季节性冻土区光伏支架基础冻胀防治措施研究综述

姜伟， 晏华斌， 张钰， 刘英杰， 付世博， 李栋， 刘功良

（1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.青海黄河光伏系统设计咨询有限公司，西安 710000；3.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319）

0 引言

光伏发电技术是达成我国“碳中和”目标的关键技术之一，部分光伏发电站建设项目位于东北北部高纬度低海拔的季节性冻土区，该地区土壤冻深可达2～3m。土质不同、水位不同时土体冻胀变形量差异较大，年冻胀量在几厘米到几十厘米，产生很大的冻拔力，对于自重轻的无法抵消冻拔力的光伏支架、路灯杆等基础冻胀破坏风险很大［1-3］。

目前国内外学者对基础防冻胀做了大量研究，并提出工程防治措施。孙洪伟等［4］采用切断切向冻胀应力的方法，于桩身周围增设次要构件套筒，将桩与周围冻土层隔开；Wang等［5］通过建立螺旋桩数值模型模拟基础冻胀，并与实验结果进行对比，验证了螺旋桩防冻胀的有效性；张学礼等［6］以锥管板条装配式基础为研究对象，采用室内模型试验测试，分析了地基温度场、位移场的分布特征以及基础抗拔承载力与温度之间的关系。

光伏支架基础的受力特点是竖向荷载小、冻拔敏感性高，基础的抗拔性能在设计中起主要控制作用。光伏发电站项目占地面积广，基础数量大，后期基础发生冻拔现象后返修成本较高。季节性冻土地区水位较高时，不仅冻胀量大，也给基础抗冻胀方案施工带来一定困难。文中基于冻土力学和基础冻胀原理，对常规抗冻胀措施在光伏支架基础上的适用性和可靠性进行了综述，提出一些新的抗冻拔措施和方法，提高季节性冻土地区光伏发电设备基础的可靠性和耐久性，为同类项目的基础抗冻胀设计提供了一定参考。

1 基础冻拔理论研究

1.1 冻土力学

土是固、液、气三相介质。而冻土更为复杂，是由固体土颗粒、冰、液态水和气体4种基本成分组成的非均质、各向异性的多相复合体。工程上通常把温度在0℃或以下、含有冰的各种岩石和土壤都称作冻土。时间域和空间域上，冻土中的水受环境温度的波动变化在未冻水和冰之间相互频繁转化，每天、每周、每月、每年都有差异，导致冻土的热物理和力学性质表现出强烈的温度敏感性和流变性。

我国关于冻土力学的研究起步较晚。新中国成立后，伴随着青藏铁路、南疆铁路以及格尔木至拉萨输油管道相关寒区工程的修建，我国才正式开展了一系列的冻土工程研究。60年代由中国科学院组建的国内首个专门从事冻土研究的冰川冻土研究所（即中国科学院兰州冰川冻土研究所）在兰州成立，并建立了首个室内冻土低温试验箱，我国关于冻土工程的系统理论研究和模型试验研究正式开展。随着近年来大量季节性冻区光伏发电站项目的建设，传统的基础抗冻胀措施在成本控制、工艺难度和抗冻胀效果等方面均显示出不同程度的劣势和缺陷，给冻土工程理论和应用研究提出了新的挑战。

1.2 基础冻胀危害及破坏形式

冻胀现象发生时，土中的水由于温度低结冰，发生相变，由液态变成固态，同时体积变大，产生冻胀力。基础受到土冻胀力的影响，冻胀力包括作用于基础底部的法向冻胀力、作用于基础侧面的水平冻胀力和切向冻胀力。因同一地区的土壤在土质和含水率等方面也存在差异，不同位置的冻胀量不同，这也造成基础不同部位受到不规则的冻胀力，产生不均匀冻拔位移，就有可能发生剪切破坏和结构失稳等危害。在强冻胀地区，传统直线型桩基的抗拔承载力通常要小于上部的冻拔力，因此冻土地区的桩基工程常会出现向上的冻拔位移，若桩身抗拉强度较低且锚固长度较大时，桩基甚至会出现冻拔破坏。

一般建筑桩基础由底部的基桩和上部的承台组成，这种构造上部自重荷载很大，超过冻土的冻拔力，而且桩基础的主要承载范围在地面以下较深处，具有较大的抗拔锚固力，可有效地减少因地表季节性冻土层带来的影响。但出于成本控制、土地利用和环境保护等原因，光伏支架基础难以采用这种“基桩+承台”构造，此外光伏支架自重轻也对基础抗冻拔非常不利。在冻区环境下，冻结深度较大时，更容易产生冻拔位移。因此对于冻胀地区的光伏支架基础工程，需要在基础选型和设计上进行更深入的分析和研究。

桩基础受到土体冻胀力而破坏的形式主要有以下3种：

（1） 桩身拉断。桩身设计时候重点关注抗压承载力，通常不考虑桩身自身抗拉力。然而，在季节性冻土地区桩基础受到包括切向和法向的冻胀力作用，同时桩身下部未冻土对桩基础具有锚固力，在这些力共同作用下，冻深范围内桩身局部将产生竖向拉应力，当拉应力较大或桩基础存在缺陷时可能使桩身局部拉断或出现横向裂缝。

（2） 桩身倾斜。当桩基础位于非平地等特殊地形上并发生冻胀现象时，桩基础同时受到切向冻胀力和非对称的水平冻胀力作用，容易造成桩身倾斜。由于大多数桩基础的设计主要考虑承受垂直竖向荷载的情况，因此桩身倾斜会造成承载力降低，甚至可能导致上部结构的失稳破坏后果。

（3） 桩身冻拔。在季节性冻土地区，土层冻深随着大气温度的降低而不断增加，切向冻胀力也不断增长，当切向冻胀力大于桩基础自重、上部荷载和下部未冻土锚固作用的合力时，桩基础将会相对周围土体产生向上的位移。

因此在季节性冻土地区的桩基础设计中，桩基稳定性要满足规范要求，同时桩身强度也要达到规范的要求。

2 抗冻胀措施

冻胀发生原理：当土体处于负温环境时，孔隙中部分水分冻结成冰导致土体原有的热平衡和力学平衡被打破，土中各相成分的受力状态发生变化，土骨架受拉分离，随着土体体积逐渐增大，发生冻胀。冻胀的产生要同时具备土质、温度、水3个因素的作用。因此，只要消除这3个因素之一，就能达到防治冻胀的目的。工程中的防冻胀措施总体可以分为两个方面，一方面是地基土的改良；另一方面是基础和结构物抗冻胀。

2.1 地基土的改良

2.1.1 地基土加固

强夯加固地基土的冻胀防治方法在工业民用建筑、大型油气储藏罐、道路等工程项目中应用广泛。这种方法的原理是：强夯法防治冻害就是立足于改变土颗粒间的接触条件。第一，土壤密实度增加，土体积压缩，土中空隙变小，加固土层中形成了含水的不透水层，由于强夯作用，孔隙比变小且流通性不好，在冻结期，冻结锋面以下的水及地下水很难向冻结锋面迁移，阻止了对正冻土中的水分补给；第二，土壤含水量降低，即初始含水量减少，在冻结期，有效冻深中形成的冰晶数量相应的比未被强夯的土体中少，相应的冻胀量也较小；第三，地下水位降低，可以有效地减少水分向冻结缘迁移。

王思银等［7］以严寒地区某改造工程为例，采用强夯法消除了冻胀土层中水的外给条件，降低了土的冻胀性。唐晓波［8］以某建筑地基的强夯加固施工为例，研究了强夯加固的效果，发现在春融期强夯处理冻胀土地基可提高地基土承载力，并减小或消除地基土冻胀性。

因此，强夯土加固的方法效果显著，适用范围广、设备简单，相对来说施工费用也较低，对于一些较小规模的光伏发电站建设项目来说具备一定的适用性。但多数光伏发电站建设项目的占地范围广、桩基数量巨大，且地质条件复杂，经常遇到水位较高的情况，该方案的成本是难以接受的，适用性也不如建筑工程。

2.1.2 置换法

因此，按照冻胀性从强到弱排序依次是粉性土、粘性土和砂砾土。置换法的原理是将冻深范围内粉粒含量高的土开挖换填为土粒较粗的砂砾石，以降低与基础接触土体的冻胀性。置换法主要利用了粗颗粒土的以下特性：饱和粗粒土在冻结时，水分向冻结锋面相反方向迁移（排水），因此避免了较强的水凝冻胀；非饱和粗粒土在冻结时，水分虽然向冻结锋面迁移，但相较于其它的土迁移量小的多。苏群［9］论述了“置换法”对减少我国道路冻害的重要作用。

“置换法”可靠性较高，但同样的，对于光伏发电站建设工程来说，该类项目的地理区位一般位于偏僻且人烟稀少的荒漠、山区和盐碱地区，优质的置换材料难以被稳定廉价地获取，且大规模开挖和回填将加长建设周期，增大建设成本，延长投资回收周期，以目前光伏板所能达到的使用效率，需要尽量避免承担该项损失。

2.2 加长基础埋深

为了抵抗光伏支架基础冻拔力，一些结构设计方面的工程师参考基础设计规范，冻土层范围内只有冻拔力，没有抗冻拔力。抗冻拔力只能依靠冻土层以下基础的侧摩阻力来实现。基础越深侧摩阻力越大，抗冻拔承载力越大，越有利。

因此工程师常用加长基础埋深等方法来满足抗冻拔要求，如果是PHC桩，可直接用加长桩长等计算方法来达到此目的。作者选取季节性冻土地区—黑龙江省大庆市大同区某光伏电站设计实例，冻土深度2m，水位较高。光伏支架采用300mm直径的PHC桩，原桩长5.5m，地下4.2m。用有限元建模验算，PHC桩每年冻拔量约8.2mm。当桩长每加长1m，年冻拔量约减少1.4mm；桩长总增加6m可以彻底消除冻拔。但是，桩长将达到12m左右。可见这种做法，也会直接增加基础成本，不经济，也会给施工带来困难。

这种方法对于设计和施工技术来说非常简单，也有价值，可以适当增加桩长，消除部分冻拔影响，对于光伏支架结构安全也是有力的。

2.3 基础外侧添加柔性材料抗冻胀

2.3.1 保温法

保温法是指在建筑物底部及四周设置隔热层，增大热阻，以延缓天然地基土的冻结，提高土中温度，减少冻结深度，进而起到防止冻胀的作用，目前采用的材料如炉渣泡沫混凝土，聚苯乙稀泡沫板等。张丰帆［10］在隧道工程柔性EPS保温法抗冻胀，效果良好。

保温法应用于桩基附近可以延缓土壤冻结，减小冻深，从而减轻冻胀危害。这种方案在目前的光伏发电站建设项目中多有改进和尝试，在辽宁铁岭某光伏发电站建设项目中，在PHC管桩150mm范围内使用挤塑聚苯板插入冻深内，在多年使用期内暂未观测到较强冻害发生。这种方法在水位较低、桩基引孔施工情况下具备一定可行性。

一杭有两大人生理想，一是当个有成就的作家，一是好好对母亲尽孝道。可是，这么多年，他始终在文学殿堂的外围兜圈子，好不容易靠改编童话过上稳定日子，却没余力把母亲接到成都去。以前，他安慰自己，既然是人生理想，就是一生的追求目标，不是三两年能实现的。没有实现它，某种意义上说也算一种幸运，表示还有奋斗目标，而奋斗过程，就是享受过程，是通往幸福的过程。但是，母亲却没有等到那一天！

2.3.2 弱化冻土与基础间的相互作用

弱化土与基础间的相互作用主要有两种方式，第一是增加上部结构的重量，这在光伏发电站建设项目中完全不可行；第二是减小冻土与基础间的摩擦力，多采用涂敷法：在建筑物基础周围涂敷渣油、沥青、凡士林等工业产品；也可采用套管法，如在桩身外套PE套管等。

针对黑龙江省大庆市某光伏发电站建设项目，对涂敷法建立了有限元数值模型，数值模拟结果显示，桩身沥青涂层可削弱冻土与桩的相互作用，考虑沥青涂层的耐久性并假设25年使用期内冻深不变，如图1所示，涂刷5mm沥青涂层时桩身累计冻拔量约87.2mm，相对无沥青涂层时降低了40%；涂刷10mm时累计冻拔量约2.6mm，降低了98%；15mm以上厚度的沥青涂层可以完全消除桩身的冻拔现象。

图1 涂刷沥青后的桩基冻拔量变化

PE套管在工程中应用的主要目的隔离桩身与冻土，减小桩土间的相互作用。PE属于粘弹性材料，同时具有弹性与粘性特点，这种特性导致了蠕变和应力松弛现象。当承受荷载时，PE材料发生变形，随着受荷时间的延续，形变比率降低。

在黑龙江省大庆市某光伏发电站建设项目中对PHC管桩使用了外套PE管的抗冻胀措施，使用有限元模型预测其抗冻胀效果，如图2模拟结果表明，当套管与桩间无填充时桩身年冻拔量约3.1mm，相对未采取措施减少了62.2%；当PE套管与桩身间填充饱和粉质粘土时，套管的隔离效果减弱，未显示出明显的抗冻胀效果。

图2 桩-套管-土冻胀效应竖向位移

对于涂敷法，沥青材料成本相对较低，但现场施工时需要加热，涂刷厚度要求偏高，工艺上难以达到规范；若该道工序在桩基生产厂家进行，则需要考虑桩基运输和吊装过程对沥青涂层的损耗。因此涂敷法对建设单位现场管理水平有较高要求。对于套管法，其成本低且工艺简单，但需要防止套管内积水影响抗冻胀效果，当套管直径过大时还需考虑套管环刚度是否能抵御冰压。

2.3.3 强化非冻土与基础间的相互作用

强化非动土与基础间的相互作用主要是两个思路，一个是桩身加长，另一个是改变桩身构造。桩身加长是传统做法，这种做法在桩数较少时才具备成本上的可行性，但在光伏发电站建设项目中，桩基数量巨大，任何桩身的加长都意味着成本大量增加，应尽量避免。另一个思路是改变桩身构造，其中钢管螺旋桩因施工方便、成本低廉和抗拔性能优秀而受到关注。

王达麟等［11］基于螺旋钢桩现场抗拔试验，推算各类桩型的平均极限承载力，分析桩长、叶片数量、叶片间距、首层叶片埋深、叶片直径等参数对螺旋钢桩极限抗拔承载力的影响，试验结果表明，螺旋钢桩的抗拔承载力与桩长和叶片直径正相关。王腾飞等［12］建立了螺旋桩冻胀的热-结构耦合模型，并通过了室内试验验证，结果表明螺旋桩不同螺旋叶片构造均具有优越的抗冻胀性能。

钢管螺旋桩目前在光伏发电站建设项目中的应用仍处于起步阶段，这种桩型在成本、施工方法和抗拔性能方面具有优势。但抗腐蚀能力较弱，需要考虑土壤腐蚀性的影响。

2.4 采用斜面基础

斜面基础是一种截面上小下大锥形基础，如图3所示。斜面基础稳定的原因不是由于切向冻胀力被下部扩大部分给锚住；而是由于在倾斜表面上出现拉力分量与冷缩分量叠加之后的开裂切向冻胀力退出工作所造成。

图3 基础示意图

根据对已有建设项目的长期观测及研究，斜面基础对于切向冻胀力具有良好的耐受性，相对传统的基础冻胀防治措施和构造具有以下特点：

（1） 耐久性。在季节性冻区的反复冻融作用下具有较好的防冻胀融沉效果。

（2） 适用性。无论在地下水位之上还是以下，均显示出较强的适用性。

（3） 可行性。无需其他冻胀防治措施和后续维修即可具有良好的抗冻胀效果。

（4） 可靠性。设计中认为其倾斜角大于等于9°时，即可避免切向冻胀力作用导致的冻害事故。

张圣金和张静波［13］针对某变电站工程，提出采用预制斜面基础，减小地基土的冻胀作用对建筑物产生的影响，效果良好。相比于常规现浇混凝土基础，优越性比较明显。在实际工程应用中安装周期短，不受气候条件影响；工厂预制，现场组装，减少现场湿作业；基础作业面小，减少现场土方开挖量，环保且综合造价低。在严寒地区使用，其优势更加明显。

3 结语

文中对季节性冻区光伏发电站基础的冻胀危害和冻胀防治措施进行了综述，分类讨论了多种基础防冻胀措施在光伏发电站建设项目中的适用性和可行性，得出了以下结论：

（1） 因受限于成本，传统的冻胀防治方案，如强夯法、置换法和桩身加长法在光伏发电站建设项目中可行性较差。可少量使用，如冻土层范围内的PHC桩周100～200mm范围内换填中粗砂；适当加长桩身长度。

（2） 保温法、涂敷法、套管法和钢管螺旋桩构造方法在光伏发电站建设项目中具备一定的可行性。其中，保温法、套管法在桩基础引孔施工时具备工艺上的可行性；涂敷法在解决桩基生产、运输和吊装问题后将解决施工工艺难度过高的问题；钢管螺旋桩构造方法在土壤腐蚀性较弱的情况下具有成本低、施工简单、抗冻胀效果可靠的优势。