摘 要：

【目的】灘涂光伏電站的建設(shè)處于起步階段，光伏陣列樁基在土建工程中占比很大，對投資有顯著影響，目前承載力設(shè)計計算主要借鑒建筑行業(yè)規(guī)范，其適用性值得探討。為改進(jìn)灘涂光伏樁基設(shè)計計算方法，探索有限元方法對此的適用性，【方法】以既有灘涂光伏樁基設(shè)計方案為例，依據(jù)行業(yè)規(guī)范方法進(jìn)行豎向、抗拔、水平承載工況復(fù)核計算，同時使用有限元超載法和強(qiáng)度折減法進(jìn)行計算和分析。【結(jié)果】分析及對比結(jié)果顯示：兩類方法所依據(jù)的力學(xué)機(jī)理基本相同，計算得出的承載力規(guī)律一致，安全系數(shù)值接近，沉降值接近；豎向承載和抗拔工況，有限元法得出的安全系數(shù)略大于規(guī)范方法；水平承載工況，有限元法得出的安全系數(shù)略小于規(guī)范方法；對于灘涂光伏陣列樁基而言，豎向承載力安全系數(shù)最低，是承載力設(shè)計的控制工況；抗拔承載安全系數(shù)最高，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求值，不是控制性工況；水平承載安全系數(shù)居中，有較充足的安全裕度，該工況容易滿足要求?！窘Y(jié)論】結(jié)果表明：有限元法計算能夠生動展示樁基及支架的空間、過程和細(xì)部力學(xué)響應(yīng)，有利于指導(dǎo)和改進(jìn)設(shè)計，對灘涂光伏陣列樁基設(shè)計有良好的適用性；有限元法用于樁基承載力計算應(yīng)優(yōu)先使用超載法；灘涂光伏陣列樁基的承載特點(diǎn)和工作環(huán)境與建筑樁基不同，目前規(guī)范規(guī)定的豎向承載力安全系數(shù)偏保守，應(yīng)適當(dāng)放寬，對設(shè)計理論創(chuàng)新做出嘗試，并合理地控制工程投資。

關(guān)鍵詞：

灘涂光伏;樁基礎(chǔ);承載力;有限元法;數(shù)值模擬;力學(xué)性能;新能源;變形;

作者簡介：

閆俊義(1974—),男，正高級工程師，博士，研究方向為風(fēng)電、光伏、水電工程新技術(shù)等。

*崔煒(1979—),男，正高級工程師，博士，研究方向為復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)值分析、新能源技術(shù)等。

基金：

中國三峽新能源(集團(tuán))股份有限公司科研項目(【2021】621號);

流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實驗室重點(diǎn)項目(HTGE0146B012022SS221);

國家自然科學(xué)基金項目(52379084);

引用：

閆俊義，劉毅，劉立珍，等． 有限元法作為灘涂光伏陣列樁基設(shè)計計算方法的適用性研究［J］. 水利水電技術(shù)( 中英文) ，2024， 55(3) : 1-10.

YAN Junyi，LIU Yi，LIU Lizhen，et al． Study on the applicability of finite element method as the design calculation method of photovoltaic array pile foundation in mudflat［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2024，55( 3) : 1-10.

0 引 言

當(dāng)代社會在煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的支撐下快速發(fā)展，然而，傳統(tǒng)能源的利用給人類社會也帶來諸多環(huán)境問題。推進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”是我國政府的重大戰(zhàn)略決策，既是對國際社會的莊嚴(yán)承諾，也是推動高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求。經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展離不開能源的支撐，在“雙碳”政策推動下，我國風(fēng)電、太陽能等可再生能源產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展。光伏發(fā)電極少對自然環(huán)境造成污染的優(yōu)勢，以及太陽能儲備豐富且分布廣泛的特點(diǎn)，成為新能源發(fā)電的主要方式之一，擁有廣闊的發(fā)展前景。近年來，光伏產(chǎn)業(yè)作為我國新能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分逐步走向成熟且快速增長，光伏制造業(yè)、光伏發(fā)電裝機(jī)量、光伏發(fā)電量均位于世界前列。

沿海灘涂地區(qū)開發(fā)光伏電站，可有效利用土地資源、就地消納電能，但灘涂場地具有地基承載力低、潮汐漲落頻繁、風(fēng)荷載大、施工困難等特點(diǎn),給工程實施帶來挑戰(zhàn)。為應(yīng)對這些困難，現(xiàn)有的灘涂光伏發(fā)電陣列支架和基礎(chǔ)主要采用樁柱一體的結(jié)構(gòu)形式,即把預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(Pre-stressed High-strength Concrete Pipe Pile, PHC樁)壓入淤泥，樁在泥面之上留有足夠的高度防止海水及浪淹沒，在樁頂安裝支架及光伏組件。灘涂光伏電站陣列使用的PHC管樁一般是數(shù)以萬計的，多者超過10萬根。因其數(shù)量巨大，樁的構(gòu)造和尺寸顯著影響項目投資，細(xì)微的優(yōu)化能夠產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)的樁基理論分析方法建立在特定的假設(shè)與簡化之上，當(dāng)工程條件復(fù)雜時，理論分析方法得出的計算成果的準(zhǔn)確性和適用性會受到限制。目前，常用的樁基承載理論計算方法包括古典經(jīng)驗公式法和規(guī)范法，兩種方法都將樁基承載力分為兩部分：樁端極限阻力和樁側(cè)極限阻力。古典經(jīng)驗公式法是通過土體強(qiáng)度參數(shù)來計算，不同學(xué)者根據(jù)不同的破壞機(jī)理推導(dǎo)出多種計算方法，然而，由于土體參數(shù)的復(fù)雜性，古典經(jīng)驗公式法的計算結(jié)果可能與樁基實際狀況存在較大的誤差。不同于古典經(jīng)驗公式法，規(guī)范法則是基于大量的樁基靜載試驗數(shù)據(jù)，將土體參數(shù)、樁側(cè)阻力和樁端阻力用經(jīng)驗公式確定聯(lián)系，從而根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系來估算樁基的極限承載力,但是不同土質(zhì)之間的差異性也會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由于灘涂光伏電站的建設(shè)剛剛興起，針對光伏陣列樁基承載設(shè)計的研究成果缺乏。目前國內(nèi)的灘涂光伏工程樁基承載設(shè)計時，一般根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范采用經(jīng)驗公式(規(guī)范法)估算或依據(jù)現(xiàn)場原位試驗確定樁基極限承載力。其理論基本沿用了建筑行業(yè)的樁基規(guī)范，其中建筑行業(yè)樁基規(guī)范中給出了估算公式，但是條款規(guī)定是寬泛的，具體用于灘涂光伏樁基承載設(shè)計時有很多不確定的因素。由于建筑和灘涂光伏陣列的工作條件和功能不同，灘涂工程場地內(nèi)分布大量軟弱土層，軟土性質(zhì)復(fù)雜、荷載條件多變、樁土相互作用效應(yīng)顯著，導(dǎo)致樁基承載計算在工程實際應(yīng)用時的過程較繁瑣?，F(xiàn)有規(guī)范中的經(jīng)驗估算公式對灘涂光伏陣列樁基的適用性值得探討，有必要探索更適宜的承載計算分析方法。將有限元分析方法與樁基規(guī)范公式法相結(jié)合，可更好地分析實際樁基承載力，為樁基承載設(shè)計提供更為全面的指導(dǎo)。目前，對于條件復(fù)雜的工程，傳統(tǒng)的設(shè)計手段已經(jīng)無法滿足既安全又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計需求，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)采用以有限元法為代表的數(shù)值仿真計算方法用于樁基承載力設(shè)計的應(yīng)用，但是尚未形成直接應(yīng)用于樁基承載計算的規(guī)范體系，因此，有限元法在灘涂光伏樁基承載分析領(lǐng)域有較好的探索研究價值。

本文旨在探索采用有限元法對灘涂光伏陣列樁基礎(chǔ)進(jìn)行承載力設(shè)計計算，分析樁的受力特征，對比分析采用現(xiàn)行規(guī)范方法計算樁基承載力與采用有限元法計算的異同，并比較有限元超載法和強(qiáng)度折減法計算樁基承載力的差異，提出有限元法應(yīng)用于樁基承載設(shè)計計算的基本思路，供灘涂光伏樁基設(shè)計研究參考。

1 樁基承載力的規(guī)范法復(fù)核與分析

1.1 相關(guān)設(shè)計計算規(guī)范

目前，灘涂光伏陣列樁基承載設(shè)計主要依據(jù)光伏行業(yè)相關(guān)規(guī)范,其中關(guān)于樁基承載力的計算主要參考了建筑行業(yè)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)的相關(guān)內(nèi)容。樁基承載力計算主要包括豎向承載力、抗拔承載力和水平承載力計算。樁基各項承載力標(biāo)準(zhǔn)值或特征值應(yīng)根據(jù)靜載試驗確定，當(dāng)缺少試驗資料或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗時，需根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，按照以下經(jīng)驗公式進(jìn)行估算。

(1)灘涂光伏陣列樁基的抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk估算式為

式中，qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長；li為樁周第i層土的厚度；Ap為樁端面積。

(2)灘涂光伏陣列樁基的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Tuk估算式為

式中，λi為抗拔系數(shù)，對于巖石可取0.8,對于砂土可取0.5,對于黏性土、粉土可取0.7。

(3)灘涂光伏陣列樁基的水平承載力特征值Rha估算式為

式中，α為樁的水平變形系數(shù)，與地基土水平抗力系數(shù)、樁的剛度和寬度有關(guān)；EI為樁身抗彎剛度；χ0a為樁頂允許水平位移；υx為樁頂水平位移系數(shù)。

1.2 設(shè)計復(fù)核計算條件

依據(jù)行業(yè)規(guī)范的規(guī)定，對兩個灘涂光伏電站(簡稱CD和BH工程)陣列樁基現(xiàn)有的設(shè)計方案進(jìn)行承載力復(fù)核。根據(jù)原設(shè)計報告所述的規(guī)范依據(jù)和基本數(shù)據(jù)(氣象、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸、光伏組件重量等),重新計算荷載、承載力和安全系數(shù)等，并采用分層總和法計算樁基沉降。

兩工程光伏列陣的每個結(jié)構(gòu)單元設(shè)置8根PHC管樁，成一排，間距4.0 m。光伏陣列樁的排距為6.7 m。樁的承載形式均為摩擦樁，將外徑400 mm、壁厚95 mm的PHC管樁壓入灘涂。兩工程樁的入土深度分別為6.0 m、2.0 m, 地表以上出露高度均為6.0 m。樁頂安裝支架，支架之間沿陣列縱向安裝檁條，檁條之上鋪設(shè)光伏板，每根樁平均承載7塊。整體來看，光伏陣列樁的間排距為4.0 m×6.7 m。根據(jù)樁基理論，樁距大于6倍樁徑時，樁間土應(yīng)力重疊現(xiàn)象較少，樁的工作狀況接近單樁。本工程樁的最小間距為10倍的樁徑，間距很大，每根樁可視為獨(dú)立的單樁，形成獨(dú)立的承載單元。承載單元內(nèi)的樁(柱)、支架、光伏組件和地基的模型及主要尺寸如圖1所示。CD工程的淤泥厚度為5.5 m, 下部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，兩層土對樁的極端側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為9 kPa、17 kPa; BH工程灘涂的表層淤泥厚度僅0.8 m, 下部為粉質(zhì)黏土，兩層土對樁的極端側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為9 kPa、26 kPa。

圖1 光伏陣列單個樁基范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)和地基示意

原設(shè)計計算及復(fù)核樁基承載力，均考慮三種工況：(1)抗壓；(2)抗拔；(3)水平承載。前兩種工況的豎向荷載分別對應(yīng)外部荷載產(chǎn)生的最大下壓力和最大上拔力，第三種工況對應(yīng)的水平荷載為最大水平推力。所處灘涂地區(qū)的風(fēng)、雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值依據(jù)規(guī)范[18]確定，按照當(dāng)?shù)?0 a重現(xiàn)期確定基本風(fēng)壓和雪壓值。CD工程的風(fēng)壓、雪壓分別為0.95 kPa、0.30 kPa, BH工程的是0.55 kPa、0.35 kPa。光伏組件承受風(fēng)、雪荷載，傳遞至樁。計算得出兩工程單個樁基受到的風(fēng)荷載和雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值如表1所列。由于兩工程場地外圍均設(shè)有防浪墻，不考慮波浪和海流荷載對樁的作用。

1.3 復(fù)核成果分析及建議

依據(jù)公式(1)—(3),計算得出兩光伏陣列樁基各工況下的承載力標(biāo)準(zhǔn)值、特征值、安全系數(shù)和沉降量如表2所列。其中，安全系數(shù)K即規(guī)范中的安全系數(shù)或穩(wěn)定系數(shù)，對于樁豎向承載和抗拔承載，K為承載力標(biāo)準(zhǔn)值與荷載標(biāo)準(zhǔn)值之比；對于樁水平承載，K為承載力特征值與荷載標(biāo)準(zhǔn)值之比。分析總結(jié)得出灘涂光伏相關(guān)設(shè)計規(guī)范對樁基承載力安全系數(shù)的要求如表3所列。表2所列成果顯示，兩工程樁基的抗拔和水平承載力均滿足規(guī)范要求，且安全裕度很大，豎向抗壓承載安全系數(shù)最小。因此，豎向抗壓承載工況為灘涂光伏陣列樁基承載設(shè)計的控制性工況。

兩工程樁基豎向抗壓承載安全系數(shù)分別為1.54和1.51,略低于現(xiàn)行規(guī)范中要求的2.0。筆者認(rèn)為此結(jié)果可滿足光伏安全運(yùn)行的要求，且規(guī)范的相關(guān)規(guī)定應(yīng)考慮調(diào)整。分析如下：目前光伏行業(yè)規(guī)范對光伏支架樁基承載力計算方法和安全系數(shù)要求，基本沿用了建筑行業(yè)樁基相關(guān)規(guī)范。樁基所承受的豎向荷載主要包含上部較小的支架和光伏組件的自重、樁(柱)自重、由光伏組件傳遞而來的風(fēng)荷載和雪荷載，這些荷載累計起來不足50 kN,遠(yuǎn)低于一般建筑樁基所受的荷載。較低的豎向荷載不易對樁基豎向穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。光伏陣列位于開闊的沿海地區(qū)，運(yùn)行期鮮有人員在其側(cè)，一旦個別樁基發(fā)生事故，造成的人員傷亡的可能性幾乎沒有，造成財產(chǎn)損失是局部的，遠(yuǎn)不如建筑樁基失事的后果嚴(yán)重。目前，CD工程光伏陣列已完建3a, 投產(chǎn)運(yùn)行2a, 樁基已經(jīng)歷若干次強(qiáng)臺風(fēng)的洗禮，至今表現(xiàn)正常。鑒于此，對于灘涂光伏陣列樁基而言，豎向承載力安全系數(shù)要求取2.0是偏保守的，應(yīng)該適當(dāng)放寬；設(shè)計適當(dāng)降低樁基豎向承載安全系數(shù)，使其略低于現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，是合理控制工程投資的做法，也是對設(shè)計理論創(chuàng)新的有益嘗試。

2 樁基承載的有限元法計算與分析

2.1 超載法和強(qiáng)度折減法

由于樁承受的荷載不大、樁身強(qiáng)度高，極端情況下樁基失穩(wěn)源于灘涂軟土的破壞，而非樁結(jié)構(gòu)自身的破壞，因此樁基承載力計算分析的重點(diǎn)是樁周土的失穩(wěn)分析。

巖土工程常采用安全系數(shù)衡量土體的穩(wěn)定性，有限元法對此主要采用超載法與強(qiáng)度折減法分析。超載法是在保持土體力學(xué)參數(shù)不變的前提下，逐級增加樁頂荷載至若干倍，樁基達(dá)到臨界失穩(wěn)時的超載倍數(shù)即承載安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法最初主要應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定研究,董天文等將強(qiáng)度折減法引入計算樁基極限承載力，其原理是將土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力C和摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)為內(nèi)摩擦角φ的余切值)除以設(shè)定的系數(shù),即強(qiáng)度折減系數(shù)，逐漸增大強(qiáng)度折減系數(shù)，使樁周土的抗剪強(qiáng)度逐漸降低，直到土體臨界失穩(wěn)，此時的強(qiáng)度折減系數(shù)即的樁的承載安全系數(shù)。

2.2 計算條件和失穩(wěn)判據(jù)

針對CD和BH工程光伏陣列樁基，分別進(jìn)行有限元超載法和強(qiáng)度折減法分析。參照規(guī)范的規(guī)定，進(jìn)行豎向承載、抗拔、水平承載計算，每種工況均模擬地基初始地應(yīng)力、樁植入、荷載分步施加的過程。采用有限元程序ABAQUS計算，單樁范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，土體采用六面體實體單元，兩工程相應(yīng)的單元數(shù)為128 744、81 928個；樁體、光伏板采用三維殼單元，兩工程相應(yīng)的單元數(shù)為6 777、3 033個；支架和檁條采用三維梁單元，兩工程相應(yīng)的單元數(shù)均為451個。試算分析表明，因荷載不大，土體變形模量小、適應(yīng)變形能力強(qiáng)，樁基與土體之間無滑移。為了提高計算效率，將樁和土之間的接觸關(guān)系設(shè)置為位移協(xié)調(diào)。樁內(nèi)部，除了樁底以上1 m范圍設(shè)土體模擬土塞之外，其余部位無土體；樁外部均與土體接觸。土體采用彈塑性本構(gòu)模型、MOHR-COULOMB屈服準(zhǔn)則；樁、支架等其余結(jié)構(gòu)采用彈性模型。相關(guān)土層力學(xué)計算參數(shù)取值依據(jù)兩工程的地質(zhì)勘察資料選取，如表4和表5所列。有限元法計算主要依據(jù)的力學(xué)參數(shù)是土體抗剪參數(shù)和變形模量，與規(guī)范方法所依據(jù)的力學(xué)參數(shù)[式(1)—(3)]不同。

有限元法分析判定光伏陣列樁基承載的臨界平衡狀態(tài)，以土體破壞為依據(jù)。目前，土體整體失穩(wěn)的評判標(biāo)準(zhǔn)主要有三個：(1)收斂性判據(jù)：以迭代結(jié)果是否收斂作為土體是否破壞的判據(jù)。在復(fù)雜模型條件下，迭代計算常過早中斷，使得此判據(jù)的適用性不佳。(2)突變性判據(jù)：土體位移出現(xiàn)突變且無限發(fā)展，位移突變是土體破壞很直觀的表達(dá)，某特征點(diǎn)的位移和折減系數(shù)的關(guān)系曲線突變點(diǎn)視為發(fā)生失穩(wěn)破壞的判據(jù)，具有明確的物理意義，適用性較好。(3)塑性區(qū)貫通判據(jù)：土體塑性區(qū)貫通是土體破壞的必要條件，但不是充分條件，一般此判據(jù)不單獨(dú)使用，可作為輔助判據(jù)，用來驗證安全系數(shù)。因此，以判據(jù)(2)作為樁周土失穩(wěn)主要判據(jù)，把(3)作為參考判據(jù)。

2.3 超載法分析

首先研究正常加載，即超載系數(shù)取1.0時，光伏陣列樁基的變形和應(yīng)力情況。CD工程樁基豎向承載工況，下沉位移為3.4 mm, 樁身最大壓應(yīng)力為0.35 MPa; 豎向抗拔工況，上拔位移為1.0 mm, 樁身最大拉應(yīng)力為0.14 MPa。樁在豎向力作用下的位移和應(yīng)力均較小，有足夠的承載能力。由于灘涂地基軟弱、光伏遭受臺風(fēng)侵襲，水平承載是人們關(guān)心的工況。此時樁處在懸臂狀態(tài)，容易出現(xiàn)大的側(cè)移或彎折破壞。有限元計算得出水平荷載作用下的樁基及結(jié)構(gòu)位移如圖2所示，樁在泥面高程處的水平位移為3.7 mm, 樁頂水平位移為44.2 mm, 數(shù)值不大，不影響正常使用；樁的拉應(yīng)力情況如圖3所示，最大拉應(yīng)力為5.8 MPa, 位于泥面高程附近的迎風(fēng)側(cè)表面，由于樁壁配有受力鋼筋，樁壁的拉應(yīng)力水平不高，因此樁自身能夠保證承載安全?？蛇M(jìn)一步根據(jù)有限元計算得出的內(nèi)力成果，復(fù)核樁體配筋。

圖2 水平承載工況CD工程結(jié)構(gòu)水平位移(單位：m)

圖3 CD工程樁的拉應(yīng)力(單位：Pa)

對CD和BH光伏陣列樁基分別進(jìn)行豎向承載、抗拔、水平承載的有限元超載計算，通過判據(jù)(2)和(3),分析得出各工況承載安全系數(shù)如表6所列。篇幅所限，以CD工程樁基豎向承載為例說明此過程。向樁基逐級增加豎向荷載，得到樁頂豎向位移隨超載安全系數(shù)變化過程曲線如圖4所示，圖4中橫軸標(biāo)注的數(shù)字為超載系數(shù)，1.0之前為樁施工、施加自重等計算步，1.0及之后為超載計算步。由圖4可見，超載系數(shù)K增加至2.0之后，樁豎向位移發(fā)生突變，此時位移值為-5.1 mm; K增加至3.0時，樁周土發(fā)生貫通性塑性變形，如圖5所示。因此認(rèn)為樁基豎向承載安全系數(shù)介于2.0～3.0之間，出于安全考慮，確定安全系數(shù)的值為2.0。如果需要更精細(xì)的安全系數(shù)值，則需將超載系數(shù)于2.0～3.0之間加密，重新做有限元計算和成果判斷，即可得出。

圖4 CD工程樁頂豎向位移隨超載系數(shù)的變化曲線

圖5 超載安全系數(shù)K=3.0時樁周土體塑性應(yīng)變

2.4 強(qiáng)度折減法分析

對CD和BH光伏陣列樁基分別進(jìn)行豎向、水平承載的強(qiáng)度折減分析，得出樁基各工況的承載安全系數(shù)如表6所列，篇幅所限，以CD工程樁基水平承載分析為例進(jìn)行說明。逐步增加強(qiáng)度折減系數(shù)，逐漸削弱樁周土的抗剪強(qiáng)度，計算得出樁頂位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化過程曲線如圖6所示，圖中橫軸標(biāo)注的數(shù)字為強(qiáng)度折減系數(shù)，1.0之前為樁施工、加自重等計算步，1.0及之后為強(qiáng)度折減計算步。折減系數(shù)K增加至2.8以后，樁水平和豎向位移隨折減系數(shù)的增加而迅速變化，直至發(fā)生突變。但是，當(dāng)K=2.4時，盡管樁未發(fā)生位移突變，但是樁周土開始形成明顯的貫通塑性區(qū)(見圖7),樁周土的承載力已基本喪失，因此認(rèn)定樁水平承載安全系數(shù)為2.4。

圖6 CD工程樁頂位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)的變化曲線

圖7 折減安全系數(shù)K=2.4時的土體塑性應(yīng)變

2.5 特殊問題說明和有限元法計算總結(jié)

灘涂光伏樁基的有限元法承載計算，存在特定工況適用性受限的情況，即樁抗拔工況的強(qiáng)度折減分析。由于樁自重大于上拔力，強(qiáng)度折減法計算時，隨著樁周土體強(qiáng)度的持續(xù)降低，樁體垂直向下的位移逐漸增大(見圖8,橫軸說明同圖6),無法得出向上的位移，不能得到樁抗拔承載安全系數(shù)。因此，灘涂光伏樁基抗拔承載計算不能采用強(qiáng)度折減法，只適合超載法。

圖8 BH工程樁頂豎向位移隨折減系數(shù)的變化曲線

從表6中的安全系數(shù)結(jié)果可知，有限元超載法計算得出的樁基各工況承載安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。強(qiáng)度折減法得出的樁水平承載安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，豎向承載安全系數(shù)略低于規(guī)范要求?？傮w來看，超載法和強(qiáng)度折減法得出的樁豎向和水平承載安全系數(shù)接近，超載法得出的安全系數(shù)略大于強(qiáng)度折減法，產(chǎn)生此現(xiàn)象的可能原因是：超載法對樁所受外力進(jìn)行超載，未對樁自重進(jìn)行超載(因自重是明確的);強(qiáng)度折減分析時，保持全部荷載不變，對樁周土層均進(jìn)行強(qiáng)度折減；這意味，強(qiáng)度折減法使樁處在“偏不利”的承載狀況，故得出的安全系數(shù)略低。

3 兩種方法的成果對比分析與討論

兩個灘涂光伏陣列樁基各工況承載安全系數(shù)成果(見表6)表明，有限元法與行業(yè)規(guī)范方法計算得出的樁基承載安全系數(shù)規(guī)律一致：豎向承載安全系數(shù)最小，該工況是樁基設(shè)計的控制性工況；抗拔承載安全系數(shù)最高，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求值，不是控制性工況；水平承載安全系數(shù)居中，有較充足的安全裕度，該工況容易滿足要求。有限元法與規(guī)范方法計算得出的豎向承載、抗拔、水平承載各安全系數(shù)值的大小總體也接近。此外，兩種方法計算得出的樁基沉降值也接近，CD工程樁基豎向承載工況有限元計算得到的樁基沉降約3 mm, 規(guī)范方法算得的沉降約1 mm。

兩種方法的成果“安全系數(shù)規(guī)律一致、數(shù)值接近”的結(jié)論并非偶然。這是由于：兩種方法計算時，樁基結(jié)構(gòu)自身、所受荷載、所在地層相同；雖然兩種方法計算理論公式和土體力學(xué)參數(shù)取值在形式不同，但本質(zhì)上也是基本相同的。具體分析如下：灘涂光伏樁基在極限荷載作用下的樁基失穩(wěn)來源于土體破壞或大變形。規(guī)范方法計算灘涂淤泥地層樁基豎向承載力和抗拔力，所考察的樁側(cè)阻力，其實質(zhì)是土沿著樁身的極限抗剪強(qiáng)度，剪切面發(fā)生在臨近樁表面的土體內(nèi)。本文的有限元法超載或強(qiáng)度折減計算樁基豎向承載力和抗拔力，樁基失穩(wěn)同樣是源于樁周土體單元發(fā)生剪切破壞。規(guī)范方法計算樁的水平承載力[見公式(3)],是由樁體剛度和土體橫向抗力決定的，其中土體橫向抗力由地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值決定(m法理論),m值與土體彈性抗力及塑性變形有關(guān)。本文的有限元法超載或強(qiáng)度折減計算樁基水平承載力，同樣是由樁體自身剛度、土體彈性抗力、土體的強(qiáng)度狀況(塑性區(qū)發(fā)展情況)決定的。

總體而言，有限元法或規(guī)范方法計算灘涂樁基承載力，所依據(jù)的力學(xué)機(jī)理基本相同，計算結(jié)果總體一致，差別是細(xì)微的：樁的豎向承載和抗拔工況，有限元法得出的安全系數(shù)略大于規(guī)范方法；水平承載工況，有限元法得出的安全系數(shù)略小于規(guī)范方法。進(jìn)一步，可結(jié)合灘涂樁基現(xiàn)場承載試驗及反演研究，對兩種方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證分析和對比。

與規(guī)范方法相比，有限元法計算分析灘涂光伏陣列樁基結(jié)構(gòu)的承載力學(xué)狀況，在空間和時間上有生動全面的提升。有限元法分析得到應(yīng)力、應(yīng)變和位移等成果，以顏色圖譜或過程曲線的形式可視化呈現(xiàn)，能夠直觀地了解樁基結(jié)構(gòu)的局部和整體力學(xué)響應(yīng)情況，可深入了解其力學(xué)狀況，從而更好地指導(dǎo)和改進(jìn)灘涂光伏工程設(shè)計。這些方面，規(guī)范方法是難以做到的。因此，有限元法對灘涂光伏樁基承載設(shè)計計算具有良好的適應(yīng)性。參考有限元計算分析成果，制定合理的灘涂光伏樁基設(shè)計方案，在保障工程安全的同時，能夠合理控制工程投資。當(dāng)灘涂光伏陣列樁基承載力采用有限元法計算時，由于強(qiáng)度折減法不能應(yīng)用于抗拔承載工況，建議優(yōu)先采用超載法，依據(jù)相關(guān)判據(jù)做出評價。

與規(guī)范方法相比，有限元方法用于樁基承載力計算也有其不足，主要體現(xiàn)在要求計算者具備有限元程序使用的技能，具備較復(fù)雜的建模能力和對計算成果合理性的專業(yè)判斷力等。近些年來，隨著我國高等教育的大發(fā)展，掌握有限元計算技能的設(shè)計人員越來越多，有限元用于結(jié)構(gòu)設(shè)計或輔助設(shè)計已較普遍，用于灘涂光伏樁基設(shè)計計算的條件逐漸成熟。

4 結(jié) 論

(1)灘涂光伏陣列樁基承載力計算，采用有限元法或行業(yè)規(guī)范方法所依據(jù)的力學(xué)機(jī)理基本相同，得出的承載力規(guī)律一致，安全系數(shù)值接近，沉降值接近。有限元法能夠生動展示樁基及支架的空間、過程和細(xì)部力學(xué)響應(yīng)，有利于指導(dǎo)和改進(jìn)工程設(shè)計，對灘涂光伏陣列樁基設(shè)計計算具有良好的適用性。

(2)對于灘涂光伏陣列樁基而言，豎向承載力安全系數(shù)最低，是承載力設(shè)計的控制工況；抗拔承載安全系數(shù)很高，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求值，不是控制性工況；水平承載安全系數(shù)居中，有較充足的安全裕度，該工況容易滿足要求。其中，豎向承載和抗拔工況，有限元法得出的安全系數(shù)略大于規(guī)范方法；水平承載工況，有限元法得出的安全系數(shù)略小于規(guī)范方法。

(3)對于灘涂光伏陣列樁基承載力，有限元超載法得出的安全系數(shù)略大于強(qiáng)度折減法。由于強(qiáng)度折減法不適用于抗拔承載工況，建議灘涂光伏陣列樁基承載力計算優(yōu)先使用超載法，依據(jù)相關(guān)判據(jù)做評價分析。

(4)灘涂光伏陣列樁基的承載特點(diǎn)和工作環(huán)境與建筑樁基不同，目前規(guī)范規(guī)定的豎向承載力安全系數(shù)偏保守，應(yīng)適當(dāng)放寬，對設(shè)計理論創(chuàng)新做出嘗試，并合理地控制工程投資。

水利水電技術(shù)（中英文）

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