Numeryczne badanie wpływu parametrów gruntu na nośność na wyryw osiowy nowatorskich cylindrycznych pali helikoidalnych do fotowoltaiki

Mocniejsze podpory solarne przeciw wiatrowi

W miarę jak farmy fotowoltaiczne rozrastają się na polach i pustyniach, ich metalowe podpory muszą przeciwstawiać się silnym wiatrom próbującym wyrwać je z gruntu. Inżynierowie zaczęli stosować nowy rodzaj spiralnego fundamentu stalowego, zwany cylindrycznym palem helikoidalnym, do kotwienia ram paneli fotowoltaicznych, lecz to, jak różne typy gleby faktycznie wspierają lub utrudniają pracę tych pali, pozostawało niepewne. Niniejsze badanie wykorzystuje symulacje komputerowe, aby rozplątać, w jaki sposób kluczowe właściwości gruntu kontrolują odporność na wyryw tych specjalnych pali, dostarczając wskazówek dla bezpieczniejszych i bardziej niezawodnych instalacji solarnych na całym świecie.

Nowy typ fundamentu spiralnego

Tradycyjne pale spiralne przypominają stalowy trzon z jedną lub kilkoma płaskimi płytami, podobnie jak ogromna śruba. Cylindryczne pale helikoidalne zastępują oddzielne płyty ciągłą spiralną powierzchnią owiniętą wokół trzonu. Ten kształt może być skręcony z różnym natężeniem i instalowany poprzez obrót, wciskanie lub kombinację obu metod. Prace terenowe w Japonii, Chinach i Korei Południowej wykazały, że cylindryczne pale helikoidalne mogą przenosić znacznie większe obciążenia w dół i w górę niż proste pale. Jednak większość wcześniejszych badań prowadzono w laboratoryjnych zbiornikach z piaskiem, co pozostawiało pytania dotyczące wpływu rzeczywistych gruntów zawierających iły, spójność oraz zmienną sztywność na ich działanie.

Wirtualne testy w realistycznym gruncie

Aby zbadać te zagadnienia, autorzy zbudowali szczegółowy trójwymiarowy model komputerowy pojedynczego cylinrycznego pala helikoidalnego otoczonego gruntem. Użyli przemysłowego oprogramowania, aby przedstawić stalowy pal jako materiał sprężysty, a grunt jako powszechny model geotechniczny uwzględniający zarówno wytrzymałość, jak i odkształcenia. Symulowany pal został zainstalowany, a następnie etapami wyciągany w górę, odzwierciedlając testy polowe pełnej skali przeprowadzone w popiele wulkanicznym i iłach morskich. Gdy zespół porównał obliczone krzywe obciążenie–przemieszczenie z siedmioma zestawami pomiarów terenowych, dopasowanie było bliskie, co dało pewność, że wirtualny pal zachowywał się jak rzeczywisty.

Jak pal mobilizuje swoją nośność

Zarówno testy, jak i symulacje wykazały, że opór na wyryw nie osiąga nagłego maksimum, po którym następuje spadek. Zamiast tego siła potrzebna do dalszego wyciągania pala stopniowo rośnie w miarę przesuwania się głowicy ku górze, przy czym tempo wzrostu stopniowo maleje. Nie występuje wyraźny punkt zerwania. Dla projektowania oznacza to, że nośność końcowa nie może być odczytana z jednej maksymalnej wartości; musi być zdefiniowana przy użyciu uzgodnionych poziomów przemieszczenia lub dopasowania krzywej. Badanie przeanalizowało kilka praktycznych wyborów i stwierdziło, że gdy pal osiąga stan końcowy, przemieszczenie głowicy w górę wynosi około jednej dziesiątej średnicy pala. Obciążenie przy tym przemieszczeniu blisko odpowiada wartości uzyskanej metodą przecięcia krzywych szeroko stosowaną w praktyce, więc przyjęcie siły przy jednej dziesiątej średnicy jako nośności ostatecznej jest rozsądnym uproszczeniem.

Które właściwości gruntu mają największe znaczenie

Po zwalidowaniu modelu badacze systematycznie zmieniali kluczowe właściwości gruntu w realistycznych zakresach dla lokalizacji farm solarnych. Zmieniali sztywność gruntu, jego skłonność do bocznego kurczenia się pod naciskiem, spójność międzycząsteczkową, opór tarcia oraz chropowatość styku między palem a gruntem. Dla każdego przypadku wyciągali pal do kilku poziomów przemieszczenia i rejestrowali siłę oporu. We wszystkich scenariuszach grunt twardszy lub o większej wytrzymałości zawsze zwiększał nośność na wyryw. Jednak nie wszystkie parametry były równie istotne. Stosując kilka komplementarnych metod analizy wrażliwości, w tym proste zmiany jednego czynnika, uporządkowane plany testów oraz statystyczne miary podobieństwa, konsekwentnie stwierdzono, że dominującym czynnikiem jest spójność gruntu, następnie sztywność i kąt tarcia. Właściwość bocznej kurczliwości oraz bezpośrednie tarcie na styku pala–grunt miały znacznie mniejszy wpływ.

Wskazówki dla bezpieczniejszych fundamentów solarnych

Mówiąc wprost, praca ta pokazuje, że cylindryczne pale helikoidalne lepiej chwytają grunt, gdy sam grunt jest dobrze związany i stosunkowo sztywny, oraz że ich wytrzymałość końcowa osiągana jest po umiarkowanym, ale nie drobnym przemieszczeniu w górę. Dla inżynierów projektujących podpory fotowoltaiczne wyniki podkreślają, które badania gruntu są najistotniejsze i sugerują praktyczny cel przemieszczenia, który może zastąpić bardziej złożoną definicję awarii. Koncentrując się najpierw na spójności, następnie na sztywności i tarciu, a inne parametry traktując jako wtórne, projektanci mogą lepiej zarządzać niepewnością warunków gruntowych i efektywniej wykorzystywać ten obiecujący typ pali przy rozwoju energetyki słonecznej.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: cylindryczne pale helikoidalne, nośność na wyryw, fundamenty fotowoltaiczne, czułość na parametry gruntu, analiza elementów skończonych