Proiectarea fundatiilor pentru panouri fotovoltaice montate la sol pe baza incercarilor CPT

Alegerea tipului de fundatie pentru panouri fotovoltaice depinde de mai multi factori, printre care tipul de teren, localizarea geografica, topografia amplasamentului, nivelul apei subterane si potentialul de coroziune al terenului. La realizarea fundatiilor pentru panouri fotovoltaice montate la sol se pot folosi in general solutii de tip fundatii balastate, suruburi de pamant, piloti elicoidali, insa cea mai frecventa solutie este cu micropiloti metalici batuti.

Articolul de fata vizeaza optimizarea proiectarii fundatiilor utilizand micropiloti metalici folosind rezultatele obtinute din incercarile CPT, pentru a permite o proiectare mai eficienta si adaptata conditiilor locale ale terenului. Pentru validarea metodei propuse, s-au efectuat incercari in situ pe un amplasament din judetul Dambovita, Romania. S-au organizat 4 poligoane de incercare, unde s-au testat micropiloti metalici de tip C100 cu lungimi de 2,0 m si 2,5 m, atat in conditii de umiditate naturala, cat si in conditii de teren saturat. Incercarile au inclus masuratori de rezistenta la smulgere si au fost corelate cu datele obtinute din 8 teste CPT realizate in proximitatea poligoanelor. Datele obtinute din incercarile CPT au fost utilizate pentru a dezvolta o relatie matematica de estimare a capacitatii portante la smulgere a micropilotilor. Formula propusa integreaza parametrii relevanti, precum rezistenta medie pe con (q_c), frecarea laterala cumulata (f_s), perimetrul profilului metalic si adancimea de incastrare. Validarea formulei a demonstrat o buna corelare intre valorile estimate si rezultatele masurate in teren, cu o eroare medie sub 10%.

Rezultatele indica faptul ca metoda propusa poate oferi o alternativa fiabila la metodele traditionale de proiectare a fundatiilor pentru panouri fotovoltaice. Aceasta permite o dimensionare mai rapida si mai precisa a micropilotilor, reducand necesitatea incercarilor experimentale extinse si implicit costurile asociate.

INTRODUCERE

Expansiunea rapida a infrastructurii de energie regenerabila, in special a instalatiilor fotovoltaice (PV) montate la sol, a creat o cerere crescanda pentru solutii de fundare eficiente si rentabile. Selectarea sistemelor de fundare adecvate pentru panourile PV este critica pentru asigurarea stabilitatii structurale, optimizand in acelasi timp costurile de construire si termenele de instalare. Proiectarea fundatiilor trebuie sa tina cont de diversi factori, inclusiv tipul de teren, localizarea geografica, morfologia amplasamentului, nivelul apei subterane si potentialul de coroziune al pamantului si apei subterane.

Solutiile comune de fundare pentru panourile PV montate la sol includ fundatii balastate (VANDEWETERING, JAMIL, & PEARCE, 2024), suruburi de pamant (SIRIVACHIRAPORN & WATTANACHANNARONG, 2016), piloti elicoidali (SAKR, 2011) si micropilotii metalici batuti (LUTENEGGER, 2016). Dintre aceste optiuni, micropilotii metalici batuti au castigat o popularitate semnificativa datorita usurintei de instalare, rentabilitatii si adaptabilitatii la diverse conditii de teren. Cu toate acestea, abordarile traditionale de proiectare pentru fundatiile cu micropiloti se bazeaza adesea pe presupuneri acoperitoare si valori standardizate ale capacitatii portante care pot sa nu reflecte cu acuratete conditiile specifice ale terenului.

Incercarea de penetrare cu conul (CPT) a devenit un instrument valoros pentru caracterizarea geotehnica a unui amplasament, oferind profiluri continue ale parametrilor de rezistenta ai pamantului care pot fi corelati direct cu capacitatea portanta a fundatiilor. Datele CPT ofera avantaje fata de metodele traditionale, ce presupun forare si prelevare de probe, prin furnizarea de informatii in timp real, cu rezolutie inalta despre proprietatile pamantului si eliminarea efectelor de perturbare asociate cu forajul si prelevarea conventionala.

Cercetarile recente au demonstrat potentialul pentru dezvoltarea metodelor de proiectare bazate pe CPT pentru diverse tipuri de fundatii, inclusiv piloti si micropiloti. Studiile realizate de ROBERTSON & CABAL (2022) si SAKLESHPUR et al. (2021) au stabilit cadrul pentru corelarea parametrilor CPT cu capacitatea portanta a pilotilor, in timp ce investigatiile realizate de SAKR (2011) si SIRIVACHIRAPORN & WATTANACHANNARONG (2016) au examinat indeosebi solutiile de fundare pentru instalatiile solare.

In ciuda acestor progrese, exista inca o nevoie pentru metode de proiectare validate, specifice amplasamentului, care pot valorifica datele CPT pentru optimizarea proiectarii fundatiilor cu micropiloti pentru aplicatii PV. Studiul actual abordeaza aceasta lacuna prin dezvoltarea si validarea unei relatii matematice intre parametrii CPT si capacitatea portanta la smulgere a micropilotilor metalici folositi in fundatiile PV.

Obiectivele principale ale acestei cercetari sunt: (1) realizarea testarii in teren a micropilotilor metalici in conditii de incarcare la smulgere, (2) corelarea capacitatilor masurate la smulgere cu datele CPT obtinute din acelasi amplasament, (3) dezvoltarea unei relatii matematice pentru estimarea capacitatii portante la smulgere bazata pe parametrii CPT, si (4) validarea metodei propuse prin comparatie cu performanta masurata in teren.

MATERIALE SI METODE

1. Localizarea si caracterizarea amplasamentului

Studiul a fost realizat pe un amplasament situat in judetul Dambovita, Romania (fig. 1), selectat pentru a oferi conditii reprezentative de teren tipice pentru regiune, cu profiluri de teren relativ omogene potrivite pentru testarea fundatiilor. Topografia amplasamentului era in general plana, cu variatii minime ale suprafetei, oferind conditii optime pentru procedurile de testare controlata.

Fig. 1: Localizarea amplasamentului studiat

Patru poligoane de incercare au fost stabilite pe amplasament pentru a tine cont de potentiala variabilitate spatiala a conditiilor de teren (fig. 2). In cadrul fiecarui poligon au fost testate cate 4 profile metalice, de diverse dimensiuni, dar si la conditii de umiditate diferite.

Fig. 2: Dispunerea in teren a poligoanelor de incercari

2. Conditii geotehnice

Caracterizarea terenului a fost realizata prin foraje cu prelevarea de probe la adancimi cuprinse intre 0,4 m si 2,0 m, la intervale de 0,4 m. Analiza de laborator a probelor prelevate a inclus analiza distributiei granulometrice pentru clasificarea pamantului. Rezultatele au indicat ca amplasamentul prezinta conditii cvasi-omogene, constand in general din argila cafenie plastic vartoasa (fig. 3).

Fig. 3: Curbele granulometrice obtinute pe probele de pamant analizate

Opt incercari de tip CPT au fost realizate in vecinatatea locatiilor de testare ale micropilotilor, la adancimi de aproximativ 4 m, folosind un echipament CPT de tip Pagani cu capacitate de impingere de 200 kN. Echipamentul a fost dotat cu un con Eijkelkamp GeoPoint cu capacitate maxima de rezistenta la varf de 60 MPa.

Masuratorile CPT au oferit profiluri continue ale rezistentei la varful conului (q_c), frecarii laterale (f_s) si presiunii apei din pori (u) pe toata adancimea investigata (fig. 4). Investigatiile CPT au indicat conditii relativ omogene pe amplasament. Valorile tipice ale rezistentei la varful conului au variat de la 1,5 la 4,0 MPa in intervalul de adancime relevant pentru incastrarea micropilotilor. Valorile frecarii au variat in general de la 50 la 200 kPa, cu valori mai mari corespunzand zonelor cu continut crescut de argila.

Fig. 4: Suprapunerea rezultatelor incercarilor CPT – valorile medii sunt marcate cu rosu

3. Micropilotii

Programul de testare a utilizat profile metalice de tip C100, reprezentand o configuratie de micropiloti utilizata frecvent in practica nationala. Au fost testate doua lungimi diferite de stalpi: 2,0 m si 2,5 m lungime totala, cu adancimi de incastrare de 1,5 m si respectiv 2,0 m. Toti micropilotii au mentinut o lungime libera de aproximativ 0,5 m deasupra suprafetei terenului.

Instalarea a fost realizata folosind un sistem de batere cu ciocan (soneta), asigurand o energie de instalare uniforma si minimizand perturbarea terenului. Dupa instalare, micropilotii au fost taiati pentru a obtine configuratia de lungime libera specificata (fig. 5).

Fig. 5: Dispunerea profilelor metalice imediat dupa instalare in cadrul unui poligon de incercari

4. Programul de incercari

Programul experimental a fost proiectat pentru a evalua performanta micropilotilor in conditii variabile de umiditate. Testarea a fost realizata atat in conditii de umiditate naturala a terenului, cat si in conditii saturate artificial pentru a evalua influenta apei subterane asupra capacitatii la smulgere. Fiecare poligon de incercare a inclus patru micropiloti: doi testati in conditii naturale si doi in conditii saturate.

Au fost utilizate doua metode de saturare pentru a asigura conditii reprezentative de umiditate a terenului: (a) saturare verticala prin excavarea unor zone de suprafata de aproximativ 1 m × 1 m in jurul micropilotilor, conectate prin santuri inguste, si (b) saturare radiala prin foraje umplute cu pietris si pozitionate adiacent micropilotilor de testare (fig. 6). Saturarea a fost realizata prin aplicarea controlata a apei la o rata de aproximativ 1 L/min pana la aplicarea unui volum total de 1 m³ pentru fiecare pereche de micropiloti.

Testele de smulgere au fost realizate folosind un sistem de testare hidraulic capabil sa aplice incarcari de pana la 100 kN cu precizia masurarii de 0,05 kN. Masuratorile de deplasare au fost inregistrate folosind microcomparatoare cu precizie variind de la 0,01 mm la 0,001 mm in functie de cerintele specifice ale testului.

Protocolul de testare a implicat aplicarea graduala a incarcarilor incrementale (incremente de 2-4 kN) cu fiecare increment de incarcare aplicat pe parcursul a 30-60 de secunde si mentinut constant pentru inca 60 de secunde. Testarea a continuat pana cand unul dintre urmatoarele criterii de terminare a fost indeplinit: (1) deplasarile masurate au depasit 25 mm, (2) incarcarea aplicata a atins 50 kN, sau (3) ratele de deplasare au indicat pierderea capacitatii de preluare a incarcarii.

O perioada minima de asteptare de o saptamana a fost mentinuta intre instalarea micropilotilor si testare pentru a permite terenului sa distribuie eforturile in jurul micropilotilor instalati.

Fig. 6: Amenajarea terenului pentru inundare: sus – saturare verticala, jos – saturare radiala

REZULTATE

1. Rezultatele incercarilor de smulgere

Testarea la smulgere a fost realizata pe 16 micropiloti in cele patru poligoane de incercare, in conditii variabile de umiditate si adancime de incastrare. Rezultatele testelor au demonstrat relatii clare intre adancimea de incastrare, conditiile de umiditate a terenului si capacitatea ultima la smulgere.

Pentru micropilotii testati in conditii de umiditate naturala a pamantului, capacitatile ultime la smulgere au variat de la 14,5 kN la 22,5 kN pentru adancimea de incastrare de 1,5 m si de la 25,5 kN la 36,0 kN pentru adancimea de incastrare de 2,0 m (fig. 7). Diagramele incarcare ‒ deplasare au prezentat caracteristici tipice pentru smulgerea micropilotilor, cu raspuns liniar initial urmat de curgere progresiva care duce la capacitatea ultima.

Fig. 7: Rezultatele incercarilor la smulgere pe teren in stare naturala

Testarea in conditii de teren saturat a aratat in general capacitati mai mari la smulgere, comparativ cu conditiile de umiditate naturala. Capacitatile ultime au variat de la 17,5 kN la 31,5 kN pentru diverse adancimi de incastrare si conditii de saturare. Cresterea capacitatii in conditii saturate a fost atribuita caracterului expansiv al pamantului, ceea ce a condus la o crestere a eforturilor la interfata teren ‒ pilot.

Fig. 8: Rezultatele incercarilor la smulgere pe teren in stare inundata

2. Dezvoltarea relatiei matematice

Pe baza setului de date ale masuratorilor CPT si rezultatelor corespunzatoare ale testelor de smulgere, a fost dezvoltata o relatie matematica pentru predictia capacitatii ultime la smulgere. Ecuatia propusa are forma:

unde:

z ‒ adancimea de incastrare a micropilotului;

U ‒ perimetrul sectiunii transversale a micropilotului;

q_av (z) ‒ rezistenta medie pe varful conului pana la adancimea z;

f_s,cum (z) ‒ frecarea laterala cumulata pana la adancimea z;

a, b, c, d, e ‒ parametrii ecuatiei, care in cadrul acestui studiu au fost alesi:

a = 5,34; b = 3,37_˟10^-3; c = -2,78_˟10^-3; d = 2,77_˟10^-5; e = 1,52_˟10^-4.

3. Validarea metodei propuse

Relatia matematica propusa a fost validata prin comparatie cu capacitatile masurate la smulgere in toate poligoanele de incercare. Fig. 9 prezinta un exemplu de comparatii intre valorile prezise si cele masurate intr-un poligon de incercare, demonstrand o concordanta buna intre cele doua seturi de date.

Analiza statistica a setului complet de date a relevat un coeficient de corelatie de 0,97 intre capacitatile prezise si masurate la smulgere, indicand capacitatea predictiva puternica a metodei propuse. Erorile individuale de predictie au variat de la 0% la 16%, cu majoritatea predictiilor incadrandu-se in ±10% din valorile masurate (tabelul 1, fig. 10).

Rezultatele validarii demonstreaza ca metoda de proiectare bazata pe CPT propusa ofera estimari fiabile ale capacitatii la smulgere a micropilotilor in intervalul conditiilor testate, sprijinind potentialul sau de aplicare pentru proiectarea practica a fundatiilor.

Fig. 9: Comparatie intre capacitatea portanta estimata pe baza relatiei propuse si valorile masurate prin testarea profilelor din teren – poligonul de incercare 2

Tabelul 1: Sintetizarea rezultatelor obtinute prin calcul si prin testare

Fig. 10: Corelarea dintre valorile estimate si cele masurate

DISCUTII

1. Performanta metodei propuse

Rezultatele demonstreaza ca datele CPT pot fi utilizate eficient pentru predictia capacitatii portante la smulgere a micropilotilor metalici folositi ca solutii de fundare. Corelatia puternica (R² = 0,97) intre capacitatile prezise si masurate valideaza abordarea fundamentala de corelare a rezistentei la penetrare in situ de performanta micropilotilor.

Relatia matematica capteaza cu succes influenta parametrilor-cheie ai terenului, inclusiv rezistenta medie a conului si frecarea cumulata pe suprafata laterala, care reprezinta mecanismele primare ce contribuie la rezistenta la smulgere a micropilotilor. Includerea atat a componentelor de rezistenta la varf, cat si a frecarii laterale in ecuatie reflecta natura compozita a transferului de sarcina al micropilotului.

2. Influenta conditiilor de umiditate a terenului

Programul de testare a relevat sensibilitatea semnificativa a capacitatii la smulgere a micropilotilor la conditiile de umiditate a terenului. Conditiile saturate au dus in general la capacitati mai mari la smulgere, comparativ cu starile de umiditate naturala, contrar asteptarilor teoretice bazate pe principiile eforturilor efective. Rezultatele mai bune in conditii de saturare sunt puse pe seama caracterului expansiv al terenului, caracterizat de argile incadrate in categoria pamanturilor cu umflari si contractii mari.

Sensibilitatea observata la umiditate are implicatii practice pentru proiectarea fundatiilor PV, in special in regiunile cu precipitatii sezoniere semnificative sau conditii variabile ale apei subterane. Metoda de proiectare propusa poate acomoda aceste variatii prin selectarea adecvata a parametrilor de proiectare si aplicarea factorilor de siguranta potriviti.

3. Limitari si directii viitoare de cercetare

Desi studiul actual demonstreaza viabilitatea proiectarii micropilotilor bazata pe CPT, trebuie recunoscute mai multe limitari. Investigatia a fost realizata pe un singur amplasament, cu pamanturi argiloase relativ omogene, limitand potentialul de generalizare a relatiei propuse la alte conditii geotehnice.

Cercetarile viitoare se vor concentra pe extinderea bazei de date a corelatiilor CPT ‒ micropiloti pentru a include conditii diverse de teren, inclusiv pamanturi nisipoase, profiluri mixte si conditii variabile ale apei subterane. Testarea suplimentara a diferitelor geometrii de micropiloti si metode de instalare ar imbunatati si mai mult aplicabilitatea abordarii de proiectare.

CONCLUZII

Acest studiu a dezvoltat si validat cu succes o metoda de proiectare bazata pe CPT pentru estimarea capacitatii portante la smulgere a micropilotilor metalici folositi in aplicatiile de fundare pentru panouri fotovoltaice. Programul de testare in teren a inclus 16 teste de smulgere, foraje si 8 incercari CPT. Relatia matematica dezvoltata a demonstrat o concordanta excelenta cu capacitatile masurate la smulgere, obtinand un coeficient de corelatie de 0,97 si erori de predictie in general in ±10%.

Capacitatea la smulgere a micropilotilor a aratat sensibilitate semnificativa la conditiile de umiditate a terenului, cu conditiile saturate producand in general capacitati mai mari, comparativ cu starile de umiditate naturala.

Abordarea bazata pe CPT permite proiectarea fundatiilor specifice amplasamentului care tine cont de conditiile geotehnice locale, ducand potential la solutii de fundare mai eficiente si economice. Metoda propusa ofera o alternativa practica la abordarile traditionale de proiectare, oferind capacitati rapide de caracterizare a amplasamentului si optimizare a proiectarii fundatiilor.

Cercetarea contribuie la avansarea ingineriei fundatiilor pentru infrastructura de energie regenerabila prin furnizarea unui instrument validat pentru optimizarea proiectarii fundatiilor cu micropiloti. Metodologia abordeaza nevoia crescanda pentru solutii de fundare eficiente, specifice amplasamentului in industria fotovoltaica in expansiune.

Cercetarile viitoare ar trebui sa se concentreze pe extinderea aplicabilitatii metodei la conditii diverse de teren si configuratii de micropiloti, dezvoltarea parametrilor de calibrare specifici regiunii si investigarea caracteristicilor de performanta pe termen lung. Implementarea metodologiei propuse in practica de inginerie are potentialul de a imbunatati eficienta si fiabilitatea proiectarii fundatiilor PV reducand in acelasi timp costurile de construire si termenele de instalare.

BIBLIOGRAFIE

[1] VANDEWETERING, N., JAMIL, U., & PEARCE, J. M. (2024). Ballast-supported foundation designs for DIY low-cost open-source solar photovoltaic racking systems. Preprints;

[2] SIRIVACHIRAPORN, A., & WATTANACHANNARONG, C. (2016). The using of ground screw pile as mounting structure foundation in Solar PV farm. ICEAI 2016 ‒ International Congress on Engineering and Information. Tennoji-ku, Osaka;

[3] SAKR, M. (2011). Helical piles ‒ An effective foundation system for solar plants. 14^th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 64^th Canadian Geotechnical Conference. Toronto;

[4] LUTENEGGER, A. J. (2016). Foundation alternatives for ground mount solar panel installations. Proceedings of the ASCE Joint GT/SEI Conference;

[5] ROBERTSON, P. K. & K. CABAL. (2022). Guide to Cone Penetration Testing ‒ 7^th Edition;

[6] SAKLESHPUR, V. A., PREZZI, M., SALGADO, R., & ZAHEER, M. (2021). CPT-based geotechnical design manual, volume 2: CPT-based design of foundations ‒ Methods. Joint Transportation Research Program. Indiana Department of Transportation and Purdue University.

Autori:

dr. ing. Adrian PRICEPUTU ‒ Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

MSc ing. Ana-Maria PRELIPCEAN ‒ Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

dr. ing. Constantin UNGUREANU ‒ Universitatea Bucuresti

Aceasta lucrare a fost finantata prin programul „Granturi nationale de cercetare – ARUT” acordate de catre Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, contract nr. GNaC ARUT/2023 ‒ UTCB-17 / 2023

This work was supported by a „National Research Grants” of the UTCB, project number GNaC ARUT/2023 ‒ UTCB-17 / 2023

(Lucrare prezentata la a XV-a Conferinta Nationala de Geotehnica si Fundatii ‒ 18-20 septembrie 2025, Timisoara | www.ct.upt.ro/cngf2025/)

…citeste prima parte a articolului in Revista Constructiilor nr. 230 – noiembrie 2025, pag. 52-54