越南海防熱電廠二期工程超長大直徑灌注樁荷載傳遞機理試驗研究

張利潔，邊智華，景 鋒，唐輝明，楊喜慶，葉紅衛(wèi)，畢 承

(1.中國地質(zhì)大學工程學院，武漢 430074;2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010;3.湖北省電力建設(shè)第一工程公司，武漢 430061)

1 工程背景

鉆孔灌注樁已廣泛應(yīng)用于高層建筑、道路、橋梁等各類工程。樁基的承載性能受到土體性質(zhì)、樁身強度、施工工藝等諸多因素的影響。要正確地確定樁基的承載力，必須深入了解樁土體系的荷載傳遞特性。樁基承載性狀的研究方法主要有3種:即現(xiàn)場試驗、以有限元法為代表的數(shù)值計算和解析計算，但靜載荷試驗方法仍是確定樁的承載性狀最直接最可靠的方法，利用樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的實測結(jié)果，可以研究樁和土的荷載傳遞規(guī)律［1－5］，分析對荷載傳遞產(chǎn)生影響的各種因素。本文采用現(xiàn)場試驗法測定樁基承載力。

越南海防是越南海邊一大城市，越南海防熱電廠二期工程位于海防市水源鎮(zhèn)，裝機容量為2×300 MW，有主廠房、煙囪、集控樓、鍋爐房、汽機房、除灰脫硫控制室等重要建筑物，且場地為Gia河邊的低地，屬于喀斯特地貌區(qū)，巖溶比較發(fā)育，上部存在較厚的淤泥質(zhì)土層，土質(zhì)較差，不能滿足廠區(qū)上部結(jié)構(gòu)對地基的要求，因此廠區(qū)主要建筑物的地基處理擬采用超長大直徑鉆孔灌注樁。國內(nèi)超長大直徑鉆孔灌注樁很少見到應(yīng)用于海邊的建筑。整個工程場地共有5個試驗區(qū)，本文選取其中一個試驗區(qū)進行研究，該區(qū)全部采用正循環(huán)鉆孔灌注樁施工工藝，所有樁徑均為800mm，樁長45 m左右。該區(qū)樁涉及的巖土層從上至下分別為素填土、淤泥、黏土、粉細砂、全風化泥巖、強風化泥巖。

2 試驗目的及試驗方法

2.1 試驗目的

為確定越南海防熱電廠二期工程不同地質(zhì)條件下灌注樁的單樁承載力及其變形能力，并為后期大面積的樁基施工提供施工參數(shù)及有關(guān)質(zhì)量控制標準，需在廠區(qū)內(nèi)選取有代表性的區(qū)域進行試樁工作。試驗目的主要如下:

(1)通過實測獲取單樁承載力參數(shù)，為工程安全評價和優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù);

(2)確定單樁豎向承載能力;

(3)確定各層土的樁側(cè)摩阻力、樁端持力層的端阻力;

(4)確定單樁在高應(yīng)變動荷下與靜荷載試驗相關(guān)關(guān)系;

(5)評價在該地質(zhì)條件下成樁的樁身質(zhì)量。

2.2 試驗方法

試驗采用慢速維持荷載法。加載分級進行，采用逐級等量加載。分級荷載為最大加載量的1/10。用混凝土預制塊和大梁及鋼板組成反力系統(tǒng)，用3臺5 000kN千斤頂并聯(lián)施加各級試驗荷載，精度為0.4級標準壓力表測定壓力，用4塊量程為100mm百分表測量樁身沉降。試驗裝置見圖1。加卸載方式、試驗步驟與國內(nèi)標準均相似［6－7］，但終止加載標準之一“最大一級荷載的穩(wěn)定需保持40 h”(國內(nèi)為24 h)。每根試樁對稱安裝2條測線，采用鋼筋計測定對稱兩條測線上的應(yīng)力分布，當樁在載荷作用下引起樁身應(yīng)力變化，從而引起鋼筋計振弦頻率改變，通過測試鋼弦式鋼筋應(yīng)力傳感器在不同載荷下的頻率數(shù)值，按照公式換算出鋼筋的應(yīng)力。

圖1 單樁豎向靜載試驗設(shè)備安裝示意圖Fig.1 Equipment for single pile vertical static loading test

3 試驗中樁荷載傳遞機理分析

3根試樁表現(xiàn)出相似的軸力分布特征，由于篇幅限制，本文僅選取A1號樁進行機理分析［8］。

3.1 樁身鋼筋應(yīng)力、軸力傳遞特征

A1樁在各級荷載下實測的沿樁深樁身鋼筋應(yīng)力分布曲線見圖2和圖3。本區(qū)樁為長摩擦樁，設(shè)計樁長約45 m，樁徑800mm，樁周巖土性質(zhì)從上至下分別為素填土、淤泥、黏土、粉細砂、全風化泥巖和強風化泥巖。

由圖2、圖3可知，鋼筋應(yīng)力隨著豎向荷載的增加而增大，隨著樁深度的增加而減小，具有較好的規(guī)律性。從圖3可見，宏觀上，曲線在20 m左右出現(xiàn)一個大的應(yīng)力斷面，根據(jù)超前鉆孔柱狀圖分析，此處為土和巖石分界的大致深度;在20 m以上地基土從上至下分別為素填土、淤泥、黏土、粉細砂，鋼筋應(yīng)力的分布出現(xiàn)一些不規(guī)則的變化，主要是由不同類型的土對樁的作用程度不同所至，總體上是隨著深度的增加而減小的;在20 m以下本試樁區(qū)為全強風化泥巖，此段應(yīng)力的衰減速率與上段應(yīng)力的衰減速率基本一致，總體上表現(xiàn)了長摩擦樁應(yīng)力分布的特點。樁身軸力的傳遞特性受多種因素影響，比如還與成孔時間長短、樁側(cè)壁土的松弛效應(yīng)和“泥皮”厚度以及孔底沉渣等因素有關(guān)。

圖2 A1樁樁身鋼筋應(yīng)力隨樁深分布圖Fig.2 Distribution of pile A1 reinforcement stresses along the pile depth

圖3 各樁在極限荷載作用下鋼筋應(yīng)力隨樁深分布Fig.3 Distribution of reinforcement stresses on each pile along the depth under ultimate load

樁身應(yīng)力測試表明，總體上樁身鋼筋應(yīng)力的分布規(guī)律較好，并與樁周巖土的性質(zhì)有較好的相關(guān)性。

3.2 樁側(cè)摩阻力和端阻力分布

在極限荷載作用下，不同巖土的側(cè)摩阻力具有一定的規(guī)律性，總體上素填土、淤泥、黏土及粉細砂的側(cè)摩阻力平均值小于100 kPa，全強風化泥巖平均值為99～126 kPa，中風化泥巖和砂巖平均值在325～471 kPa之間。其中素填土為擾動土，它的密實程度、顆粒成分及含水狀態(tài)直接影響其側(cè)摩阻力的發(fā)揮，因此其測試結(jié)果有較大的偏離。

在極限荷載作用下樁端阻力為2 051～3 655 kPa。

4 試驗中樁荷載-沉降特性分析

試樁的荷載－沉降關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在樁頂荷載作用下首先發(fā)生彈性壓縮變形，隨著荷載的增大，樁的沉降不斷增大而進入非線性變化階段。3根樁Q-s關(guān)系曲線規(guī)律性好，曲線變化的形態(tài)可分為緩變型和陡降型2類，其中A1為緩變型，其余2根為陡降型。A1樁當試驗加載到7 000kN時，樁頂總沉降為18.70mm;當試驗加載到9 625kN，沉降速率可達到穩(wěn)定標準，但總變形達到62.33mm，其Q-s曲線為緩變性曲線，拐點不明顯，因此A1樁豎向極限承載力取為7 000kN。A2樁加載到7 000kN時，樁頂沉降量為20.29mm;當加載到7 875kN時，樁頂沉降量大于前級試驗荷載沉降量的2倍，觀測24 h后亦未達到穩(wěn)定標準，且總沉降量超過了40mm，其Q-s曲線為陡降型，因此豎向極限承載力取為7 000kN。A3樁加載到7 000kN時，樁沉降量為20.73mm;當加載到7 875kN后，總沉降量達到85.28mm，其Q-s曲線為陡降型，因此該樁豎向極限承載力取為7 000kN。

圖4 靜載試驗Q-s曲線Fig.4 Q-s curves of static load test

5 結(jié)論

(1)依據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果和該工程地質(zhì)條件，該工程區(qū)的單樁極限承載力可綜合取值為7 000kN。

(2)樁身軸力的傳遞特性受多種因素影響，比如成孔時間長短、樁側(cè)壁土的松弛效應(yīng)、“泥皮”厚度以及孔底沉渣等因素有關(guān)。

(3)樁側(cè)摩阻力與樁端阻力并非同時發(fā)揮，而是樁側(cè)摩阻力首先發(fā)揮。本試驗場地的試樁表現(xiàn)出明顯的摩擦樁特點，樁頂荷載主要由樁側(cè)摩阻力承擔。單從承載力的角度講，樁端仍具有較大的承載潛能。

(4)鉆孔灌注樁的泥皮和沉渣厚度直接影響單樁的承載力，建議工程樁施工時，要保證清孔質(zhì)量，嚴格控制沉渣厚度。

(5)對于這類重大型工程，由于現(xiàn)場試驗條件有限，且經(jīng)費昂貴，建議可以先做模型試驗或數(shù)值模擬，對比分析樁的承載力，這樣可以節(jié)省試驗樁的根數(shù)，從而大大節(jié)省試驗經(jīng)費，降低生產(chǎn)成本。

(6)本文為今后海濱城市電廠的超長大直徑鉆孔灌注樁工程的設(shè)計和施工積累了經(jīng)驗。

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