تحقيق عددي لتأثيرات معلمات التربة على قدرة التحمل الانشِقاقية المحورية لركائز حلزونية دائرية جديدة للألواح الكهروضوئية

دعامات شمسية أقوى في مواجهة الرياح

مع انتشار مزارع الطاقة الشمسية عبر الحقول والصحاري، يجب أن تقاوم دعاماتها المعدنية الرياح القوية التي تحاول اقتلاعها من الأرض. بدأ المهندسون في استخدام نوع جديد من الأساسات الفولاذية الحلزونية يسمى ركيزة حلزونية دائرية لتثبيت حوامل الألواح الكهروضوئية، لكن الطريقة التي تساهم بها أنواع التربة المختلفة في مساعدة أو إعاقة هذه الركائز ظلت غير واضحة. تستخدم هذه الدراسة محاكاة بالحاسوب لتفكيك الطريقة التي تتحكم بها خواص الأرض الرئيسية في قوة المقاومة عند الانسحاب لهذه الركائز الخاصة، مقدمة إرشادات لتركيبات شمسية أكثر أمانًا وموثوقية حول العالم.

نوع جديد من الأساسات الحلزونية

تبدو الركائز الحلزونية التقليدية كعمود فولاذي مزود بصفيحة أو أكثر، شبيهة بالمسمار الضخم. تستبدل الركيزة الحلزونية الدائرية هذه الصفائح المفصولة بسطح حلزوني مستمر ملفوف حول العمود. يمكن لف هذا السطح أكثر أو أقل إحكامًا وتركيبه إما بالدوران أو بالضغط أو بمزيج من الطريقتين. أظهرت مشاريع ميدانية في اليابان والصين وكوريا الجنوبية أن الركائز الحلزونية الدائرية قادرة على تحمل أحمال نزولية وصعودية أعلى بكثير من الركائز المستقيمة البسيطة. ومع ذلك، أجريت معظم الأبحاث السابقة في أحواض رمل مخبرية، ما ترك تساؤلات حول كيفية تأثير الترب الحقيقية المحتوية على طين وتلاصق وتفاوت في الصلابة على أدائها.

اختبارات افتراضية في أرض واقعية

لاستكشاف هذه الأسئلة، بنى المؤلفون نموذجًا ثلاثي الأبعاد مفصلًا لركيزة حلزونية دائرية مفردة محاطة بالتربة. استخدموا برامج صناعية لتمثيل الركيزة الفولاذية كمادة مرنة والأرض كنموذج جيوتِقني شائع يشمل كلًا من القوة والتشوه. تم تركيب الركيزة المحاكاة ثم سحبها لأعلى على مراحل، محاكيًا اختبارات ميدانية كاملة النطاق أجريت في رماد بركاني وطين بحري. عندما قارن الفريق منحنيات الحمل مقابل الإزاحة المحسوبة مع سبع مجموعات من القياسات الميدانية، كان التطابق وثيقًا، مما أعطى ثقة في أن الركيزة الافتراضية تصرفت مثل الحقيقية.

كيف تعبّر الركيزة عن قوتها

أظهرت كل من الاختبارات والمحاكاة أن مقاومة الانسحاب لا تصل إلى ذروة مفاجئة ثم تنهار. بدلًا من ذلك، يزداد القوة المطلوبة للاستمرار في سحب الركيزة بسلاسة مع ارتفاع الرأس للأعلى، مع تباطؤ تدريجي في معدل الزيادة. لا يوجد نقطة فشل حادة. بالنسبة للتصميم، يعني هذا أن السعة النهائية لا يمكن قراءتها من قيمة قصوى واحدة؛ يجب تعريفها باستخدام مستويات إزاحة متفق عليها أو ملاءمة منحنيات. درست الدراسة عدة خيارات عملية ووجدت أنه عندما تصل الركيزة إلى حالتها النهائية، فإن الحركة الصاعدة عند الرأس تكون نحو عُشر قطر الركيزة. الحمل عند هذه الإزاحة يطابق إلى حد كبير القيمة المعطاة بطريقة تقاطع المنحنيات المستخدمة على نطاق واسع، لذا فإن أخذ القوة عند عُشر القطر كسعة انشِقاقية نهائية يعد حلاً عمليًا معقولًا.

أي خصائص التربة هي الأهم

بعد التحقق من صحة نموذجهم، قام الباحثون بتغيير منظم لخصائص التربة الرئيسية عبر نطاقات واقعية لمواقع مزارع الطاقة الشمسية. غيّروا صلابة التربة، ومقدار انكماشها الجانبي عند الضغط، وقوتها الالتصاقية الداخلية، ومقاومتها الاحتكاكية، وخشونة التلامس بين الركيزة والتربة. في كل حالة سحبوا الركيزة إلى عدة مستويات إزاحة وسجلوا القوة المقاومة. عبر جميع السيناريوهات، أدت التربة الأقوى أو الأكثر صلابة دائمًا إلى زيادة قدرة الانسحاب. ومع ذلك، لم تكن كل الخصائص ذات أهمية متساوية. باستخدام عدة طرق حساسية تكميلية، بما في ذلك تغييرات بعامل واحد، وخطط اختبار منظمة، ومقاييس تشابه إحصائية، وجدوا باستمرار أن التلاصق (التماسك) في التربة كان المتحكم الرئيسي، يليه الصلابة وزاوية الاحتكاك. كان لخاصية الانكماش الجانبي واحتكاك السطح بين الركيزة والتربة تأثير أقل بكثير.

إرشادات لأساسات شمسية أكثر أمانًا

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن الركائز الحلزونية الدائرية تمسك بالأرض بشكل أقوى عندما تكون التربة نفسها متلاصقة جيدًا وذات صلابة معقولة، وأن قوتها النهائية تتحقق بعد حركة انشِقاقية معتدلة لكنها ليست ضئيلة. بالنسبة للمهندسين المصممين لحوامل الكهروضوئية، تبرز النتائج أي اختبارات التربة هي الأهم وتقترح قيمة إزاحة عملية يمكن أن تحل محل تعريف فشل أكثر تعقيدًا. من خلال التركيز أولاً على التلاصق، ثم الصلابة وزاوية الاحتكاك، ومعاملة المعلمات الأخرى كثانوية، يمكن للمصممين إدارة حالة عدم اليقين في ظروف الأرض بشكل أفضل والاستفادة بكفاءة أكبر من هذا النوع الواعد من الركائز في توسيع طاقة الشمس.

الاستشهاد: Wang, K., Zhang, R., Yasufuku, N. et al. Numerical investigation of soil parameter effects on the axial uplift bearing capacity of novel photovoltaic circular helicoid piles. Sci Rep 16, 15641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46197-3

الكلمات المفتاحية: ركيزة حلزونية دائرية, قدرة التحمل عند الانسحاب, أساسات الكهروضوئية, حساسية معلمات التربة, تحليل العناصر المحددة