越来越大，针对冻土特性的问题也不断显现。在季节性冻土地区，当土体温度降低时，土体内孔隙水压力冻结成冰，体积较液态水增大，使土体产生向自由面（地表）的位移，对埋置其中的结构（比如桩基础）产生了向上的摩阻力；当土体温度升高时，孔隙水融化造成土体沉降变形，会对埋置其中的结构产生向下的拖曳力。由于光伏支架单个基础荷载较小，在季节性冻土区域易受到土壤冻胀的影响，造成上部光伏支架变形，光伏组件产生隐裂乃至断裂破坏，从而降低发电效率，给光伏电站造成巨大损失。因此，冻土地区支架基础设计尤为重要。

关键词：季节性冻土；光伏支架；优化设计；

引言

光伏发电技术是达成我国“碳中和”目标的关键技术之一，部分光伏发电站建设项目位于东北北部高纬度低海拔的季节性冻土区，该地区土壤冻深可达2~3m。土质不同、水位不同时土体冻胀变形量差异较大，年冻胀量在几厘米到几十厘米，产生很大的冻拔力，对于自重轻的无法抵消冻拔力的光伏支架、路灯杆等基础冻胀破坏风险很大。光伏支架基础的受力特点是竖向荷载小、冻拔敏感性高，基础的抗拔性能在设计中起主要控制作用。光伏发电站项目占地面积广，基础数量大，后期基础发生冻拔现象后返修成本较高。季节性冻土地区水位较高时，不仅冻胀量大，也给基础抗冻胀方案施工带来一定困难。文中基于冻土力学和基础冻胀原理，对常规抗冻胀措施在光伏支架基础上的适用性和可靠性进行了综述，提出一些新的抗冻拔措施和方法，提高季节性冻土地区光伏发电设备基础的可靠性和耐久性，为同类项目的基础抗冻胀设计提供了一定参考。

1光伏支架基础选型

光伏组件支架常用的基础形式有：混凝土独立基础、混凝土条形基础、微型钻孔灌注桩、预制管桩、螺旋桩等。混凝土独立基础和混凝土条形基础：一般适用于难以成孔及难以打入的砾石、卵石等土层。条形基础施工时需要进行土方开挖，对自然环境破坏很大，在能采用桩基础的条件下，一般不采用条形基础。微型钻孔灌注桩：微型钻孔灌注桩桩径一般在0.2～0.3m之间，桩长根据地质条件确定，一般小于3m采用小型钻孔机械成孔，具有施工速度快、对自然环境影响小、造价低等优点，在光伏电站建设项目中被广泛应用。微型灌注桩主要适用于易于成孔的黏性土、粉土、较密实的砂土等土层；对于含大块碎石的碎石土及基岩，由于成孔机械的限制不再适用。考虑到冻土地区低温天气持续时间久，对混凝土的浇筑和养护影响较大，成桩效果差，如果需采用微孔灌注桩，应避开冬季施工。预制管桩：光伏支架承受的荷载一般较小，因此，预制管桩一般采用PHC桩（预应力高强度混凝土桩），直径300mm。相对于微型钻孔灌注桩，预制管桩为工业化产品，可直接购买成品，采用专用机械施工，施工速度更快，施工工期短，且对自然环境的影响更小，但综合造价相对于微型钻孔灌注桩稍高。预制管桩适用于软塑-可塑黏性土、松散-中密的粉土和砂土等土层，同样不适用于密实的碎石土及基岩。螺旋桩：利用专用设备将带螺旋叶片的圆桩（包括钢管桩、非金属材质的空心管桩和实心桩等）旋转压入土层，替代混凝土桩基础。螺旋桩工厂化生产，制作方便且质量可靠，桩顶与光伏支架连接方便，现场施工周期短，可用于北方冬季施工。但是，螺旋桩造价高，金属材料耐腐蚀性能差，使用前应进行充分的技术经济比选。陆上太阳能发电站通常面积大，支撑基础大，工作时间较短。应优先考虑对环境危害较小的快速、实用的建筑技术。独立钢筋混凝土基础，钢筋混凝土墙基础由于现场混凝土量大，开挖回填对环境影响较大，建议不要实施该项目。本工程设想了桩基础的使用，喷桩需要现场混凝土，混凝土强度指标不易控制，喷桩施工周期长，喷桩需二次钻探，施工重，孔底受地面影响预制桩基础施工方便快捷，施工期短，环境影响小因此，高强度预应力混凝土桩与直径为0.3m的小桩配合使用。

2基础冻胀危害及破坏形式

冻胀现象发生时，土中的水由于温度低结冰，发生相变，由液态变成固态，同时体积变大，产生冻胀力。基础受到土冻胀力的影响，冻胀力包括作用于基础底部的法向冻胀力、作用于基础侧面的水平冻胀力和切向冻胀力。因同一地区的土壤在土质和含水率等方面也存在差异，不同位置的冻胀量不同，这也造成基础不同部位受到不规则的冻胀力，产生不均匀冻拔位移，就有可能发生剪切破坏和结构失稳等危害。在强冻胀地区，传统直线型桩基的抗拔承载力通常要小于上部的冻拔力，因此冻土地区的桩基工程常会出现向上的冻拔位移，若桩身抗拉强度较低且锚固长度较大时，桩基甚至会出现冻拔破坏。一般建