超短勁性復(fù)合樁基在光伏發(fā)電項(xiàng)目中的應(yīng)用

武 江，李 建

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663；2.上海港灣基礎(chǔ)建設(shè)（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200072）

0 引言

隨著我國(guó)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的推進(jìn)，光伏項(xiàng)目開(kāi)發(fā)建設(shè)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期，具備良好建設(shè)條件和消納送出能力的土地資源，變得越來(lái)越稀缺。充分利用沿海灘涂、魚(yú)塘開(kāi)發(fā)建設(shè)光伏項(xiàng)目，已經(jīng)成為東南沿海地區(qū)建設(shè)光伏項(xiàng)目的一個(gè)重要方向，具有廣闊的發(fā)展空間[1]。采用常規(guī)預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)建設(shè)是目前這類項(xiàng)目主要的基礎(chǔ)形式，然而此類地區(qū)往往地質(zhì)條件較差，多數(shù)為深厚淤泥地基，承載力極低，即使采用摩擦樁不穿透淤泥土層，也會(huì)使得管樁長(zhǎng)度大幅增加，建設(shè)成本增大，直接影響項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

勁性復(fù)合樁基是在散體樁或柔性樁中插入鋼筋混凝土剛性樁，形成勁性復(fù)合體受力結(jié)構(gòu)，由于復(fù)合樁基與自然土體的摩擦面增大，且混凝土剛性樁插入后，柔性（散體）樁擠擴(kuò)土體，摩擦增強(qiáng)，因而勁性復(fù)合樁基的承載力顯著提高，是一種較為理想的地基加固方法[2-4]。這類復(fù)合樁基已在建筑地基處理領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，但對(duì)于光伏發(fā)電項(xiàng)目，由于光伏支架樁基數(shù)量多，分布范圍廣，承載力要求低，目前尚未得到應(yīng)用。對(duì)于淤泥深厚的軟土地基，采用水泥攪拌樁+高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁的柔剛復(fù)合樁基，對(duì)提升單樁承載力、減小樁長(zhǎng)、降低造價(jià)具有一定的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)此進(jìn)行探索與嘗試。

1 工程概述

廣東沿海某大型漁光互補(bǔ)發(fā)電項(xiàng)目，建設(shè)規(guī)模約300 MWp，占地面積約2.7 km2，項(xiàng)目場(chǎng)址位于濱海灘涂及水塘，塘堤較高，其余地段較平坦，屬濱海沉積平原。場(chǎng)址水塘內(nèi)主要用于生蠔養(yǎng)殖，通過(guò)海堤閘口利用漲落潮可控制水位高低。光伏陣列區(qū)域地質(zhì)條件如下。

（1）素填土，層厚2.40～3.50 m，平均2.66 m。黃色，松散，由大量碎石及泥質(zhì)堆填，松散，為近期回填，主要分布于魚(yú)塘堤壩。

（2）淤泥，層頂標(biāo)高-2.01～2.94 m，層頂埋深0.00～3.50 m，層厚9.00～28.60 m，平均16.24 m?；液谏柡?，流塑，土質(zhì)均勻，含少量砂質(zhì)及有機(jī)質(zhì)，具腐臭味。

（3）粉質(zhì)黏土，層頂標(biāo)高-22.85～-9.98 m，層頂埋深11.30～24.40 m，層厚2.30～12.80 m，平均7.02 m。黃色，可塑狀，由粉粘粒組成，黏性好，含少量砂質(zhì)。

（4）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層頂標(biāo)高-22.09～-11.03 m，層頂埋深12.30～23.40 m，層厚1.80～11.20 m，平均6.04 m?；液谏柡?，軟塑，土質(zhì)均勻，含少量砂質(zhì)及有機(jī)質(zhì)，具腐臭味。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以下為較好的礫砂和砂質(zhì)粘黏性土，埋藏深度超過(guò)20 m，承載力較高。光伏方陣采用了2×28豎向雙排布置，上部支架采用冷彎薄壁型鋼形成三角形結(jié)構(gòu)支架，下部采用單樁預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)，采用SAP2000軟件建模，管樁樁頂所受外力如表1所示。

表1 樁頂所受外力Table.1 External force on pile top kN

根據(jù)地勘單位提供的資料及現(xiàn)場(chǎng)情況，場(chǎng)址大部分區(qū)域表層均為深厚的淤泥層，若要滿足抗壓和抗拔承載力要求，依據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基規(guī)范》[2]，當(dāng)選用PHC-300-A 型高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，根據(jù)土層參數(shù)計(jì)算，入泥深度為6 m時(shí)可滿足要求，計(jì)算抗壓承載力為17.3 kN，抗拔承載力為16 kN（含樁身自重），水平承載力為14.2 kN。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，管樁入泥深度為6 m時(shí)，極限抗壓承載力極限值可以達(dá)到35 kN，極限抗拔承載力大于22 kN，水平臨界荷載為18 kN，與設(shè)計(jì)值比較吻合，可滿足設(shè)計(jì)要求。但此方案中樁長(zhǎng)9.5～10 m（出泥面樁長(zhǎng)為3.5～4 m），造價(jià)相對(duì)較高，經(jīng)濟(jì)性不佳。

2 復(fù)合樁基方案

勁性復(fù)合樁是近年來(lái)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的一種新型樁基形式，復(fù)合樁的實(shí)現(xiàn)首先是進(jìn)行水泥土樁的成樁，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行混凝土芯樁的壓入，由此形成一種混凝土芯樁和水泥土共同工作，承擔(dān)上部荷載的新樁型。勁性復(fù)合樁因樁土擠擴(kuò)界面變大，改善荷載傳遞途徑，呈現(xiàn)摩擦樁的特性[3-4]，使得水泥土樁具有遠(yuǎn)高于混凝土樁的側(cè)阻力，而混凝土樁有遠(yuǎn)高于水泥土樁的樁身強(qiáng)度，二者結(jié)合可得到高于傳統(tǒng)樁型的性價(jià)比。

根據(jù)芯樁和水泥土樁的關(guān)系，可以將其分為短芯樁、等芯樁和長(zhǎng)芯樁。本項(xiàng)目場(chǎng)址由于淤泥層深厚，樁側(cè)和樁端阻力低，樁基承載力的控制因素除樁身承載力外，最主要的是豎向抗壓承載力，而水泥土樁直徑和樁長(zhǎng)是提高這一承載力的主要因素，因此建議選擇短芯樁或等芯樁。

按照J(rèn)GJ/T 327—2014《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》，柔剛復(fù)合樁基計(jì)算需要考慮樁側(cè)破壞面位于內(nèi)、外芯界面時(shí)，對(duì)于等芯或短芯樁基樁豎向抗壓特征值Ra與抗拔承載力特征值Tua按照式（1）、式（2）計(jì)算[5]：

式中：uc為內(nèi)芯樁身周長(zhǎng)，m；為復(fù)合段內(nèi)芯側(cè)阻力特征值，kPa，本項(xiàng)目可取0.04～0.08 倍水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，為24 kPa；lc為復(fù)合段長(zhǎng)度，m；為內(nèi)芯樁端土的端阻力特征值，取2400 kPa；為內(nèi)芯柱身截面積，m2；λc為內(nèi)芯抗拔系數(shù)，取0.7；λj為非復(fù)合段內(nèi)芯第j土層抗拔系數(shù)；為非復(fù)合段內(nèi)芯第j 土層側(cè)阻力特征值，kPa；lj為非復(fù)合段第j土層厚度，m。

當(dāng)管樁樁徑0.3 m，壓入水泥土攪拌樁長(zhǎng)2 m時(shí)，計(jì)算得到的Ra為146.32 kN，抗拔承載力Tua為31.65 kN，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)需要考慮樁側(cè)破壞面位于外芯和樁周土的界面時(shí)，基樁豎向抗壓特征值Ra與抗拔承載力特征值Tu按照式（3）、式（4）計(jì)算：

式中：u為復(fù)合段樁身周長(zhǎng)，m；ξsj、ξp分別為勁性復(fù)合樁復(fù)合段外芯第j土層側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)、端阻力調(diào)整系數(shù)，ξsj取1.3，ξp取1.0；qsja為勁性復(fù)合樁復(fù)合段外芯第j土層側(cè)阻力特征值，取5.5 kPa；lj為勁性復(fù)合樁復(fù)合段第j 土層厚度，m；α為勁性復(fù)合樁樁端天然地基土承載力折減系數(shù)；qpa為勁性復(fù)合樁端阻力特征值，取10 kPa；Ap為復(fù)合樁身截面積，m2；λ為勁性復(fù)合樁復(fù)合段外芯抗拔系數(shù)，取0.7?？紤]到水泥土攪拌樁所在區(qū)域并無(wú)樁側(cè)摩阻力、端阻力以及抗拔系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，因此直徑分別取0.7 m和1 m。有關(guān)復(fù)合樁基的水平承載力規(guī)范并未給出理論的計(jì)算公式，文獻(xiàn)[6]中給出了復(fù)合樁基計(jì)算公式，但水泥土的彈性模量離散度大，且m值需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算；文獻(xiàn)[7]中提出采用有限元模擬，并給出了計(jì)算水平承載力的簡(jiǎn)化公式，但有關(guān)參數(shù)與本項(xiàng)目存在差異，并不適用。綜合考慮復(fù)合樁基水平承載力通過(guò)試驗(yàn)確定。計(jì)算復(fù)合樁基抗壓與抗拔承載力如表2所示。

表2 復(fù)合樁基單樁承載力計(jì)算值Table.2 Calculation value of bearing capacity of single composite pile foundation

從上述計(jì)算可以看出，管樁壓入水泥土攪拌樁的長(zhǎng)度并非控制因素，而水泥土攪拌樁的直徑和長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合樁基的承載力起控制作用。因此，復(fù)合樁設(shè)計(jì)宜采用短芯樁或等芯樁。此外，選用短芯樁，利用水泥土攪拌樁對(duì)管樁底進(jìn)行封堵，對(duì)樁身內(nèi)壁防腐更為有利[8-13]。

3 復(fù)合樁試驗(yàn)

為選擇合適的復(fù)合樁型，確定實(shí)施方案，同時(shí)驗(yàn)證復(fù)合樁基的承載力，本項(xiàng)目進(jìn)行了復(fù)合樁基的多組試驗(yàn)。樁基試驗(yàn)選擇在淤泥層較厚、地質(zhì)條件較差的位置進(jìn)行，水泥攪拌樁作為勁性復(fù)合樁的柔性樁，PHC-300-A 型管樁作為剛性樁。設(shè)置6 組采用復(fù)合樁基方案基礎(chǔ)，總樁數(shù)為36 根，其中3 組為直徑0.7 m 水泥土攪拌樁，3 組為直徑1 m 的水泥土攪拌樁，采用2.5 m、3.0 m、3.5 m三種攪拌樁長(zhǎng)，每組共6根樁，其中一組用于抗壓和水平承載力檢測(cè)，另一組用于抗拔承載力檢測(cè)。組合方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)樁方案Table.3 Test pile scheme

試驗(yàn)樁施工前，首先進(jìn)行水泥土配合比試驗(yàn)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)淤泥含水量高，承載力極低，按照水泥摻入比10%、13%、16%，水灰比0.6，分別在水泥土試塊齡期第7 天、第28 天進(jìn)行了抗壓承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 水泥土試塊試驗(yàn)結(jié)果Table.4 Test Results of cement soil test block

水泥摻入比10%、攪拌樁承載力28 d 齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度即達(dá)到0.61 MPa，可滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

在復(fù)合樁基施工完成后28 d，對(duì)試驗(yàn)樁抗壓、抗拔和水平承載力進(jìn)行了檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1—圖4所示。圖1—圖3 中A1-1、A1-2、A1-3 表示同組中的3根試驗(yàn)樁，其他編號(hào)類似。

圖1 不同方案復(fù)合樁基的極限抗壓承載力Fig.1 Ultimate compressive bearing capacity of composite pile foundation with different schemes

圖2 不同方案復(fù)合樁基在拔力44 kN作用下的最大上拔變形量Fig.2 Maximum uplift deformation of composite pile foundation with different schemes under the pulling force of 44 kN

圖3 不同方案復(fù)合樁基的臨界水平荷載值Fig.3 The critical horizontal load values of composite pile foundation with different schemes

圖4 試驗(yàn)中的攪拌樁與管樁施工及完成照片F(xiàn)ig.4 Construction and finished photos of mixing pile and pipe pile in the test

結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程與以上試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）相較于普通單樁的樁基承載力而言，勁性復(fù)合樁基的抗壓承載力有了較大提高，不同方案抗壓承載力提高50%～180%；抗拔與水平承載力也有顯著提高。

（2）隨著水泥土攪拌樁的樁長(zhǎng)和直徑增大，單樁豎向抗壓承載力均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，3.0 m 樁長(zhǎng)超出2.5 m 樁長(zhǎng)承載力15%～20%，3.5 m 樁長(zhǎng)超出2.5 m樁長(zhǎng)承載力35%～40%；同等樁長(zhǎng)情況下，1 m直徑復(fù)合樁基承載力大于0.7 m直徑復(fù)合樁基承載力，平均值超出10%～20%，樁長(zhǎng)增加對(duì)抗壓承載力增加更為明顯；即使同一方案的樁基，承載力仍有較大波動(dòng)，偏差較大[14-16]。

（3）復(fù)合樁基的抗拔承載力較好，大大超出設(shè)計(jì)承載力要求。在復(fù)合樁基的抗拔承載力試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，達(dá)到承載力特征值的2 倍（44 kN）時(shí)，樁身的豎向位移僅為1～2 mm，變形極小，主要原因是復(fù)合樁基形成后，整體自重增加，僅靠自重即可滿足抗拔承載力要求。

（4）水平載荷試驗(yàn)中，最小臨界荷載值為14 kN，按照GB 5007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]，樁身不允許出現(xiàn)裂縫，單樁水平承載力為10.5 kN，超過(guò)設(shè)計(jì)值要求的2倍；同時(shí)從臨界荷載分布來(lái)看，樁長(zhǎng)增大，臨界荷載有明顯提高，但并非線性變化；樁徑增大對(duì)水平臨界荷載提升效果較小。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)合安全性和經(jīng)濟(jì)性，項(xiàng)目最終采用直徑0.7 m的水泥攪拌樁與PHC-300-A高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁組合的復(fù)合樁基，同時(shí)為減少地面流漿，攪拌樁頂預(yù)留虛漿段。

4 施工方案

4.1 存在的問(wèn)題

本項(xiàng)目場(chǎng)址占地面積約2.7 km2，總樁數(shù)約8500根，水泥攪拌樁在如此大范圍內(nèi)施工，主要存在以下問(wèn)題：

（1）傳統(tǒng)的水泥土攪拌樁施工機(jī)械，施工深度在10 m以上，鉆桿長(zhǎng)度一般在12～30 m，需要依靠設(shè)備攪拌樁機(jī)械自重來(lái)提供抵抗扭矩力，使得機(jī)械尺寸和整體重量都較大，施工時(shí)，需要地基承載力達(dá)到80 kPa 以上。對(duì)于地基承載力僅有10～50 kPa的淤泥區(qū)、沿海灘涂等場(chǎng)地，強(qiáng)行作業(yè)會(huì)出現(xiàn)陷機(jī)、傾覆等施工安全事故[18-20]。

（2）常規(guī)的步履式、滾筒式攪拌樁機(jī)械，其優(yōu)點(diǎn)是抗扭矩力大、穩(wěn)定性好，但缺點(diǎn)是移機(jī)速度慢，該項(xiàng)目樁基數(shù)量龐大，且樁間距較大，為4～6 m，移機(jī)頻繁，每天僅能完成30—40 根樁，施工進(jìn)度難以保證。

4.2 解決措施

基于以上原因，施工單位開(kāi)發(fā)了一種用于軟陷地層樁基的攪拌樁機(jī)械，采用更短的錨桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)系統(tǒng)和履帶式行走系統(tǒng)。攪拌樁的施工從定位、移機(jī)、預(yù)攪下沉到噴漿攪拌、復(fù)攪提升、再移機(jī)，一根攪拌樁施工流程可以控制在4～5 min，一個(gè)臺(tái)班每天10 h可完成100—120根，施工速度大大提高?？紤]到部分區(qū)域淤泥承載力過(guò)低，需要鋪鋼板移機(jī)，因此另外配置了一臺(tái)小型挖機(jī)。

此外，混凝土管樁的插樁時(shí)間依照J(rèn)GJ/T 327—2014《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》[11]，應(yīng)控制在6 h 以內(nèi)，但由于施工配合受天氣、設(shè)備等影響，施工有時(shí)難以完全滿足要求。項(xiàng)目實(shí)施中經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，即使在72 h之內(nèi)完成插樁也是可行的，且承載力檢測(cè)結(jié)果依然滿足。

在樁基實(shí)施過(guò)程中，也出現(xiàn)了少量管樁與水泥土之間摩擦力偏小、管樁豎向抗壓不足的情況，分析原因與施工質(zhì)量、水泥土強(qiáng)度有關(guān)，通過(guò)適當(dāng)增加樁長(zhǎng)、加大水泥摻入比解決了這一問(wèn)題，也可采用預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁[9]或采用適用于海相淤泥的軟土固化劑[10]，加大預(yù)應(yīng)力管樁與水泥土之間的摩擦來(lái)提高承載力。

在施工機(jī)械配置上，考慮到管樁壓樁速度快，管樁打樁機(jī)械與攪拌樁施工機(jī)械采用1∶2的配置方案，有效提高了設(shè)備利用率；為方便水泥漿拌制，采用可移動(dòng)水車，并多點(diǎn)布置水泥漿攪拌池。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，復(fù)合樁樁基方案最終選擇直徑0.7 m的水泥土攪拌樁，有效樁長(zhǎng)3.0 m，虛漿段長(zhǎng)度為0.2 m；預(yù)應(yīng)力管樁采用PHC-300-A 型，樁長(zhǎng)為6.5 m，插入攪拌樁長(zhǎng)度2.8 m。經(jīng)測(cè)算，相比原方案直接采用9.5 m 長(zhǎng)PHC-300-A 型管樁，單樁價(jià)格對(duì)比如表5所示。

表5 管樁方案與復(fù)合樁基方案價(jià)格對(duì)比Table.5 Price comparison between pipe pile scheme andcomposite pile foundation scheme

從表5可以看出，采用復(fù)合樁基方案，單根樁的成本可以節(jié)省60元，降低樁基造價(jià)約5.26%，經(jīng)濟(jì)性顯著。

6 結(jié)論

（1）采用水泥攪拌樁+預(yù)應(yīng)力管樁的勁性復(fù)合樁基，對(duì)于軟弱地基條件的漁光互補(bǔ)或?yàn)┩抗夥?xiàng)目，可以有效提高樁基承載力，尤其是抗壓承載力，可縮短樁基長(zhǎng)度，有效提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

（2）光伏項(xiàng)目中采用的勁性復(fù)合樁基，長(zhǎng)度較短，且由于淤泥的不均勻以及施工的偏差，樁基承載力存在一定的變化，建議設(shè)計(jì)中應(yīng)留有裕度。

（3）通過(guò)改裝水泥土攪拌樁機(jī)械，縮短錨桿和采用履帶式行走系統(tǒng)，可大幅提高施工效率，接近普通管樁施工速度，保證了項(xiàng)目進(jìn)度。