一种浅表土层区光伏支架预制桶形基础及设计方法
阅读说明：本技术 一种浅表土层区光伏支架预制桶形基础及设计方法 (Prefabricated barrel-shaped foundation for photovoltaic support of shallow soil layer region and design method ) 是由 郑中 蒲涛 邹磊 何铠岐 汪彪 李江渭 冯波 程震宇 吴代渊 吕代富 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种浅表土层区光伏支架预制桶形基础及设计方法,预制桶形基础包括桶壁和桶顶板两部分,所述桶壁设置在桶顶板下方；所述桶壁和桶顶板内设置有钢筋；所述桶顶板内设置有预埋螺栓和透气孔,所述预埋螺栓的螺纹段高于桶顶板上表面,所述预埋螺栓与光伏支架连接,实现光伏支架的固定；所述桶壁下方设置有靴板；本发明通过桶形基础与地基土相互作用,提供抗拔、抗压和抗水平承载能力；保证基础具有足够的承载能力,降低了基础工程的费用；通过工厂预制标准化批量生产,提升基础质量,缩短施工工期,非常适用于浅表土层区光伏电站工程。(The invention discloses a prefabricated barrel-shaped foundation of a photovoltaic bracket of a shallow soil layer region and a design method thereof, wherein the prefabricated barrel-shaped foundation comprises a barrel wall and a barrel top plate, and the barrel wall is arranged below the barrel top plate; reinforcing steel bars are arranged in the barrel wall and the barrel top plate; the barrel top plate is internally provided with an embedded bolt and an air hole, the thread section of the embedded bolt is higher than the upper surface of the barrel top plate, and the embedded bolt is connected with the photovoltaic support to realize the fixation of the photovoltaic support; a boot plate is arranged below the barrel wall; the invention provides the anti-pulling, anti-compression and anti-horizontal bearing capacity through the interaction of the barrel-shaped foundation and the foundation soil; the foundation is ensured to have enough bearing capacity, and the cost of foundation engineering is reduced; through factory prefabrication standardized mass production, the foundation quality is improved, the construction period is shortened, and the method is very suitable for photovoltaic power station engineering of shallow soil layer areas.)
技术领域
本发明涉及岩土工程和地基基础的技术领域，具体涉及一种浅表土层区光伏支架预制桶形基础及设计方法。
背景技术
光伏发电技术是新能源发电技术的重要组成部分，是我国实现3060碳达峰、碳中和目标的重要能源工程技术。其原理是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能。光伏支架是支撑太阳能光伏发电元件的结构，其基础要求具有良好的承载特性，并且施工快速便捷。
具有浅表土层的光伏电站工程(灰场、垃圾填埋、薄覆盖层基岩等场地的光伏电站工程)，由于覆土层薄(0.5-1m)、覆土层下方不能(土工膜)或不易(岩石)穿透，传统预制桩基础不具有足够的埋入深度，无法承担光伏支架传递的荷载；另外一种常用的现浇浅基础，要保证基础抗滑移和抗倾覆稳定，往往需要较大基础自重，工程费用增加明显，且现浇作业施工周期和环境影响大幅加大；所以前述两种基础形式在浅表土层区的光伏电站工程中局限性较大。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前传统预制桩基础不具有足够的埋入深度，无法承担光伏支架传递的荷载和现浇浅基础，往往需要较大基础自重，工程费用增加明显，且现浇作业施工周期和环境影响大幅加大的问题，提供了一种浅表土层区光伏支架预制桶形基础及设计方法，解决了上述问题。
本发明的技术方案如下：
一种浅表土层区光伏支架预制桶形基础，包括桶形基础，所述桶形基础为一个中空的预制钢筋混泥土的圆桶形基础，通过采用桶形这种结构，在较少混凝土用量下，扩大基础与土接触面积，保证基础具有足够承载能力。
桶形基础具体包括桶壁和桶顶板两部分，所述桶壁设置在桶顶板下方；所述桶壁和桶顶板内设置有钢筋加固，优选地，由于桶形基础受力以整体受力为主，该基础配筋均为构造配筋，建议桶顶板钢筋建议采用φ10，侧壁钢筋建议采用φ12。
桶顶板内设置有预埋螺栓和透气孔，所述预埋螺栓的螺纹段高于桶顶板上表面，所述预埋螺栓与光伏支架连接，实现光伏支架的固定；所述桶壁下方设置有靴板；靴板的设置可以进一步保证施工时能够顺利下压。
桶形基础一体成型；所述桶形基础外径在400-600mm之间，混凝土等级不低于C40，钢筋等级不低于HRB400；所述桶顶板厚度在150-250mm之间，主要根据预埋螺栓的锚固长度确定，工程风荷载较大时，宜考虑较大的厚度以增加自重抵抗上拔力，满足预埋螺栓的安装条件；所述桶壁的厚度在80-120mm之间，主要根据浅表土腐蚀特性确认，保证具有足够的耐久性；所述透气孔的直径在50-80mm之间；靴板为预埋钢板，厚度8-12mm，所述靴板呈45°倾斜的设置在桶壁下方；所述预埋螺栓为U形螺栓，所述预埋螺栓的直径在10-16mm之间，预埋螺栓的总长度在190～260mm之间。
一种浅表土层区光伏支架预制桶形基础的设计方法，包括以下步骤：
a)确定桶形基础的可用最大深度；
b)获取作用于桶形基础的上拔力标准值T，水平力标准值V，下压力标准值P；
c)根据桶形基础的可用最大深度和将作用于桶形基础的荷载总量，初选桶形基础尺寸和确定桶形基础入土深度；
d)根据初选桶形基础尺寸，计算桶形基础的抗拔承载力Ta、抗水平承载力Va和抗压承载力Pa；
e)进行验算；
f)如验算不合格，调整桶形基础尺寸后再次验算，直至满足承载力要求；
g)验算合格后，桶形基础的尺寸设计完成。
进一步地，步骤a的详细步骤为：根据前期场地资料，获取浅表土层厚度(即灰场、垃圾填埋场等土工膜上腹土层厚度或基岩表层土层厚度)；所述浅表土层厚度即为桶形基础可用最大深度。
进一步地，步骤b的详细步骤为：依据多重荷载，通过对上部支架结构计算分析，获取作用于桶形基础的上拔力标准值T，水平力标准值V，下压力标准值P。
进一步地，多重荷载包括工程风荷载、地震作用、光伏支架自重荷载等。
进一步地，步骤d的详细步骤为：根据桶形基础的内外侧摩阻力和基础自重，计算桶形基础抗拔承载力Ta；根据桶形基础的主被动区土压力，计算桶形基础的抗水平承载力Va；根据桶形基础的外侧摩阻力和端阻力，计算桶形基础的抗压承载力Pa。
进一步地，步骤e的详细步骤为：比较抗拔承载力Ta和上拔力标准值T的大小；比较抗水平承载力Va和水平力标准值V的大小；比较抗压承载力Pa和下压力标准值P的大小。
进一步地，步骤g中验算合格是指：T≤Ta、V≤Va和P≤Pa；通过上述方法，在工厂预制好桶形基础后运至工程现场，然后通过静压机将其垂直的尺寸设计完成至设计位置，使其固定在浅表土层中；施工过程非常方便，建造快速，生产成本较低；设计位置考虑到表层土特性，入土深度不宜少于300mm，入土400mm以上为佳。
本方法充分利用浅表土层自身特性，通过桶形基础内外侧壁与土的摩擦作用，增加基础抗拔承载能力；通过桶形基础自重、桶壁外侧与土的摩擦作用、桶基础底部土受压能力，增加基础抗压承载能力；通过足够桶形基础侧壁与周边土相互挤压作用，增加抗水平力承载能力；保证基础具有足够的承载能力，降低了基础工程的费用；通过预制方式提升基础质量保证，缩短施工工期，非常适用于浅表土层光伏电站工程。
与现有的技术相比本发明的有益效果是：
1、一种浅表土层区光伏支架预制桶形基础及设计方法，充分利用浅表土层自身特性，通过桶形基础内外侧壁与土的摩擦作用，增加基础抗拔承载能力；通过桶形基础自重、桶壁外侧与土的摩擦作用、桶基础底部土受压能力，增加基础抗压承载能力；通过足够桶形基础侧壁与周边土相互挤压作用，增加抗水平力承载能力；保证基础具有足够的承载能力，降低了基础工程的费用；通过预制方式提升基础质量保证，缩短施工工期，非常适用于浅表土层光伏电站工程。
附图说明
图1为具有预制桶形基础的光伏支架整体示意图；
图2为桶形基础的结构示意图；
图3为桶形基础的上视图；
图4为桶形基础的配筋图；
图5为一种浅表土层区光伏支架预制桶形基础的设计方法的流程图。
附图标记：1-桶形基础，2-光伏支架，11-桶壁，12-桶顶板，13-透气孔，14-靴板，15-预埋螺栓，16-钢筋。
具体实施方式
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
请参阅图1-4，一种浅表土层区光伏支架预制桶形基础，包括桶形基础1，所述桶形基础1为一个中空的预制钢筋16混泥土的圆桶形基础1，通过采用桶形这种结构，在较少混凝土用量下，扩大基础与土接触面积，保证基础具有足够承载能力。
桶形基础1具体包括桶壁11和桶顶板12两部分，所述桶壁11设置在桶顶板12下方；所述桶壁11和桶顶板12内设置有钢筋16加固，优选地，由于桶形基础1受力以整体受力为主，该基础配筋均为构造配筋，建议桶顶板12钢筋16建议采用φ10，侧壁钢筋16建议采用φ12。
桶顶板12内设置有预埋螺栓15和透气孔13，所述预埋螺栓15的螺纹段高于桶顶板12上表面，所述预埋螺栓15与光伏支架2连接，实现光伏支架2的固定；所述桶壁11下方设置有靴板14；靴板14的设置可以进一步保证施工时能够顺利下压。
桶形基础1一体成型；所述桶形基础1外径在400-600mm之间，混凝土等级不低于C40，钢筋16等级不低于HRB400；所述桶顶板12厚度在150-250mm之间，主要根据预埋螺栓15的锚固长度确定，工程风荷载较大时，宜考虑较大的厚度以增加自重抵抗上拔力，满足预埋螺栓15的安装条件；所述桶壁11的厚度在80-120mm之间，主要根据浅表土腐蚀特性确认，保证具有足够的耐久性；所述透气孔13的直径在50-80mm之间；靴板14为预埋钢板，厚度8-12mm，所述靴板14呈45°倾斜的设置在桶壁11下方；所述预埋螺栓15为U形螺栓，所述预埋螺栓15的直径在10-16mm之间，预埋螺栓15的总长度在190～260mm之间。
桶形基础1的设计充分利用浅表土层自身特性，通过桶形基础1内外侧壁与土的摩擦作用，增加基础抗拔承载能力；通过桶形基础1自重、桶壁11外侧与土的摩擦作用、桶基础底部土受压能力，增加基础抗压承载能力；通过足够桶形基础1侧壁与周边土相互挤压作用，增加抗水平力承载能力；保证基础具有足够的承载能力，降低了基础工程的费用；通过预制方式提升基础质量保证，缩短施工工期，非常适用于浅表土层光伏电站工程。
一种浅表土层区光伏支架预制桶形的设计方法，包括以下步骤：
a)确定桶形基础1的可用最大深度；
b)获取作用于桶形基础1的上拔力标准值T，水平力标准值V，下压力标准值P；
c)根据桶形基础1的可用最大深度和将作用于桶形基础1的荷载总量，初选桶形基础1尺寸和确定桶形基础1入土深度；
d)根据初选桶形基础1尺寸，计算桶形基础1的抗拔承载力Ta、抗水平承载力Va和抗压承载力Pa；
e)进行验算；
f)如验算不合格，调整桶形基础1尺寸后再次验算，直至满足承载力要求；
g)验算合格后，桶形基础1的尺寸设计完成。
步骤a的详细步骤为：根据前期场地资料，获取浅表土层厚度(即灰场、垃圾填埋场等土工膜上腹土层厚度或基岩表层土层厚度)；所述浅表土层厚度即为桶形基础1可用最大深度。
步骤b的详细步骤为：依据多重荷载，通过对上部支架结构计算分析，获取作用于桶形基础1的上拔力标准值T，水平力标准值V，下压力标准值P。
多重荷载包括工程风荷载、地震作用、光伏支架2自重荷载等。
步骤d的详细步骤为：根据桶形基础1的内外侧摩阻力和基础自重，计算桶形基础1抗拔承载力Ta；根据桶形基础1的主被动区土压力，计算桶形基础1的抗水平承载力Va；根据桶形基础1的外侧摩阻力和端阻力，计算桶形基础1的抗压承载力Pa。
步骤e的详细步骤为：比较抗拔承载力Ta和上拔力标准值T的大小；比较抗水平承载力Va和水平力标准值V的大小；比较抗压承载力Pa和下压力标准值P的大小。
步骤g中验算合格是指：T≤Ta、V≤Va和P≤Pa；通过上述方法，在工厂预制好桶形基础1后运至工程现场，然后通过静压机将其垂直的尺寸设计完成至设计位置，使其固定在浅表土层中；施工过程非常方便，建造快速，生产成本较低；设计位置考虑到表层土特性，入土深度不宜少于300mm，入土400mm以上为佳。
实施例二
实施例二是一种浅表土层区光伏支架2预制桶形施工方法在西北地区的某灰场光伏电站的应用。
该灰场浅表填土层厚度约0.6m；采用该桶形基础1，具体的，桶形基础1直径取值为0.5m，入土深度取值为0.4m，桶顶板12厚度为0.2m，桶形基础1总高度为0.6m。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
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