光伏工程螺旋桩应用介绍.pdf

螺旋桩在光伏电站工程中的应用螺旋桩（Screw Pile or Helical Pile）是一种带螺旋叶片的金属管桩，采用专用设备拧入地下，替代混凝土基础，桩顶连接负载，其优点为施工快捷方便、大幅缩短施工周期、对环境友好、环保、不破坏植被，适应各种地质条件，并且方便迁移及回收。螺旋桩最早于1838年作为英国一座灯塔构筑物的基础得以应用（Maplin Sands Light House），取得了很好的效果，在此向前辈工程师Alexander Mitchel表示敬意。19世纪40年代以来，螺旋桩得到了蓬勃的发展，尤其在美国、加拿大及俄罗斯地区应用特别广泛。早期主要作为抗拔锚桩，后期发展到抗压桩，螺旋桩已广泛应用于电力塔架、信号标示牌、房屋基础、仓库等，目前主要应用于轻型构筑物的基础。笔者通过加拿大某工业项目接触到该桩型，所以在一定范围内展开研究。螺旋桩因其未列入国内桩基规范，其受力模式、计算方法均不明确，所以在国内应用较少。国内应用最多就是作为光伏太阳能板的基础，目前该行业蓬勃发展且随着“一带一路”走出去的趋势，仅在该行业的应用也相当可观，已经催生出很多螺旋桩、打桩机设备的生产厂家。同时由于新兴行业存在很多不规范的现象，例如2011年9月，海南省经受台风袭击，某些光伏支架被台风破坏、发生倾覆，有的甚至连根拔起。螺旋桩技术并非单纯的产品，它还包括专业的施工队伍、丰富的管理经验以及整套的施工解决方案。由于笔者是从事结构设计专业，所以从设计方面对桩型的设计及施工进行一些阐述。光伏面板支架典型螺旋桩施工螺旋桩承载力设计光伏支架上的荷载包括自重、风荷载、雪荷载、温度荷载和地震荷载等，其中风荷载起控制作用。通过多个工程对比，单桩抗标准设计值10kN，由于支架并非单纯拉压受力体系，同时桩身需具备一定的抗水平能力。参考IBC 2009关于Helical pile章节描述，螺旋桩承载力极限值为设计标准值的2倍。试验研究证明：当螺旋叶片间距3倍叶片直径时，桩极限承载力破坏模式为整体破坏模式；当螺旋叶片间距3倍叶片直径时，桩极限承载力破坏模式相对独立，其受力状态等同于单片受力的合力。为最大程度的获得承载力，可控制螺旋叶片间距为3D(Hlix Spacing）单叶片螺旋桩多叶片螺旋桩为保证螺旋桩受力的可靠性，对于单叶片桩，叶片埋深需1.5m；对于多叶片桩，埋深最浅叶片需5D1（叶片直径）。10 kNkNmm3H2 mm光伏工程中应用的螺旋桩一般为2m左右，桩径小，桩长较短，一般忽略桩身侧阻力，只考虑螺旋叶片端部承载力，其理论计算可采用太沙基地基承载力计算公式：q H:螺旋叶片受力面积AH：土体有效粘聚力c：叶片以上土层有效重度：叶片埋深H：承载力粘聚力影响系数Nc：承载力内摩擦角影响系数Nq：承载力基础宽度影响系数NTerzaghis Shallow Foundation Bearing Capacity Factors由于螺旋叶片直径较小，通常忽略叶片宽度对承载力的贡献。以某工程为例，螺旋桩采用76X4，材质为Q235，桩长2m，双螺旋叶片，叶片直径200mm，上层叶片埋深1m，下层叶片埋深1.65m。d76 mmmmPile shaft diametert4 mmmmPile shaft Thk.D220 mmmmPile Plate diameterH11 mmDepth from ground to top helical plateH21.65 mmDepth from ground to bottom helical plateAH=4D2d20.033 mm21）当螺旋桩持力层为砂层：Sands 0;c=0c0Soil effective cohesion strength30 Soil effective internal friction angle18 kNkNmm3Effective unit weight of soil above helical anchor plateNq22.5Bearing Capacity Factor单桩抗压极限承载力：Qult.c=AH+H1H2Nq35.929 kNkNt0.87单桩抗拉极限承载力：在保证螺旋叶片埋深的情况下，单桩抗拔与抗压承载力计算方法相同，在工程设计中可保守取抗压承载力乘以折减系数=087。tQult.p=tQult.c31.258 kNkN2）当螺旋桩持力层为饱和粘土层：Saturated Clays =0;c 0c30 kPakPaSoil effective cohesion strength0 Soil effective internal friction angle18 kNkNmm3Effective unit weight of soil above helical anchor plateNc5.7Bearing Capacity Factor单桩抗压极限承载力：Qult.c=+AH+c Nc H1AH+c Nc H213.046 kNkN单桩抗拉极限承载力：Qult.p=tQult.c11.35 kNkN由以上计算可见，在饱和粘土中，该桩长获取的承载力较低，需加大桩长或增加埋深。3）当螺旋桩持力层为混合土层：Saturated Clays 0;c 0c20 kPakPaSoil effective cohesion strength18 Soil effective internal friction angle18 kNkNmm3Effective unit weight of soil above helical anchor plateNc15.5Bearing Capacity FactorNq6Bearing Capacity Factor单桩抗压极限承载力：Qult.c=+AH+c Nc H NqAH+c Nc H2Nq33.952 kNkN单桩抗拉极限承载力：Qult.p=tQult.c29.538 kNkN螺旋桩一般通过预留腐蚀余量来保证桩体的耐久性，且一般要求进行热浸锌处理。由于施工过程（旋进土体）会对镀锌造成一定的破损，可不考虑镀锌保护，仅针对裸碳素钢预留腐蚀余量。参考AASHTO（2004），对于中等腐蚀的土壤，可按每年腐蚀12，如设计年限为30年，其总腐蚀量为：mPile corrosion allowance for 30 years,each sidetcor=30 12 mm0.36 mmmm桩身承载力验算d76 mmmmPile shaft diametert4 mmmmPile shaft Thk.Fy235 MPaMPaPile yeild strengthdeff=d2 tcor75.28 mmmmteff=ttcor3.64 mmmmE200000 MPaMPaI deff4deff2 teff464Aeff 4deff2deff2 teff2r=2IAeff25.361 mmmmAs a practical guideline,soil with N60 SPT blow counts per ASTM D-1586 greater than 4 along the entire embedded length of the helical pile shaft has been found to provide adequate support to resist buckling-provided there are no horizontal(shear)loads or bending moments applied to the top of the foundation.Per IBC 2006 Section 1808.2.9.2&IBC 2009Section 1810.2.1,pier/piles driven into firm ground can be considered fixed and laterally supported at 5 feet below the ground surface and in soft material at 10 feet below the ground surface.Buckling is better determined according to AISC 360-05,which states that the nominal(LRFD)compressive strength for flexural buckling,Pn,is given byl1 mmPile free lengthk0.8Effective factor，pinned-fixed conditionFe=2Ek lr21.984 103 MPaMPak lr4.712EFyFcr=0.658FyFe Fy223.632 MPaMPa桩身屈曲极限承载力：Pn=AeffFcr183.207 kNkNKT30mm螺旋桩施工螺旋桩的施工方法为旋入式，其关键装置为一套可提供相当扭矩的液压系统，同时可记录其扭矩的仪表装置。该液压系统可由挖掘机、推土机等工程机械改造而成。根据螺旋桩的设计承载力可预估对液压扭矩的需求，同时通过桩施工过程中施工扭矩的记录来佐证螺旋桩的承载力，并判断该桩的可靠性，所以对土壤情况进行初步勘查以了解土层特性即可，甚至在熟悉当地特层特性的情况下可不做勘察，因为在螺旋桩施工过程中可以直接验证其承载力。QT20 kNkNQtoqueKTT T:安装扭矩T:扭矩系数KT：安装扭矩确定的单桩承载力Qtoque扭矩系数KT土壤特性及桩身尺寸（桩径、叶片直径、叶片数量）相关，其取值范围一般为10/m33/m,小桩径取大值，大桩径取小值。对于该文中用桩径76mm可保守取30/m，实际工程中应通过试桩试验来进一步确定该系数。如设计单桩极限承载力为20kN，其安装扭矩要求为：T=QTKT0.667kNkN mm螺旋钢桩水平承载力与所进入土壤对桩身约束情况相关，需要相对准确的知道土壤对桩身的约束刚度，但是该参数有很大的离散型，确定起来比较困难。目前应用较多的是采用Ensoft公司的LPile来计算其水平承载力，通过输入桩身截面，入土情况以及土层相关参数，可算出桩头所受水平下的变形情况。钢桩水平承载力计算模型D=76mm钢桩水平荷载变形(1kN)结语：以上为螺旋桩在光伏工程中应用介绍，目前在国外已经广泛应用于各类构筑物，也成立了很多针对该桩型的桩基公司，致力于设计、施工各种快速基础系统（Fast Foundation Systerm）；加大桩径、桩长可更能发挥其承载能力。通过近期对螺旋桩了解，越来越觉该桩型具有常规基础无法比拟的优越性，比如施工快捷方便、大幅缩短施工周期、环保，对处理软土、膨胀土、冻土地基都非常有效，尤其在当下国内钢材产能严重过剩的情况下，可大力推广该桩型在各类工程中的应用，以取得非常好的经济和工程效果。以上内容为笔者近期通过对该桩型的了解、研究总结出的一些粗浅内容，有不妥之处欢迎大家指正，如有具体的工程问题也可以联系我。QQ：759761817邮箱：pipi1117