CN110344429B - 一种季节冻土区太阳能光伏支架基础及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型季节冻土区太阳能光伏支架基础及设计方法，该新型支架基础采用壁厚为4mm的冷弯薄壁开口钢桩，桩身断面设计为“几”形截面。通过静力压桩机直接压入地层，通过侧摩阻力的发挥实现承载能力。季冻区冻结深度以上的支架基础表面进行抛光处理，减小表面粗糙度值，同时增加冻结深度以下的基础表面的粗糙度。其优点在于尽可能减小土体冻胀的影响和提高支架基础承载力。另外，为了减小地下水腐蚀影响，钢桩基础表面需进行防腐处理，确保新型支架基础的承载性能和使用寿命。该基础桩施工工序简单，具有一定的承载特性，并能避免传统支架铺设对减少对原状土和植被破坏，是一种很有发展前景的新型光伏支架基础。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程建设中的桩基施工技术领域，具体涉及一种季节冻土区太阳能光伏支架基础，尤其是一种新型季冻区压入式薄壁开口钢桩及设计方法。
背景技术
光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。我国拥有丰富的太阳能资源,太阳能利用前景广阔，具有光伏发电大规模发展的资源潜力和市场前景。太阳能光伏支架，是太阳能光伏发电系统中为了摆放、安装、固定太阳能面板设计的特殊的支架。
鉴于我国光资源丰富的区域和冻土区域有着广泛的重叠，很多的太阳能光伏发电工程区存在季节性冻土。在季节冻土区，由于光伏板自重及所有其他荷载较小,易受到桩基础的差异冻拔而降低发电效率,甚至引起其断裂破坏。目前，冻土地区太阳能光伏支架基础类型主要有预制桩基础、钻孔灌注桩基础、独立基础，钢螺旋桩基础等类型。已有的基础形式或产生对地表的破坏和土体的扰动，或存在桩基冻拔问题，或不能兼顾其成本和经济效应，缺少适用于季节冻土区的经济合理的太阳能光伏支架基础结构类型。
发明内容
发明目的：本发明是要提供一种简单可行的季节冻土区太阳能光伏支架基础设计方法，在保证环保效益和经济效益的同时，确保桩基的抗冻拔稳定和承载能力。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种季节冻土区太阳能光伏支架基础，是一断面为“几”字形的对称结构的薄壁开口钢桩，所述钢桩断面由上至下依次由顶部水平段、垂直段、折弯段及底部水平段组成，所述折弯段及底部水平段向外弯折延伸；所述钢桩通过静力压桩机垂直压入地层，穿过季冻区活动层至融土层中固定，将钢桩由上至下相应分为地表段、季冻区活动层段及融土层段；相邻钢桩采用槽钢将各地表段连接成整体。
进一步的，所述钢桩由钢板或带钢在冷状态下弯曲形成一体式结构。
进一步的，所述钢桩截面上部水平段的宽度50-100mm，下部水平段的宽度为30-60mm，下部的折弯段的折弯角角度100-110°。
进一步的，所述钢桩壁厚为3-5mm，长度为1.5～6m，高度为90-110mm。
进一步的，所述钢桩相邻间距为2.5～3m。
进一步的，所述钢桩的季冻区活动层的厚度H2即为场地的最大冻结深度，融土层段的长度H3为场地的最大冻结深度的1-1.5倍；地表段的长度H1为300-500mm。
进一步的，所述钢桩整体表面进行防腐处理，季冻区活动层段表面进行抛光处理，融土层段表面进行喷砂处理。
具体步骤如下：
a、根据试验场地的实测气温和冻深资料，确定场地的最大冻结深度，一般采用场地实测(不少于十年)最大冻深的平均值，没有实测资料参照《建筑地基基础设计规范》。
b、根据步骤a所确定的最大冻结深度，设计支架基础长度，并确定钢桩支架基础压入深度。支架基础采用“几”形截面的薄壁开口钢桩。
c、结合步骤b的设计长度和压入深度，对钢桩支架基础表面分段处理，冻深以上至地表段,对支架基础表面进行抛光以减小其表面粗糙度值。冻深以下至桩底，对支架基础表面进行喷砂处理增加表面的粗糙度。
d、对经过分段处理后的钢桩支架基础表面涂防锈漆或其他防腐涂料进一步的防腐蚀处理。
e、通过静力压桩施工，将薄壁开口钢桩支架基础压入地层指定深度，保证基础的垂直度。
更进一步的，对相邻的支架基础之间采用20号槽钢连接成整体,进一步增加支架基础抗冻胀能力。
有益效果：采用上述方案，通过直接压入基础支架的方法，可以避免传统支架铺设对减少对原状土和植被破坏。通过增加桩土间接触面积保证基础承载力，同时可以减少建筑物受季节活动层的影响。该方法施工方便，建造成本低，是一种绿色环保的施工技术，是目前适用于季节冻土区的经济合理的太阳能光伏支架基础结构类型，有较大的应用前景。
附图说明
图1为季节冻土区压入式薄壁开口钢桩段面图(单位：mm)；
图2为季节冻土区压入式薄壁开口钢桩整体结构示意图；
图3为季节冻土区太阳能光伏支架基础断面图；
图4为季节冻土区太阳能光伏支架基础接连示意图；
其中，1-支架基础负载，2-薄壁开口钢桩支架基础，3-季冻区活动层，4-融土层，5-需进行抛光处理钢桩段，6-需进行喷砂处理钢桩段。
注：H_钢桩长度；H1_钢桩露出地表段长度；H2_钢桩穿过的活动层厚度；H3_钢桩位于融土段长度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
该新型支架基础采用壁厚为4mm的冷弯薄壁开口钢桩。为了增加薄壁开口钢桩桩身结构与周围土体的接触面积,进一步提高了桩侧摩阻力,桩身断面设计为“几”形截面。考虑到桩土接触面力学特性，桩土间冻结强度与桩侧表面粗糙程度的相关特性，对支架基础侧面需进行分段处理。季冻区冻结深度以上的支架基础表面进行抛光处理，减小表面粗糙度值，同时增加冻结深度以下的基础表面的粗糙度。同时，为了减小地下水腐蚀影响，钢桩基础表面需进行防腐处理，确保新型支架基础的承载性能和使用寿命。改支架基础通过静力压桩机直接压入地层至指定深度，施工方便，建造成本低，避免传统支架铺设对减少对原状土和植被破坏。基础承载力主要由冻深以下基础的侧面摩阻力提供，同时可以减少建筑物受季节活动层的影响。
图1为季节冻土区压太阳能光伏支架基础段面图，该基础采用薄壁开口钢桩，厚度3-5mm，断面设计尺寸可以参考图中标注尺寸。基础支架长度根据当地最大冻深决定，根据我国季冻区的冻深平均值，基础支架长度应分布在1.5～6米，图2标注为一般尺寸。所述钢桩截面上部水平段的宽度70mm，下部水平段的宽度为36mm，下部的折弯段的折弯角角度108°。
图3为季节冻土区太阳能光伏支架基础剖面图，该光伏支架基础采用薄壁开口钢桩2，通过静力压桩设备压入地层。薄壁开口钢桩2需穿过季冻区活动层3并深入下伏融土层4，桩身需压入融土层4中一定深度。桩身压入融土层的深度H3应该满足1～1.5倍的活动层厚度H2，(根据场地的冻胀敏感性等级确定，活动层为冻胀敏感性土的情况取1.5倍)。钢桩露出地表段长度H1一般在300-500mm之间，根据当地的海拔高度，平均风速和最大风速等因素确定。桩身总长度H即为H1，H2和H3的长度值和。考虑到光伏支架基础不同段的接触特性，对支架基础侧面需分段进行处理。
季节冻土区中太阳能光伏支架基础，其具体施工由以下几个详细步骤实现：
a、根据试验场地的实测气温和冻深资料，确定场地的最大冻结深度，一般采用场地实测(不少于十年)最大冻深的平均值，没有实测资料参照《建筑地基基础设计规范》。
b、根据步骤a所确定的最大冻结深度，设计支架基础长度，并确定钢桩支架基础压入深度。支架基础采用“几”形截面的薄壁开口钢桩。
c、结合步骤b的设计长度和压入深度，对钢桩支架基础表面分段处理，冻深以上至地表段,对支架基础表面进行抛光以减小其表面粗糙度值。冻深以下至桩底，对支架基础表面进行喷砂处理增加表面的粗糙度。
d、对经过分段处理后的钢桩支架基础表面涂防锈漆或其他防腐涂料进一步的防腐蚀处理。
e、通过静力压桩施工，将薄壁开口钢桩支架基础压入地层指定深度，保证基础的垂直度。
e、更进一步的，钢桩相邻间距为2.5～3m，对相邻的支架基础之间采用20号槽钢连接成整体,进一步增加支架基础抗冻胀能力，如图4所示。
以东北某地区的光伏电站基础为例，该地区标准冻结深度为2.00m，季节冻土层内主要是冻胀敏感的粉质黏土层。应用该支架基础形式，相应的H2取值为2.0m，H3取值为3.0m，H1取值为0.3m，基础支架总长度H为5.3m。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种季节冻土区太阳能光伏支架基础，其特征在于：是一断面为“几”字形的对称结构的薄壁开口钢桩，所述钢桩断面由上至下依次由顶部水平段、垂直段、折弯段及底部水平段组成，所述折弯段及底部水平段向外弯折延伸；所述钢桩通过静力压桩机垂直压入地层，穿过季冻区活动层至融土层中固定，将钢桩由上至下相应分为地表段、季冻区活动层段及融土层段；相邻钢桩采用槽钢将各地表段连接成整体；
该季节冻土区太阳能光伏支架基础的设计方法，具体施工步骤如下：
a、根据试验场地的实测气温和冻深资料，确定场地的最大冻结深度；
b、依据当地的最大冻结深度，设计薄壁开口钢桩长度，进一步确定钢桩支架基础压入深度；
c、对钢桩支架基础表面分段处理：冻深以上至地表段，对钢桩支架基础表面进行抛光以减小其表面粗糙度值；冻深以下至桩底，钢桩支架基础表面进行喷砂处理增加表面的粗糙度；
d、对钢桩支架基础表面涂防锈漆或其他防腐涂料进行防腐蚀处理；
e、通过静力压桩施工，将薄壁开口钢桩支架基础压入地层指定深度；
f、相邻钢桩之间采用20号槽钢连接成整体，进一步增加支架基础抗冻胀能力。
2.根据权利要求1所述的季节冻土区太阳能光伏支架基础，其特征在于：所述钢桩由钢板在冷状态下弯曲形成一体式结构。
3.根据权利要求1所述的季节冻土区太阳能光伏支架基础，其特征在于：所述钢桩截面上部水平段的宽度50-100mm，下部水平段的宽度为30-60mm，下部的折弯段的折弯角角度100-110°。
4.根据权利要求1所述的季节冻土区太阳能光伏支架基础，其特征在于：所述钢桩壁厚为3-5mm，长度为1.5～6m，高度为90-110mm。
5.根据权利要求1所述的季节冻土区太阳能光伏支架基础，其特征在于：所述钢桩相邻间距为2.5～3m。
6.根据权利要求1所述的季节冻土区太阳能光伏支架基础，其特征在于：所述钢桩的季冻区活动层段的厚度H2即为场地的最大冻结深度，融土层段的长度H3为场地的最大冻结深度的1-1.5倍；地表段的长度H1为300-500mm。
7.根据权利要求1所述的季节冻土区太阳能光伏支架基础，其特征在于：所述钢桩整体表面进行防腐处理，季冻区活动层段表面进行抛光处理，融土层段表面进行喷砂处理。
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