Numerisk undersökning av jordparametrars påverkan på axiell draghållfasthet hos nya fotovoltaiska cirkulära helikoidpålar

Starkare solstöd mot vinden

När solparker breder ut sig över fält och öknar måste deras metallskelett motstå starka vindkrafter som försöker dra dem ur marken. Ingenjörer har börjat använda en ny typ av spiralstålgrund, kallad cirkulär helikoidpåle, för att förankra fotovoltaiska ramar, men hur olika jordtyper faktiskt hjälper eller hindrar dessa pålar har varit osäkert. Denna studie använder datorsimuleringar för att reda ut hur centrala markegenskaper styr uppåtriktad hållfasthet hos dessa speciella pålar och ger vägledning för säkrare och mer tillförlitliga solinstallationer globalt.

En ny typ av spiralgrund

Traditionella spiralpålar liknar en stång med en eller flera platta skivor, ungefär som en jätteskruv. Den cirkulära helikoidpålen ersätter diskreta plattor med en kontinuerlig spiralformad yta som omsluter stången. Denna form kan vridas tätare eller lösare och installeras antingen genom rotation, genom nedpressning eller en kombination av båda. Fältprojekt i Japan, Kina och Sydkorea har visat att cirkulära helikoidpålar kan bära mycket högre nedåtriktade och uppåtriktade laster än enkla raka pålar. Ändå gjordes större delen av tidigare forskning i laboratoriesandkar, vilket lämnar öppna frågor om hur naturliga jordar med lera, kohesion och varierande styvhet påverkar deras prestanda.

Virtuell testning i realistisk mark

För att undersöka dessa frågor byggde författarna en detaljerad tredimensionell datormodell av en enskild cirkulär helikoidpåle omgiven av jord. De använde industriell programvara för att beskriva stålpålen som ett elastiskt material och marken som en vanlig geoteknisk modell som inkluderar både hållfasthet och deformation. Den simulerade pålen installerades och drogs sedan uppåt i etapper, vilket speglade fullskaliga fälttester utförda i vulkanaska och marin lera. När teamet jämförde beräknade last–förskjutningskurvor med sju uppsättningar mätningar på plats var överensstämmelsen nära, vilket gav förtroende för att den virtuella pålen uppträdde som den verkliga.

Hur pålen mobiliserar sin styrka

Både testerna och simuleringarna visade att uppåtriktat motstånd inte plötsligt når en topp för att sedan falla. Istället ökar den kraft som krävs för att fortsätta dra pålen jämnt när huvudets rörelse uppåt ökar, med ökningen som successivt avtar. Det finns ingen skarp brottpunkt. För dimensionering betyder detta att den ultimata kapaciteten inte kan läsas av som ett enda maximalvärde; den måste definieras med överenskomna förskjutningsnivåer eller med kurvpassning. Studien undersökte flera praktiska val och fann att när pålen når sitt ultimata tillstånd är uppåtrörelsen vid huvudets centrum ungefär en tiondel av pålens diameter. Lasten vid denna förskjutning matchar väl värdet som ges av en allmänt använd kurvskärningsmetod, så att ta kraften vid en tiondel av diametern som den ultimata dragkapaciteten är en rimlig förenkling.

Vilka jordegenskaper som betyder mest

När de validerat sin modell varierade forskarna systematiskt viktiga jordegenskaper över realistiska intervall för platser med solparker. De ändrade jordens styvhet, hur mycket den krymper åt sidan vid kompression, dess inre bindningsstyrka (kohesion), dess friktionsmotstånd och kontaktråheten mellan påle och jord. För varje fall drog de pålen till flera förskjutningsnivåer och registrerade motståndskraften. Över alla scenarier ökade alltid uppåtriktad kapacitet med starkare eller styvare jord. Men inte alla egenskaper var lika betydelsefulla. Med flera kompletterande känslighetsmetoder, inklusive enkla enfaktorsändringar, strukturerade försöksplaner och statistiska likhetsmått, fann de konsekvent att jordkohesion var den dominerande faktorn, följd av styvhet och friktionsvinkel. Sidokrympningsegenskapen och direkt friktion vid påle–jordytan hade mycket mindre påverkan.

Vägledning för säkrare solfundament

Enkelt uttryckt visar detta arbete att cirkulära helikoidpålar griper marken mer fast när jorden är väl sammanbunden och rimligt styv, och att deras ultimata styrka uppnås efter en måttlig men inte försumbar uppåtrörelse. För ingenjörer som dimensionerar fotovoltaiska stöd framhäver resultaten vilka jordtester som är viktigast och föreslår ett praktiskt mål för förskjutning som kan ersätta en mer komplex brottsdefinition. Genom att fokusera på kohesion först, styvhet och friktion därefter, och betrakta andra parametrar som sekundära, kan konstruktörer bättre hantera osäkerhet i markförhållanden och göra mer effektiv användning av denna lovande påltyp i utbyggnaden av solenergi.

Citering: 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

Nyckelord: cirkulär helikoidpåle, dragbärighet, fotovoltaiska fundament, känslighet för jordparametrar, finite element-analys