臺山核電站樁身完整性及承載力檢測與分析

曾永慶，王長柏，王 松

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南232001)

樁基工程由于能將上部結構的荷載通過樁土間的共同作用傳遞到深部穩(wěn)定的持力層，較好的控制基礎的沉降量、減少不均勻沉降的危害，并具有大幅提高地基承載力及穩(wěn)定性的優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應用到各種建筑工程中。樁基工程屬于隱蔽工程，由于成樁過程中的各種不確定的因素，使樁身總體混凝土標號達不到設計要求，樁身出現(xiàn)夾泥、縮徑、擴徑、蜂窩麻面、溝槽、甚至斷裂以及混凝土離析等缺陷問題時有發(fā)生，嚴重影響樁基工程的承載能力和穩(wěn)定性能[1－3]。為避免此類缺陷事故的發(fā)生，在樁達到相應齡期時，應進行樁基完整性和樁端承載力檢測。

本文以臺山核電站廠房建設過程遇到的基礎工程中沖孔灌注樁、水泥土攪拌樁等地基工程為依托，通過以低應變檢測法為主，輔以鉆芯法，確定了沖孔灌注樁樁體的完整性和樁身強度，并采用施工現(xiàn)場靜載荷試驗，確定了水泥土攪拌樁的豎向承載力、沉降量變形和時間三者之間的關系，為類似條件工程項目提供了借鑒與參考。

1 工程概況及地層巖性

1.1 工程概況

廣東臺山核電站廠址位于江門市管轄的臺山市赤溪鎮(zhèn)腰古村，距臺山約44.5 km。地理位置為東經(jīng) 112°59'，北緯 21°54'。廠址東面為黃茅海，其余三面環(huán)山，東南約5 km處為大襟島。工程建設規(guī)模初步確定為6×1 750 MW(EPR)，分三期建設，一期規(guī)劃兩臺EPR堆型核電機組。

本施工場地在廣東省臺山核電站主廠區(qū)內(nèi)，該工程廠房在建筑結構上，選擇為框架結構，設計層數(shù)為4層。為滿足建筑荷載要求，對于沖孔灌注樁而言，樁徑采用0.8 m共96根，工程檢測樁長為18.96 m～37.87 m，樁身混凝土強度設計等級為 C35，設計持力層為微風化花崗巖。

對于水泥土攪拌樁而言，樁徑采用0.5 m共296根，設計樁長為10 m，設計持力層為硬塑性黏土，單樁特征值為100 kN，預計最大加載量為200 kN。

1.2 地層巖性

根據(jù)工程地質(zhì)中關于地形地貌特征的描述，可劃分為四種基本類型:山前溝谷平原、低山丘陵、剝蝕殘丘和濱海淺灘地形?，F(xiàn)狀主要為開挖、回填平整后的場地。

根據(jù)場地勘察報告，場地內(nèi)主要分布的地層有:人工填土層(0.8 m ～4.9 m)、沖洪積層(1 m ～17.0 m)、海陸交互沉積層(1.0 m ～14.8 m)、現(xiàn)代海積層(0.6 m ～4.2 m)、殘積層、侵入花崗巖。

2 樁基檢測

2.1 試驗樁的數(shù)量要求

根據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》[4](JGJ106－2014)第3.3條檢測方法選擇和檢測數(shù)量規(guī)定:“單樁豎向抗壓靜載試驗承載力應滿足設計要求，不應少于同一條件下樁基分項工程總樁數(shù)的1%且不應少于3根，當工程樁總數(shù)小于50根時，不應少于2根。樁身完整性檢測數(shù)量對于建筑基樁設計等級為甲級，或地基條件復雜、成樁質(zhì)量可靠性較低的灌注樁，檢測數(shù)量不應少于總樁數(shù)的30%，且不應少于20根?！?/p>

本工程對96根沖孔灌注樁均進行了低應變檢測，并從中隨機選擇了13根樁進行了鉆芯法試驗。對296根水泥土攪拌樁隨機選取了8根進行單樁豎向抗壓靜載試驗。

2.2 試驗方法

2.2.1 低應變測試

低應變法適用于檢測混凝土樁的樁身完整性，判定樁身缺陷的程度及位置，但此方法對樁身缺陷程度只做定性分析，其有效檢測樁長范圍應通過現(xiàn)場試驗確定，對于樁身截面多變且變化幅度較大的灌注樁，需采用其他輔助方法如鉆芯法驗證低應變檢測的有效性。目前國內(nèi)外采用較多的是瞬態(tài)時域分析法，即通過實測樁頂?shù)募铀俣然蛘咚俣软憫獣r域曲線，即一維線彈性桿件模型的波動理論分析判定基樁的樁身完整性[5－6]。通過對測試曲線的變化特征分析，可以判斷相應缺陷的類型及位置。

2.2.2 鉆芯法

相對于低應變檢測，鉆芯法具有不受場地條件的限制和檢測成本相對較高的特點。鉆芯法可用于檢測混凝土灌注樁的樁長與混凝土強度、樁身缺陷及其位置和樁底沉渣厚度等多種樁基問題，判定或鑒別樁底持力層巖土性狀、判定樁身完整性類別，作為一種補充方法，結合低應變檢測法，更好地評價基樁完整性和樁身強度[7－9]。鉆芯法根據(jù)鉆芯的完整度及連續(xù)性將單個鉆心孔的樁身完整性分為Ⅰ～Ⅳ四類。

2.2.3 單樁豎向抗壓靜載試驗

單樁豎向抗壓靜載試驗可用于確定單樁豎向抗壓極限承載力值、通過樁身內(nèi)力及變形測試，測定樁側、樁端阻力。按照《建筑樁基檢測技術規(guī)范》[4](JGJ106－2014)及《廣東省標準建筑地基基礎檢測規(guī)范》[6](DBJ15 －60 －2008)相關要求，采用快速維持荷載法加載，每級荷載維持時間不少于1 h，樁頂沉降速率達到收斂后再加下一級荷載，加至最大荷載穩(wěn)定后，每隔一級卸載一次，直至卸至零荷載后結束試驗。

加載分級按預估極限荷載力的1/10分級加載(第一級可取分級荷載的2倍加載)，分級荷載為20 kN，第一級加載量為40 kN，最終試驗荷載加至200 kN。

3 試驗成果評價

3.1 低應變檢測與鉆芯法結果及分析

在地質(zhì)條件、設計樁型、成樁工藝相同的基樁情況中[10－12]，當樁長已知、樁底反射信號明確時，可選取5根類樁的樁身波速值求其平均值:

式中:cm為樁身波速的平均值，m/s;ci為第i根受檢樁的樁身波速值，m/s，且|ci－cm|/cm≤5%;L為測點下樁長，m;ΔT為速度波第一峰與樁底反射波峰間的時間差，ms。

對于樁身缺陷位置可按下列公式計算:

式中:x為樁身缺陷至傳感器安裝點的距離，m;Δtx為速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時間差，ms;c為受檢樁的樁身波速，m/s，無法確定時用 cm值替代。

本次試樁共檢測樁基96根，Ⅰ類樁77根，占所測樁數(shù)的 80.2%;Ⅱ類樁 19根，占所測樁數(shù)的19.8%;樁體混凝土波速在3 722 m/s～3 955 m/s之間，平均波速為3 851 m/s，樁身完整性檢測部分數(shù)據(jù)結果見表1。

表1 臺山核電站某廠房樁身完整性檢測部分結果表

圖1、圖2分別為典型Ⅰ類樁(時域信號特征為2L/c前無缺陷反射波，有樁底反射波)、Ⅱ類樁(時域信號特征為2L/c前出現(xiàn)輕微缺陷反射波，有樁底反射波)的實測低應變曲線圖，其余各樁低應變曲線與此類似。

圖1 Z12G－1樁檢測波形曲線

圖2 Z12A－1樁檢測波形曲線

針對已進行了低應變檢測的96根沖孔灌注樁，考慮到低應變檢測的局限性，選擇了13根樁進行了鉆芯法試驗，鉆芯法檢測完整性判定數(shù)據(jù)結果見表2。

表2 鉆芯法檢測完整性判定數(shù)據(jù)結果表

針對Z12A_1樁低應變檢測波形曲線反應的距樁頂18.37 m輕微缺陷的問題，采取鉆芯法確認其工程特性，如圖3所示。

圖3 Z12A_1號芯樣照片

從圖3可以看出，芯樣完整性較好，對其進行混凝土抗壓強度檢測，結果見表4，由表4可知Z12A_1樁混凝土芯樣試件抗壓強度代表值大于混凝土設計強度C35。其余各鉆芯樁芯樣強度與此類似，均達到了混凝土設計強度C35的要求。

3.2 靜載試驗成果及分析

依據(jù)《建筑樁基檢測技術規(guī)范》[4](JGJ106－2014)，采取快速維持荷載法加載，分別對8根水泥土攪拌樁單樁進行荷載試驗，以 AK67為例，依據(jù)AK67試驗結果表，繪制如圖4所示的AK67樁的荷載Q－沉降S、沉降 S－荷載 lgQ、沉降 S－時間 lgt曲線圖。

表3 Z12A 1樁鉆芯法混凝土抗壓強度檢測結果

各水泥土攪拌樁靜載試驗數(shù)據(jù)見表4，從中可知8根樁樁頂最大沉降量的前三位樁分別為P83、Q33、K66，其值分別為 36.63 mm、31.72 mm、28.03 mm，滿足設計規(guī)定中40 mm沉降量要求;就卸載回彈而言，對應完全卸載狀況下，樁頂殘余變形值分別為 26.64 mm、24.56 mm、21.55 mm，回彈值為9.99 mm、7.16 mm、6.48 mm，回彈率為 27.3%、22.6% 、23.1%。由圖4曲線可知，樁的 Q－S曲線變化平緩，均屬于緩變型Q－S曲線，S－lgQ曲線沒有明顯的陡降直線段變化，S－lgt曲線在各級荷載下，沉降S量隨著lgt的增加變化不大，走勢比較平坦，沒有明顯的起伏特性，由于已達到最大試驗荷載200 kN，樁頂沉降速率達到相對穩(wěn)定標準[13－15]。依據(jù)上述測試結果可知，最大試驗荷載均到達200 kN，可認為是各試驗樁的單樁豎向抗壓承載力。

圖4 AK67樁的 Q －S、S－lgQ、S－lgt曲線圖

表4 水泥土攪拌樁單樁靜載荷試驗結果表

4 結論

(1)對臺山核電站廠房建設過程遇到的96根沖孔灌注樁，采用低應變檢測法全部檢測和鉆芯法隨機抽檢相結合的方法，綜合判定了沖孔灌注樁樁體的完整性和樁身強度。經(jīng)判定，該批樁全部達到了設計要求。

(2)對于水泥土攪拌樁靜載試驗數(shù)據(jù)分析可知，各樁的Q－S曲線變化平緩，均屬于緩變型QS曲線，S－lgt曲線在各級荷載下，走勢比較平坦，沒有明顯的起伏特性，認定各試驗樁的單樁豎向抗壓承載力均大于最大試驗荷載200 kN，各樁在已達到最大試驗荷載200 kN情況下，樁頂沉降速率均已達到相對穩(wěn)定標準;由于各樁的試樁結果極差小于平均值的30%，取其平均值200 kN為單樁豎向抗壓強度極限承載力，滿足設計要求。

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