0 引言

随着我国“碳达峰”“碳中和”目标的推进，光伏项目开发建设进入了高速发展时期，具备良好建设条件和消纳送出能力的土地资源，变得越来越稀缺。充分利用沿海滩涂、鱼塘开发建设光伏项目，已经成为东南沿海地区建设光伏项目的一个重要方向，具有广阔的发展空间^[1]。采用常规预应力管桩基础建设是目前这类项目主要的基础形式，然而此类地区往往地质条件较差，多数为深厚淤泥地基，承载力极低，即使采用摩擦桩不穿透淤泥土层，也会使得管桩长度大幅增加，建设成本增大，直接影响项目的经济性。

劲性复合桩基是在散体桩或柔性桩中插入钢筋混凝土刚性桩，形成劲性复合体受力结构，由于复合桩基与自然土体的摩擦面增大，且混凝土刚性桩插入后，柔性（散体）桩挤扩土体，摩擦增强，因而劲性复合桩基的承载力显著提高，是一种较为理想的地基加固方法^[2-4]。这类复合桩基已在建筑地基处理领域有了广泛应用，但对于光伏发电项目，由于光伏支架桩基数量多，分布范围广，承载力要求低，目前尚未得到应用。对于淤泥深厚的软土地基，采用水泥搅拌桩+高强预应力管桩的柔刚复合桩基，对提升单桩承载力、减小桩长、降低造价具有一定的优势，本文对此进行探索与尝试。

1 工程概述

广东沿海某大型渔光互补发电项目，建设规模约300 MWp，占地面积约2.7 km²，项目场址位于滨海滩涂及水塘，塘堤较高，其余地段较平坦，属滨海沉积平原。场址水塘内主要用于生蚝养殖，通过海堤闸口利用涨落潮可控制水位高低。光伏阵列区域地质条件如下。

（1）素填土，层厚2.40~3.50 m，平均2.66 m。黄色，松散，由大量碎石及泥质堆填，松散，为近期回填，主要分布于鱼塘堤坝。

（2）淤泥，层顶标高-2.01~2.94 m，层顶埋深0.00~3.50 m，层厚9.00~28.60 m，平均16.24 m。灰黑色，饱和，流塑，土质均匀，含少量砂质及有机质，具腐臭味。

（3）粉质黏土，层顶标高-22.85~-9.98 m，层顶埋深11.30~24.40 m，层厚2.30~12.80 m，平均7.02 m。黄色，可塑状，由粉粘粒组成，黏性好，含少量砂质。

（4）淤泥质粉质黏土，层顶标高-22.09~-11.03 m，层顶埋深12.30~23.40 m，层厚1.80~11.20 m，平均6.04 m。灰黑色，饱和，软塑，土质均匀，含少量砂质及有机质，具腐臭味。

淤泥质粉质黏土以下为较好的砾砂和砂质粘黏性土，埋藏深度超过20 m，承载力较高。光伏方阵采用了2×28竖向双排布置，上部支架采用冷弯薄壁型钢形成三角形结构支架，下部采用单桩预应力混凝土管桩基础，采用SAP2000软件建模，管桩桩顶所受外力如表 1所示。

根据地勘单位提供的资料及现场情况，场址大部分区域表层均为深厚的淤泥层，若要满足抗压和抗拔承载力要求，依据JGJ 94—2008《建筑桩基规范》^[2]，当选用PHC-300-A型高强预应力管桩，根据土层参数计算，入泥深度为6 m时可满足要求，计算抗压承载力为17.3 kN，抗拔承载力为16 kN（含桩身自重），水平承载力为14.2 kN。

经现场试验，管桩入泥深度为6 m时，极限抗压承载力极限值可以达到35 kN，极限抗拔承载力大于22 kN，水平临界荷载为18 kN，与设计值比较吻合，可满足设计要求。但此方案中桩长9.5~10 m（出泥面桩长为3.5~4 m），造价相对较高，经济性不佳。

2 复合桩基方案

劲性复合桩是近年来应用于建筑领域的一种新型桩基形式，复合桩的实现首先是进行水泥土桩的成桩，在此基础上进行混凝土芯桩的压入，由此形成一种混凝土芯桩和水泥土共同工作，承担上部荷载的新桩型。劲性复合桩因桩土挤扩界面变大，改善荷载传递途径，呈现摩擦桩的特性^[3-4]，使得水泥土桩具有远高于混凝土桩的侧阻力，而混凝土桩有远高于水泥土桩的桩身强度，二者结合可得到高于传统桩型的性价比。

根据芯桩和水泥土桩的关系，可以将其分为短芯桩、等芯桩和长芯桩。本项目场址由于淤泥层深厚，桩侧和桩端阻力低，桩基承载力的控制因素除桩身承载力外，最主要的是竖向抗压承载力，而水泥土桩直径和桩长是提高这一承载力的主要因素，因此建议选择短芯桩或等芯桩。

按照JGJ/T 327—2014《劲性复合桩技术规程》，柔刚复合桩基计算需要考虑桩侧破坏面位于内、外芯界面时，对于等芯或短芯桩基桩竖向抗压特征值R_a与抗拔承载力特征值T_ua按照式（1）、式（2）计算^[5]：

(1)

(2)

式中：u^c为内芯桩身周长，m；q_sa^c为复合段内芯侧阻力特征值，kPa，本项目q_sa^c可取0.04~0.08倍水泥土无侧限抗压强度，为24 kPa；l^c为复合段长度，m；q_pa^c为内芯桩端土的端阻力特征值，取2400 kPa；A_p^c为内芯柱身截面积，m²；λ^c为内芯抗拔系数，取0.7；λ_j为非复合段内芯第j土层抗拔系数；q_sja^c为非复合段内芯第j土层侧阻力特征值，kPa；l_j为非复合段第j土层厚度，m。

当管桩桩径0.3 m，压入水泥土搅拌桩长2 m时，计算得到的R_a为146.32 kN，抗拔承载力T_ua为31.65 kN，远高于设计要求。

当需要考虑桩侧破坏面位于外芯和桩周土的界面时，基桩竖向抗压特征值R_a与抗拔承载力特征值T_u按照式（3）、式（4）计算：

(3)

(4)

式中：u为复合段桩身周长，m；ξ_sj、ξ_p分别为劲性复合桩复合段外芯第j土层侧阻力调整系数、端阻力调整系数，ξ_sj取1.3，ξ_p取1.0；q_sja为劲性复合桩复合段外芯第j土层侧阻力特征值，取5.5 kPa；l_j为劲性复合桩复合段第j土层厚度，m；α为劲性复合桩桩端天然地基土承载力折减系数；q_pa为劲性复合桩端阻力特征值，取10 kPa；A_p为复合桩身截面积，m²；λ为劲性复合桩复合段外芯抗拔系数，取0.7。考虑到水泥土搅拌桩所在区域并无桩侧摩阻力、端阻力以及抗拔系数经验值，因此直径分别取0.7 m和1 m。有关复合桩基的水平承载力规范并未给出理论的计算公式，文献[6]中给出了复合桩基计算公式，但水泥土的弹性模量离散度大，且m值需要根据现场试验结果进行计算；文献[7]中提出采用有限元模拟，并给出了计算水平承载力的简化公式，但有关参数与本项目存在差异，并不适用。综合考虑复合桩基水平承载力通过试验确定。计算复合桩基抗压与抗拔承载力如表 2所示。

从上述计算可以看出，管桩压入水泥土搅拌桩的长度并非控制因素，而水泥土搅拌桩的直径和长度对复合桩基的承载力起控制作用。因此，复合桩设计宜采用短芯桩或等芯桩。此外，选用短芯桩，利用水泥土搅拌桩对管桩底进行封堵，对桩身内壁防腐更为有利^[8-13]。

3 复合桩试验

为选择合适的复合桩型，确定实施方案，同时验证复合桩基的承载力，本项目进行了复合桩基的多组试验。桩基试验选择在淤泥层较厚、地质条件较差的位置进行，水泥搅拌桩作为劲性复合桩的柔性桩，PHC-300-A型管桩作为刚性桩。设置6组采用复合桩基方案基础，总桩数为36根，其中3组为直径0.7 m水泥土搅拌桩，3组为直径1 m的水泥土搅拌桩，采用2.5 m、3.0 m、3.5 m三种搅拌桩长，每组共6根桩，其中一组用于抗压和水平承载力检测，另一组用于抗拔承载力检测。组合方案如表 3所示。

试验桩施工前，首先进行水泥土配合比试验，考虑到现场淤泥含水量高，承载力极低，按照水泥掺入比10%、13%、16%，水灰比0.6，分别在水泥土试块龄期第7天、第28天进行了抗压承载力试验，试验结果如表 4所示。

水泥掺入比10%、搅拌桩承载力28 d龄期的无侧限抗压强度即达到0.61 MPa，可满足设计承载力要求。

在复合桩基施工完成后28 d，对试验桩抗压、抗拔和水平承载力进行了检测，试验结果如图 1—图 4所示。图 1—图 3中A1-1、A1-2、A1-3表示同组中的3根试验桩，其他编号类似。

结合试验过程与以上试验结果，可以得出以下结论：

（1）相较于普通单桩的桩基承载力而言，劲性复合桩基的抗压承载力有了较大提高，不同方案抗压承载力提高50%~180%；抗拔与水平承载力也有显著提高。

（2）随着水泥土搅拌桩的桩长和直径增大，单桩竖向抗压承载力均呈增长趋势，3.0 m桩长超出2.5 m桩长承载力15%~20%，3.5 m桩长超出2.5 m桩长承载力35%~40%；同等桩长情况下，1 m直径复合桩基承载力大于0.7 m直径复合桩基承载力，平均值超出10%~20%，桩长增加对抗压承载力增加更为明显；即使同一方案的桩基，承载力仍有较大波动，偏差较大^[14-16]。

（3）复合桩基的抗拔承载力较好，大大超出设计承载力要求。在复合桩基的抗拔承载力试验中发现，达到承载力特征值的2倍（44 kN）时，桩身的竖向位移仅为1~2 mm，变形极小，主要原因是复合桩基形成后，整体自重增加，仅靠自重即可满足抗拔承载力要求。

（4）水平载荷试验中，最小临界荷载值为14 kN，按照GB 5007—2011《建筑地基基础设计规范》^[17]，桩身不允许出现裂缝，单桩水平承载力为10.5 kN，超过设计值要求的2倍；同时从临界荷载分布来看，桩长增大，临界荷载有明显提高，但并非线性变化；桩径增大对水平临界荷载提升效果较小。

通过试验对比，结合安全性和经济性，项目最终采用直径0.7 m的水泥搅拌桩与PHC-300-A高强预应力管桩组合的复合桩基，同时为减少地面流浆，搅拌桩顶预留虚浆段。

4 施工方案 4.1 存在的问题

本项目场址占地面积约2.7 km²，总桩数约8500根，水泥搅拌桩在如此大范围内施工，主要存在以下问题：

（1）传统的水泥土搅拌桩施工机械，施工深度在10 m以上，钻杆长度一般在12~30 m，需要依靠设备搅拌桩机械自重来提供抵抗扭矩力，使得机械尺寸和整体重量都较大，施工时，需要地基承载力达到80 kPa以上。对于地基承载力仅有10~50 kPa的淤泥区、沿海滩涂等场地，强行作业会出现陷机、倾覆等施工安全事故^[18-20]。

（2）常规的步履式、滚筒式搅拌桩机械，其优点是抗扭矩力大、稳定性好，但缺点是移机速度慢，该项目桩基数量庞大，且桩间距较大，为4~6 m，移机频繁，每天仅能完成30—40根桩，施工进度难以保证。

4.2 解决措施

基于以上原因，施工单位开发了一种用于软陷地层桩基的搅拌桩机械，采用更短的锚杆回转钻进系统和履带式行走系统。搅拌桩的施工从定位、移机、预搅下沉到喷浆搅拌、复搅提升、再移机，一根搅拌桩施工流程可以控制在4~5 min，一个台班每天10 h可完成100—120根，施工速度大大提高。考虑到部分区域淤泥承载力过低，需要铺钢板移机，因此另外配置了一台小型挖机。

此外，混凝土管桩的插桩时间依照JGJ/T 327—2014《劲性复合桩技术规程》^[11]，应控制在6 h以内，但由于施工配合受天气、设备等影响，施工有时难以完全满足要求。项目实施中经过现场实际测试，即使在72 h之内完成插桩也是可行的，且承载力检测结果依然满足。

在桩基实施过程中，也出现了少量管桩与水泥土之间摩擦力偏小、管桩竖向抗压不足的情况，分析原因与施工质量、水泥土强度有关，通过适当增加桩长、加大水泥掺入比解决了这一问题，也可采用预应力混凝土竹节桩^[9]或采用适用于海相淤泥的软土固化剂^[10]，加大预应力管桩与水泥土之间的摩擦来提高承载力。

在施工机械配置上，考虑到管桩压桩速度快，管桩打桩机械与搅拌桩施工机械采用1∶2的配置方案，有效提高了设备利用率；为方便水泥浆拌制，采用可移动水车，并多点布置水泥浆搅拌池。

5 经济性分析

结合试验结果，复合桩桩基方案最终选择直径0.7 m的水泥土搅拌桩，有效桩长3.0 m，虚浆段长度为0.2 m；预应力管桩采用PHC-300-A型，桩长为6.5 m，插入搅拌桩长度2.8 m。经测算，相比原方案直接采用9.5 m长PHC-300-A型管桩，单桩价格对比如表 5所示。

从表 5可以看出，采用复合桩基方案，单根桩的成本可以节省60元，降低桩基造价约5.26%，经济性显著。

6 结论

（1）采用水泥搅拌桩+预应力管桩的劲性复合桩基，对于软弱地基条件的渔光互补或滩涂光伏项目，可以有效提高桩基承载力，尤其是抗压承载力，可缩短桩基长度，有效提高项目的经济性。

（2）光伏项目中采用的劲性复合桩基，长度较短，且由于淤泥的不均匀以及施工的偏差，桩基承载力存在一定的变化，建议设计中应留有裕度。

（3）通过改装水泥土搅拌桩机械，缩短锚杆和采用履带式行走系统，可大幅提高施工效率，接近普通管桩施工速度，保证了项目进度。