地面光伏电站管桩基础极限承载力的模拟计算

中国建筑设计咨询有限公司光伏事业部 ■ 黄小东 姜涛 梁宝建 王鹏 张超 牛斌

0 引言

近年来，随着国内煤炭价格的不断高涨和环境需求的增加，太阳能开发的热潮随即涌现。2009年以来，国内多座10 MW级光伏地面电站陆续投产运行。光伏阵列支架的基础是保证光伏电站安全、正常运行的重要组成部分，支架基础需具备一定的强度和刚度，满足承载力与变形的要求。管桩则具有诸多优越性[1]：1) 承载力高，对于松散土层，由于挤土效应可使承载力提高，对于可液化土层，还可降低液化等级；2) 桩身质量易于保证和控制，且不受地下水位的影响；3)桩身混凝土密度大，非接头部位抗腐蚀性强[2]；4) 成桩速度快，适用于地面光伏电站的大面积施工；5) 施工时无噪音、无污染，使得地面电站工期缩短。

本文以中国建筑设计咨询有限公司光伏事业部的某地面光伏电站项目[3]为基础，采用有限元技术对电站管桩基础的变形和承载力情况进行精确的分析，为光伏地面电站设计提供技术指导。

1 管桩基础结构

管桩基础的光伏地面电站结构如图1所示。管桩打入土体内部，支撑光伏板的支架与管桩相连，抵抗光伏板所承受的风荷载最终由管桩承担；同时管桩顶部也会产生一定变形。当管桩顶部水平位移为10 mm时，桩顶反力即为管桩基础的极限承载力。

图1 光伏地面电站管桩基础结构示意图

2 有限元模型

本文所分析的光伏地面电站管桩基础局部结构如图2所示，基础与土体相互作用的有限元分析模型如图3所示。管桩总长为4.5 m，入土深度为1.2 m，管桩外径为300 mm，内径为160 mm。

图2 管桩基础局部结构

图3 有限元模型

网格划分全部采用八节点六面体实体非协调单元，为保证计算精度，由外部向管桩–土体接触部位逐渐加密，加密系数为1.2，单元总数为1.8万。

桩基础周围土体采用Drucker-Prager屈服准则，D-P准则广泛应用于岩土类材料。p-q平面上的屈服函数为双曲型，表达式见式(1)，其曲线如图4所示。

图4 p-q平面上屈服函数

根据项目场地地勘报告中的《物理力学指标统计表》，土体材料分为耕植土和粉质粘土两层。定义由粘聚力控制屈服和硬化，粉质粘土层粘聚力取值24 kPa，内摩擦角取值20°，膨胀角取值 20°。

在管桩外表面及底面与周围土体建立接触关系。管桩与周围土层除接触关系外，无其他连接属性，采用接触非线性模型考虑管桩与周围土层的共同作用，用以模拟实际工况下的接触状态(滑移、静接触、分离等)、接触压力等响应。管桩–土体接触如图5所示。

图5 管桩－土体接触示意图

在桩顶施加水平位移10 mm，分析桩顶能承受的最大水平力，即为管桩基础极限承载力。

3 结果及分析

使用有限元软件ABAQUS求解，计算得到桩顶施加10 mm位移后，土体未产生塑性应变。桩顶反力总值7.95 kN，大于上部结构传递给管桩的水平力5.140 kN，故土体水平承载力能满足要求。

考虑最不利状况下的水平承载力。在地面光伏电站中，当风载荷较大时，光伏板不仅承受水平力，还会受到垂直地面向上的“掀起力”；当电站风速超过一定值时，竖向力比水平力大。因此，在桩顶同时施加上部结构传递的竖向力和水平力，其中竖向力为14.340 kN，水平力为5.140 kN。得到管桩对土体的接触压力云图如图6所示。

图6 管桩－土体接触压力云图

由图6可得，管桩对土体的最大接触压力出现在桩端土层，为130.9 kPa，小于粉质粘土层的承载力特征值174 kPa，更远小于粉质粘土层的端阻标准值1000 kPa，因此管桩是安全的。管桩侧面接触压力如图7所示。

图7 管桩侧面接触压力云图

为保证计算的正确性，同时通过有限元软件ANSYS进行计算校核，有限元模型及土体材料参数同上。得到的位移云图如图8所示，其中为显示清晰，将模型沿对称面剖分。

由图8及ANSYS计算可得，当桩顶施加10 mm位移后，土体未产生塑性应变。桩顶反力总值8.11 kN，与ABAQUS计算结果相对误差小于2%；桩顶反力大于上部结构传递给管桩的水平力5.140 kN，说明土体水平承载力能满足要求。

图8 管桩-土体作用位移云图(单位：mm)

4 结论

本文采用有限元方法对光伏地面电站管桩基础极限承载力进行了模拟计算，计算表明：

1)桩顶施加极限许可位移后，土体未产生塑性应变。桩顶反力总值大于上部结构传递给管桩的水平力，故土体水平承载力能满足要求。

2)考虑竖向力比水平力大时的最不利情况可得，管桩对土体的最大接触压力出现在桩端土层，小于粉质粘土层的承载力特征值，因此管桩是安全的。

3)光伏地面电站管桩–土体接触作用分析时，应根据实际结构形式及当地土质等特点，对管桩–土体接触做单独处理，才能对管桩基础极限承载力做出准确判断，为后续的设计和改进提供依据。

[1]黄发安. 桩基沉降分析与计算[D]. 成都: 西南交通大学,2006.

[2]刘争宏, 郑建国, 张继文, 等. 湿陷性黄土地区桥梁桩基工后沉降计算方法研究[J]. 岩土工程学报，2014, 36(2): 320－326.

[3]黄小东, 张超, 牛斌, 等. 一种基于CFD的光伏阵列风荷载预测方法[P].中国: CN104200102A, 2014.