加纳太阳能光伏地面电站螺旋桩承载力试验研究

加纳太阳能光伏地面电站螺旋桩承载力试验研究

蔡冻

中国电建集团江西省电力设计院有限公司  330096

摘要：螺旋桩抗拔力承载试验是确定螺旋桩基础优化参数及工程稳定安全的重要依据。基于加纳太阳能光伏地面电站工程，选取合适试验区域设计进行了螺旋桩单桩竖向抗拔静载荷试验，测试并分析了逐级加载作用下桩顶的变形、残余沉降和回弹率等数据，并对桩的极限承载力进行分析。结果表明：SZ1、SZ2、SZ3桩均加载到30kN，其Q-s曲线各个循环阶段形状较相似，其桩顶上拔量均匀递增，无明显，Q-s曲线为缓变形曲线，都无明显弯曲；SZ1、SZ2、SZ3桩荷载-弹性位移Q-se曲线、荷载-塑形位移Q-sp曲线形状相似，弹性位移及塑性位移量均很小，低于设计变形量；SZ1、SZ2、SZ3桩的单桩竖向抗拔极限承载力均不小于30kN,抗拔极限承载力特征值均不小于15kN。

关键词：螺旋桩；加载试验；变形量、极限承载力

引言

螺旋桩作为一种地下锚固系统，由一根中空钢管和两个螺旋叶片组成，由液压旋转设备进入土层后通过大直径的钢管表面与土壤挤压产生的摩擦力和螺旋片与土壤产生的阻力来承受桩所受的上拔力和压力。螺旋桩抗拔力承载试验是确定螺旋桩基础优化参数及工程稳定安全的重要依据。基于加纳太阳能光伏地面电站工程，选取合适试验区域设计进行了螺旋桩单桩竖向抗拔静载荷试验，测试并分析了逐级加载作用下桩顶的变形、残余沉降和回弹率等数据，并对桩的极限承载力进行分析。对保证太阳能光伏地面站工程基础建设的顺利进行及安全运行具有重要意义。

1 工程概况及岩土工程条件

1.1 光伏电站工程概况

拟建加纳400MWp太阳能光伏地面电站工程位于加纳北部地区Tamale市西南侧约36km，Kusawgu一带，场区距离Yapei市区约7km。本次勘测区域为该工程首期50MWp工程区域，位于整个场区东南角，近似为三角形状，海拔高度约在113-136m之间，区域面积约1.2km2。

本工程光伏电站计划采用单片容量为65Wp非晶硅薄膜电池组，装机容量为50MWp。根据工程性质特点及当地工程经验，光伏板支架基础荷载不大，地基易满足要求，但需承受相对较大的上拔荷载，为满足上拔及下压荷载要求，设计拟在光伏板区支架基础下采用螺旋桩，该桩型具有施工便捷、经济性较强等特点。在初步设计阶段进行工程试桩工作，进行单桩竖向抗拔静载荷试桩，确定是否满足螺旋桩单桩竖向设计极限抗拔承载力值。

1.2 场区岩土工程条件

根据初步设计阶段勘测的钻探资料，出露地层按地质年代从新到老可分为：第①层粉质粘土（Q4al）：褐黄色、灰褐色，可塑，韧性中等，干强度中等，无摇振反应，混约20%细砂，表层混少量植物根系，局部混少量碎石。表层零散分布有块石。第②层角砾土（Q4al）：褐黄色，稍湿，中密，角砾含量约65%，主要成分为火山岩角砾，棱角状，粒径一般为1-2cm，局部大于5cm，主要填充有粉质粘土，呈可-硬塑状，局部混有块石。第③层全风化泥质粉砂岩：灰黄色、灰白色，呈硬塑土状，混约20%细砂，可见原岩构造。第④层强风化泥质粉砂岩：紫红色，强风化，粉粒结构，层理构造，呈碎块状，裂隙较发育，属于软岩。其各土层参数如下表1所示。

表1 各岩土层物理力学指标

2 试桩试验

2.1 试桩试验设计及施工

根据场地条件，本次试桩点选在场区的三个边界附近，如图2所示为试桩点平面位置图。本次抗拔试验共3根试桩，螺旋桩长度为1600mm，外径为76mm，厚度3mm，其中试桩编号分别为SZ1、SZ2、SZ3。

图1试点桩平面布置图 图2螺旋桩示意图

由于工程地理位置位于非洲，且工期紧张，工程现场没有专业的螺旋桩施工机械。为完成此次试验，水电八局工作人员现场改装了300型钻机及相关设备，通过300型钻机作业，将螺旋桩打入设计埋深深度1.2米。现场共进行了3次单桩竖向抗拔静载荷试验。其中SZ1和SZ3均钻入设计埋深深度1.2米，SZ2打入深度为0.9米。其中SZ2试桩遇到块石，由于施工机械为非专业机械，功能单一，损耗严重，改装设备不具备足够的力量将桩旋入1.2米深度。

2.2 试桩抗拔静载试验过程

试验采用支架反力方式，拼装式荷载架。千斤顶施力，千斤顶的压力由精密压力表控制，抗拔桩的上拔变形由百分表进行位移数据测量。本次试验为基本试验，按《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）附录C锚杆试验方法

[3]，并参考《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)[4]，采用循环加、卸荷法，并应符合下列规定：（1）每级荷载施加或卸除完毕后，应立即测读变形量；（2）在每次加、卸荷时间内应测读位移二次，连续二次测读的变形量小于0.1mm时，可施加下一级荷载；（3）加、卸荷等级、测读时间按表2确定。

表3基本试验循环加卸荷等级与位移观测间隔时间

基本试验终止加载条件有三条：（1）某级荷载作用下，桩顶上拔量为前一级荷载作用下的上拔量的5倍；（2）按桩顶上拔量控制，当累计桩顶上拔量超过100mm时；（3）按设计抗拔极限荷载控制，桩顶上拔荷载达到设计抗拔极限荷载30kN。根据设计要求，为达到工程基本试验目的，螺旋桩抗拔最大荷载达到30kN，可满足设计要求。在完成基本试验后，在试验设备极限承载允许条件下，再对螺旋桩进行破坏性试验，以检测螺旋桩单桩抗拔极限承载力，为设计和施工提供指导及建议。

3 螺旋桩试验结果及分析

3.1 加载试验测试结果

SZ1～SZ3试桩在各循环各级荷载作用下对应的上拔量，根据现场原始记录，其荷载-位移Q-s曲线和荷载-弹性位移Q-se曲线及荷载-塑形位移Q-sp曲线分别见图4、5所示。SZ1～SZ3桩在各级荷载作用下桩顶的变形、残余沉降和回弹率见表3。

（a）SZ1                            （b）SZ2

（c）SZ3

图3螺旋桩荷载-位移（Q-s）曲线

（a）SZ1                                       （b）SZ2

（c）SZ3

图4荷载-弹性位移（Q-se）曲线及荷载-塑性位移（Q-sp）曲线

表4 SZ1-SZ3桩竖向抗拔静载荷试验结果

3.2 结果分析与建议

根据上述测试结果分析可知，SZ1、SZ2、SZ3桩均加载到30kN，其Q-s曲线各个循环阶段形状较相似，其桩顶上拔量均匀递增，无明显突变点，Q-s曲线为缓变形曲线，都无明显弯曲。SZ1、SZ2、SZ3桩荷载-弹性位移Q-se曲线、荷载-塑形位移Q-sp曲线形状相似，弹性位移及塑性位移量均很小，低于设计变形量。因此，SZ1、SZ2、SZ3桩的单桩竖向抗拔极限承载力均不小于30kN，抗拔极限承载力特征值均不小于15kN。上述基本试验完成后，均满足设计抗拔极限承载力要求。施工时将螺旋桩加工完成后运送到施工场地，将打桩设备与螺旋桩连接，然后按照初步设计设计打入。在打入过程中，要将桩尖对准点位的中心位置，通过施加一定的扭矩将螺旋桩旋入地下。在旋入过程中，一定要控制好桩体的垂直度，以免叶片对土体反复切割，影响土的承载力。同时需控制旋入速度，匀速旋入。

4 结论

基于加纳太阳能光伏地面电站工程，选取合适试验区域设计进行了螺旋桩单桩竖向抗拔静载荷试验，测试并分析了逐级加载作用下桩顶的变形、残余沉降和回弹率等数据，并对桩的极限承载力进行分析。主要结论如下：

（1）试验结果表明，SZ1、SZ2、SZ3桩均加载到30kN，其Q-s曲线各个循环阶段形状较相似，其桩顶上拔量均匀递增，无明显突变点，Q-s曲线为缓变形曲线，都无明显弯曲。

（2）SZ1、SZ2、SZ3桩荷载-弹性位移Q-se曲线、荷载-塑形位移Q-sp曲线形状相似，弹性位移及塑性位移量均很小，低于设计变形量。因此，SZ1、SZ2、SZ3桩的单桩竖向抗拔极限承载力均不小于30Kn，抗拔极限承载力特征值均不小于15kN。

（3）采用螺旋桩则施工前应进行试成孔，确定施工工艺及参数，及需采取相应的施工措施。施工时，螺旋桩旋入原状土的深度必须满足设计要求。

参考文献

[1]杨晓丽,马宏伟,袁松,何青睿.螺旋桩抗拔承载力及影响因素的研究现状分析[J].山西建筑,2022,48(02):96-98.

[2]王健,邱成,曹伟,吴漫.基于承压试验的粘土地基螺旋桩承载力计算方法探讨[J].特种结构,2017,34(05):65-70.

[3]刘卓.某商城大直径长螺旋钻孔压灌桩试验桩检测[J].江西建材,2015(09):293-294.