土壤参数对新型光伏圆形螺旋桩轴向拔出承载力的数值研究

在风中更坚固的太阳能支撑

随着太阳能电站在田野和沙漠中扩展，其金属支架必须抵抗试图将其从地面拔出的强风。工程师开始采用一种称为圆形螺旋桩的新型螺旋钢基础来锚固光伏支架，但不同类型土壤究竟如何帮助或阻碍这些桩仍不明朗。本研究利用计算机模拟理清关键地基性质如何控制这些特殊桩的拔出强度，为更安全、更可靠的全球光伏装置提供指导。

一种新型螺旋基础

传统螺旋桩看起来像带有一块或多块平板的钢轴，有点像巨型螺丝。圆形螺旋桩用缠绕在轴周围的连续螺旋面取代了离散的板片。这种形状可以更紧或更松地扭绕，并可通过旋转、压入或两者结合的方法施工。日本、中国和韩国的现场工程表明，圆形螺旋桩在承受向下和向上的载荷方面均远高于普通直桩。然而，以往大多数研究在实验室砂箱中进行，关于含黏土、有结合力和刚度变化的真实土体如何影响其性能仍有疑问。

在真实地基中的虚拟试验

为探讨这些问题，研究者建立了单个圆形螺旋桩被土体包围的详细三维计算模型。他们使用工业软件将钢桩表示为弹性材料，并用一种常见的岩土模型来描述地基，兼顾强度与变形特性。模拟桩按施工方式安装后分阶段向上拔出，仿真过程对应火山灰与海洋粘土中的规模化现场试验。当研究团队将计算得到的荷载—位移曲线与七组现场测量数据比较时，两者接近一致，这增强了虚拟桩与真实桩相符的信心。

桩如何发挥其承载力

试验和仿真均表明，拔出阻力并非突然达到峰值后骤降。相反，随着桩顶向上位移所需的力平稳上升，但增长幅度逐渐减缓，并无明显断裂点。对于设计而言，这意味着极限承载力不能单凭一个最大值来判定；必须采用约定的位移水准或曲线拟合方法来定义。研究检验了若干实用选择，发现当桩达到极限状态时，桩顶的上移约为桩径的十分之一。在该位移处的荷载与一种广泛使用的曲线交叉法所得数值非常接近，因此将桩径十分之一位移处的荷载作为极限拔出承载力是一种合理的简化做法。

哪些土壤性质最重要

在验证模型后，研究人员按太阳能场址的现实范围系统地改变了关键土壤参数。他们调整了土体刚度、压缩时的侧向收缩性、内部结合强度、摩擦阻力以及桩-土接触的粗糙度。对每种情形，他们将桩拔至若干位移水平并记录抵抗力。在所有场景中，更强或更刚的土体总是增加拔出承载力。然而，并非所有参数同等重要。采用包括单因素变化、结构化试验方案和统计相似性度量在内的多种灵敏度方法后，他们一致发现土体黏聚力是主导因子，其次是刚度和摩擦角。侧向收缩性质与桩土表面直接摩擦的影响要小得多。

为更安全的光伏基础提供建议

简而言之，本研究表明，当土体本身具有良好结合力且足够刚时，圆形螺旋桩与地基的咬合更牢固，其极限强度在经过适中但非微小的拔出位移后形成。对于设计光伏支撑的工程师而言，结果强调了哪些土工试验最为重要，并提出了可替代更复杂失效定义的实用目标位移。通过首先关注黏聚力，其次关注刚度与摩擦，并将其他参数视为次要项，设计者可以更好地应对地基不确定性，并在光伏装置扩展中更高效地利用这种有前景的桩型。

引用: 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

关键词: 圆形螺旋桩, 拔出承载力, 光伏基础, 土壤参数敏感性, 有限元分析