季節(jié)性凍土區(qū)光伏支架基礎凍脹防治措施研究綜述

姜偉， 晏華斌， 張鈺， 劉英杰， 付世博， 李棟， 劉功良

（1.東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.青海黃河光伏系統(tǒng)設計咨詢有限公司，西安 710000；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學，黑龍江 大慶 163319）

0 引言

光伏發(fā)電技術是達成我國“碳中和”目標的關鍵技術之一，部分光伏發(fā)電站建設項目位于東北北部高緯度低海拔的季節(jié)性凍土區(qū)，該地區(qū)土壤凍深可達2～3m。土質不同、水位不同時土體凍脹變形量差異較大，年凍脹量在幾厘米到幾十厘米，產(chǎn)生很大的凍拔力，對于自重輕的無法抵消凍拔力的光伏支架、路燈桿等基礎凍脹破壞風險很大［1-3］。

目前國內(nèi)外學者對基礎防凍脹做了大量研究，并提出工程防治措施。孫洪偉等［4］采用切斷切向凍脹應力的方法，于樁身周圍增設次要構件套筒，將樁與周圍凍土層隔開；Wang等［5］通過建立螺旋樁數(shù)值模型模擬基礎凍脹，并與實驗結果進行對比，驗證了螺旋樁防凍脹的有效性；張學禮等［6］以錐管板條裝配式基礎為研究對象，采用室內(nèi)模型試驗測試，分析了地基溫度場、位移場的分布特征以及基礎抗拔承載力與溫度之間的關系。

光伏支架基礎的受力特點是豎向荷載小、凍拔敏感性高，基礎的抗拔性能在設計中起主要控制作用。光伏發(fā)電站項目占地面積廣，基礎數(shù)量大，后期基礎發(fā)生凍拔現(xiàn)象后返修成本較高。季節(jié)性凍土地區(qū)水位較高時，不僅凍脹量大，也給基礎抗凍脹方案施工帶來一定困難。文中基于凍土力學和基礎凍脹原理，對常規(guī)抗凍脹措施在光伏支架基礎上的適用性和可靠性進行了綜述，提出一些新的抗凍拔措施和方法，提高季節(jié)性凍土地區(qū)光伏發(fā)電設備基礎的可靠性和耐久性，為同類項目的基礎抗凍脹設計提供了一定參考。

1 基礎凍拔理論研究

1.1 凍土力學

土是固、液、氣三相介質。而凍土更為復雜，是由固體土顆粒、冰、液態(tài)水和氣體4種基本成分組成的非均質、各向異性的多相復合體。工程上通常把溫度在0℃或以下、含有冰的各種巖石和土壤都稱作凍土。時間域和空間域上，凍土中的水受環(huán)境溫度的波動變化在未凍水和冰之間相互頻繁轉化，每天、每周、每月、每年都有差異，導致凍土的熱物理和力學性質表現(xiàn)出強烈的溫度敏感性和流變性。

我國關于凍土力學的研究起步較晚。新中國成立后，伴隨著青藏鐵路、南疆鐵路以及格爾木至拉薩輸油管道相關寒區(qū)工程的修建，我國才正式開展了一系列的凍土工程研究。60年代由中國科學院組建的國內(nèi)首個專門從事凍土研究的冰川凍土研究所（即中國科學院蘭州冰川凍土研究所）在蘭州成立，并建立了首個室內(nèi)凍土低溫試驗箱，我國關于凍土工程的系統(tǒng)理論研究和模型試驗研究正式開展。隨著近年來大量季節(jié)性凍區(qū)光伏發(fā)電站項目的建設，傳統(tǒng)的基礎抗凍脹措施在成本控制、工藝難度和抗凍脹效果等方面均顯示出不同程度的劣勢和缺陷，給凍土工程理論和應用研究提出了新的挑戰(zhàn)。

1.2 基礎凍脹危害及破壞形式

凍脹現(xiàn)象發(fā)生時，土中的水由于溫度低結冰，發(fā)生相變，由液態(tài)變成固態(tài)，同時體積變大，產(chǎn)生凍脹力?；A受到土凍脹力的影響，凍脹力包括作用于基礎底部的法向凍脹力、作用于基礎側面的水平凍脹力和切向凍脹力。因同一地區(qū)的土壤在土質和含水率等方面也存在差異，不同位置的凍脹量不同，這也造成基礎不同部位受到不規(guī)則的凍脹力，產(chǎn)生不均勻凍拔位移，就有可能發(fā)生剪切破壞和結構失穩(wěn)等危害。在強凍脹地區(qū)，傳統(tǒng)直線型樁基的抗拔承載力通常要小于上部的凍拔力，因此凍土地區(qū)的樁基工程常會出現(xiàn)向上的凍拔位移，若樁身抗拉強度較低且錨固長度較大時，樁基甚至會出現(xiàn)凍拔破壞。

一般建筑樁基礎由底部的基樁和上部的承臺組成，這種構造上部自重荷載很大，超過凍土的凍拔力，而且樁基礎的主要承載范圍在地面以下較深處，具有較大的抗拔錨固力，可有效地減少因地表季節(jié)性凍土層帶來的影響。但出于成本控制、土地利用和環(huán)境保護等原因，光伏支架基礎難以采用這種“基樁+承臺”構造，此外光伏支架自重輕也對基礎抗凍拔非常不利。在凍區(qū)環(huán)境下，凍結深度較大時，更容易產(chǎn)生凍拔位移。因此對于凍脹地區(qū)的光伏支架基礎工程，需要在基礎選型和設計上進行更深入的分析和研究。

樁基礎受到土體凍脹力而破壞的形式主要有以下3種：

（1） 樁身拉斷。樁身設計時候重點關注抗壓承載力，通常不考慮樁身自身抗拉力。然而，在季節(jié)性凍土地區(qū)樁基礎受到包括切向和法向的凍脹力作用，同時樁身下部未凍土對樁基礎具有錨固力，在這些力共同作用下，凍深范圍內(nèi)樁身局部將產(chǎn)生豎向拉應力，當拉應力較大或樁基礎存在缺陷時可能使樁身局部拉斷或出現(xiàn)橫向裂縫。

（2） 樁身傾斜。當樁基礎位于非平地等特殊地形上并發(fā)生凍脹現(xiàn)象時，樁基礎同時受到切向凍脹力和非對稱的水平凍脹力作用，容易造成樁身傾斜。由于大多數(shù)樁基礎的設計主要考慮承受垂直豎向荷載的情況，因此樁身傾斜會造成承載力降低，甚至可能導致上部結構的失穩(wěn)破壞后果。

（3） 樁身凍拔。在季節(jié)性凍土地區(qū)，土層凍深隨著大氣溫度的降低而不斷增加，切向凍脹力也不斷增長，當切向凍脹力大于樁基礎自重、上部荷載和下部未凍土錨固作用的合力時，樁基礎將會相對周圍土體產(chǎn)生向上的位移。

因此在季節(jié)性凍土地區(qū)的樁基礎設計中，樁基穩(wěn)定性要滿足規(guī)范要求，同時樁身強度也要達到規(guī)范的要求。

2 抗凍脹措施

凍脹發(fā)生原理：當土體處于負溫環(huán)境時，孔隙中部分水分凍結成冰導致土體原有的熱平衡和力學平衡被打破，土中各相成分的受力狀態(tài)發(fā)生變化，土骨架受拉分離，隨著土體體積逐漸增大，發(fā)生凍脹。凍脹的產(chǎn)生要同時具備土質、溫度、水3個因素的作用。因此，只要消除這3個因素之一，就能達到防治凍脹的目的。工程中的防凍脹措施總體可以分為兩個方面，一方面是地基土的改良；另一方面是基礎和結構物抗凍脹。

2.1 地基土的改良

2.1.1 地基土加固

強夯加固地基土的凍脹防治方法在工業(yè)民用建筑、大型油氣儲藏罐、道路等工程項目中應用廣泛。這種方法的原理是：強夯法防治凍害就是立足于改變土顆粒間的接觸條件。第一，土壤密實度增加，土體積壓縮，土中空隙變小，加固土層中形成了含水的不透水層，由于強夯作用，孔隙比變小且流通性不好，在凍結期，凍結鋒面以下的水及地下水很難向凍結鋒面遷移，阻止了對正凍土中的水分補給；第二，土壤含水量降低，即初始含水量減少，在凍結期，有效凍深中形成的冰晶數(shù)量相應的比未被強夯的土體中少，相應的凍脹量也較??；第三，地下水位降低，可以有效地減少水分向凍結緣遷移。

王思銀等［7］以嚴寒地區(qū)某改造工程為例，采用強夯法消除了凍脹土層中水的外給條件，降低了土的凍脹性。唐曉波［8］以某建筑地基的強夯加固施工為例，研究了強夯加固的效果，發(fā)現(xiàn)在春融期強夯處理凍脹土地基可提高地基土承載力，并減小或消除地基土凍脹性。

因此，強夯土加固的方法效果顯著，適用范圍廣、設備簡單，相對來說施工費用也較低，對于一些較小規(guī)模的光伏發(fā)電站建設項目來說具備一定的適用性。但多數(shù)光伏發(fā)電站建設項目的占地范圍廣、樁基數(shù)量巨大，且地質條件復雜，經(jīng)常遇到水位較高的情況，該方案的成本是難以接受的，適用性也不如建筑工程。

2.1.2 置換法

因此，按照凍脹性從強到弱排序依次是粉性土、粘性土和砂礫土。置換法的原理是將凍深范圍內(nèi)粉粒含量高的土開挖換填為土粒較粗的砂礫石，以降低與基礎接觸土體的凍脹性。置換法主要利用了粗顆粒土的以下特性：飽和粗粒土在凍結時，水分向凍結鋒面相反方向遷移（排水），因此避免了較強的水凝凍脹；非飽和粗粒土在凍結時，水分雖然向凍結鋒面遷移，但相較于其它的土遷移量小的多。蘇群［9］論述了“置換法”對減少我國道路凍害的重要作用。

“置換法”可靠性較高，但同樣的，對于光伏發(fā)電站建設工程來說，該類項目的地理區(qū)位一般位于偏僻且人煙稀少的荒漠、山區(qū)和鹽堿地區(qū)，優(yōu)質的置換材料難以被穩(wěn)定廉價地獲取，且大規(guī)模開挖和回填將加長建設周期，增大建設成本，延長投資回收周期，以目前光伏板所能達到的使用效率，需要盡量避免承擔該項損失。

2.2 加長基礎埋深

為了抵抗光伏支架基礎凍拔力，一些結構設計方面的工程師參考基礎設計規(guī)范，凍土層范圍內(nèi)只有凍拔力，沒有抗凍拔力?？箖霭瘟χ荒芤揽績鐾翆右韵禄A的側摩阻力來實現(xiàn)?；A越深側摩阻力越大，抗凍拔承載力越大，越有利。

因此工程師常用加長基礎埋深等方法來滿足抗凍拔要求，如果是PHC樁，可直接用加長樁長等計算方法來達到此目的。作者選取季節(jié)性凍土地區(qū)—黑龍江省大慶市大同區(qū)某光伏電站設計實例，凍土深度2m，水位較高。光伏支架采用300mm直徑的PHC樁，原樁長5.5m，地下4.2m。用有限元建模驗算，PHC樁每年凍拔量約8.2mm。當樁長每加長1m，年凍拔量約減少1.4mm；樁長總增加6m可以徹底消除凍拔。但是，樁長將達到12m左右?？梢娺@種做法，也會直接增加基礎成本，不經(jīng)濟，也會給施工帶來困難。

這種方法對于設計和施工技術來說非常簡單，也有價值，可以適當增加樁長，消除部分凍拔影響，對于光伏支架結構安全也是有力的。

2.3 基礎外側添加柔性材料抗凍脹

2.3.1 保溫法

保溫法是指在建筑物底部及四周設置隔熱層，增大熱阻，以延緩天然地基土的凍結，提高土中溫度，減少凍結深度，進而起到防止凍脹的作用，目前采用的材料如爐渣泡沫混凝土，聚苯乙稀泡沫板等。張豐帆［10］在隧道工程柔性EPS保溫法抗凍脹，效果良好。

保溫法應用于樁基附近可以延緩土壤凍結，減小凍深，從而減輕凍脹危害。這種方案在目前的光伏發(fā)電站建設項目中多有改進和嘗試，在遼寧鐵嶺某光伏發(fā)電站建設項目中，在PHC管樁150mm范圍內(nèi)使用擠塑聚苯板插入凍深內(nèi)，在多年使用期內(nèi)暫未觀測到較強凍害發(fā)生。這種方法在水位較低、樁基引孔施工情況下具備一定可行性。

一杭有兩大人生理想，一是當個有成就的作家，一是好好對母親盡孝道?？墒?，這么多年，他始終在文學殿堂的外圍兜圈子，好不容易靠改編童話過上穩(wěn)定日子，卻沒余力把母親接到成都去。以前，他安慰自己，既然是人生理想，就是一生的追求目標，不是三兩年能實現(xiàn)的。沒有實現(xiàn)它，某種意義上說也算一種幸運，表示還有奮斗目標，而奮斗過程，就是享受過程，是通往幸福的過程。但是，母親卻沒有等到那一天！

2.3.2 弱化凍土與基礎間的相互作用

弱化土與基礎間的相互作用主要有兩種方式，第一是增加上部結構的重量，這在光伏發(fā)電站建設項目中完全不可行；第二是減小凍土與基礎間的摩擦力，多采用涂敷法：在建筑物基礎周圍涂敷渣油、瀝青、凡士林等工業(yè)產(chǎn)品；也可采用套管法，如在樁身外套PE套管等。

針對黑龍江省大慶市某光伏發(fā)電站建設項目，對涂敷法建立了有限元數(shù)值模型，數(shù)值模擬結果顯示，樁身瀝青涂層可削弱凍土與樁的相互作用，考慮瀝青涂層的耐久性并假設25年使用期內(nèi)凍深不變，如圖1所示，涂刷5mm瀝青涂層時樁身累計凍拔量約87.2mm，相對無瀝青涂層時降低了40%；涂刷10mm時累計凍拔量約2.6mm，降低了98%；15mm以上厚度的瀝青涂層可以完全消除樁身的凍拔現(xiàn)象。

圖1 涂刷瀝青后的樁基凍拔量變化

PE套管在工程中應用的主要目的隔離樁身與凍土，減小樁土間的相互作用。PE屬于粘彈性材料，同時具有彈性與粘性特點，這種特性導致了蠕變和應力松弛現(xiàn)象。當承受荷載時，PE材料發(fā)生變形，隨著受荷時間的延續(xù)，形變比率降低。

在黑龍江省大慶市某光伏發(fā)電站建設項目中對PHC管樁使用了外套PE管的抗凍脹措施，使用有限元模型預測其抗凍脹效果，如圖2模擬結果表明，當套管與樁間無填充時樁身年凍拔量約3.1mm，相對未采取措施減少了62.2%；當PE套管與樁身間填充飽和粉質粘土時，套管的隔離效果減弱，未顯示出明顯的抗凍脹效果。

圖2 樁-套管-土凍脹效應豎向位移

對于涂敷法，瀝青材料成本相對較低，但現(xiàn)場施工時需要加熱，涂刷厚度要求偏高，工藝上難以達到規(guī)范；若該道工序在樁基生產(chǎn)廠家進行，則需要考慮樁基運輸和吊裝過程對瀝青涂層的損耗。因此涂敷法對建設單位現(xiàn)場管理水平有較高要求。對于套管法，其成本低且工藝簡單，但需要防止套管內(nèi)積水影響抗凍脹效果，當套管直徑過大時還需考慮套管環(huán)剛度是否能抵御冰壓。

2.3.3 強化非凍土與基礎間的相互作用

強化非動土與基礎間的相互作用主要是兩個思路，一個是樁身加長，另一個是改變樁身構造。樁身加長是傳統(tǒng)做法，這種做法在樁數(shù)較少時才具備成本上的可行性，但在光伏發(fā)電站建設項目中，樁基數(shù)量巨大，任何樁身的加長都意味著成本大量增加，應盡量避免。另一個思路是改變樁身構造，其中鋼管螺旋樁因施工方便、成本低廉和抗拔性能優(yōu)秀而受到關注。

王達麟等［11］基于螺旋鋼樁現(xiàn)場抗拔試驗，推算各類樁型的平均極限承載力，分析樁長、葉片數(shù)量、葉片間距、首層葉片埋深、葉片直徑等參數(shù)對螺旋鋼樁極限抗拔承載力的影響，試驗結果表明，螺旋鋼樁的抗拔承載力與樁長和葉片直徑正相關。王騰飛等［12］建立了螺旋樁凍脹的熱-結構耦合模型，并通過了室內(nèi)試驗驗證，結果表明螺旋樁不同螺旋葉片構造均具有優(yōu)越的抗凍脹性能。

鋼管螺旋樁目前在光伏發(fā)電站建設項目中的應用仍處于起步階段，這種樁型在成本、施工方法和抗拔性能方面具有優(yōu)勢。但抗腐蝕能力較弱，需要考慮土壤腐蝕性的影響。

2.4 采用斜面基礎

斜面基礎是一種截面上小下大錐形基礎，如圖3所示。斜面基礎穩(wěn)定的原因不是由于切向凍脹力被下部擴大部分給錨?。欢怯捎谠趦A斜表面上出現(xiàn)拉力分量與冷縮分量疊加之后的開裂切向凍脹力退出工作所造成。

圖3 基礎示意圖

根據(jù)對已有建設項目的長期觀測及研究，斜面基礎對于切向凍脹力具有良好的耐受性，相對傳統(tǒng)的基礎凍脹防治措施和構造具有以下特點：

（1） 耐久性。在季節(jié)性凍區(qū)的反復凍融作用下具有較好的防凍脹融沉效果。

（2） 適用性。無論在地下水位之上還是以下，均顯示出較強的適用性。

（3） 可行性。無需其他凍脹防治措施和后續(xù)維修即可具有良好的抗凍脹效果。

（4） 可靠性。設計中認為其傾斜角大于等于9°時，即可避免切向凍脹力作用導致的凍害事故。

張圣金和張靜波［13］針對某變電站工程，提出采用預制斜面基礎，減小地基土的凍脹作用對建筑物產(chǎn)生的影響，效果良好。相比于常規(guī)現(xiàn)澆混凝土基礎，優(yōu)越性比較明顯。在實際工程應用中安裝周期短，不受氣候條件影響；工廠預制，現(xiàn)場組裝，減少現(xiàn)場濕作業(yè)；基礎作業(yè)面小，減少現(xiàn)場土方開挖量，環(huán)保且綜合造價低。在嚴寒地區(qū)使用，其優(yōu)勢更加明顯。

3 結語

文中對季節(jié)性凍區(qū)光伏發(fā)電站基礎的凍脹危害和凍脹防治措施進行了綜述，分類討論了多種基礎防凍脹措施在光伏發(fā)電站建設項目中的適用性和可行性，得出了以下結論：

（1） 因受限于成本，傳統(tǒng)的凍脹防治方案，如強夯法、置換法和樁身加長法在光伏發(fā)電站建設項目中可行性較差?？缮倭渴褂?，如凍土層范圍內(nèi)的PHC樁周100～200mm范圍內(nèi)換填中粗砂；適當加長樁身長度。

（2） 保溫法、涂敷法、套管法和鋼管螺旋樁構造方法在光伏發(fā)電站建設項目中具備一定的可行性。其中，保溫法、套管法在樁基礎引孔施工時具備工藝上的可行性；涂敷法在解決樁基生產(chǎn)、運輸和吊裝問題后將解決施工工藝難度過高的問題；鋼管螺旋樁構造方法在土壤腐蝕性較弱的情況下具有成本低、施工簡單、抗凍脹效果可靠的優(yōu)勢。