火力發(fā)電廠巖土工程試樁實(shí)例分析

姚松柏

(華電和祥工程咨詢有限公司，山西太原 030006)

0 引言

火力發(fā)電廠巖土工程勘測技術(shù)要求，初設(shè)階段應(yīng)進(jìn)一步查明廠址的巖土工程條件，對擬定的樁型進(jìn)行必要的原體試驗(yàn)，以確定單樁承載力、分析研究樁土的應(yīng)力應(yīng)變特性，為樁型的最終確定和樁基設(shè)計(jì)與施工提供可靠的依據(jù)。發(fā)電廠的一級、二級建(構(gòu))筑物，當(dāng)需采用人工地基或樁基時，應(yīng)進(jìn)行原體試驗(yàn)。對于一級建筑物，應(yīng)通過樁的靜載荷試驗(yàn)確定單樁豎向極限承載力［1］特征值。

1 工程概況及試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

湖北華電樊城燃機(jī)一期2×100 MW級熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目位于襄陽市漢江左岸的樊城區(qū)供熱Ⅱ區(qū)北部，西至中航大道，東至市政規(guī)劃的廖家莊路，北至市政規(guī)劃的王伙一路，南至市政規(guī)劃的奧瑞那路，南距漢江約4.4 km，東南距安能熱電廠約5.0 km，東北距鄧城遺址約0.7 km，西北距天然氣江北分輸站約2.8 km。本期建設(shè)2×100 MW級燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，預(yù)留擴(kuò)建余地。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主要建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)埋深一般為－3.0 m～－5.0 m。場地上部主要地基土層為②-1層可塑粉質(zhì)粘土、②-2層軟塑粉質(zhì)粘土、③層稍密粉細(xì)砂。根據(jù)建構(gòu)筑物承載力的要求，設(shè)計(jì)擬采用樁基進(jìn)行地基處理。為了準(zhǔn)確確定樁基的承載力，為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參數(shù)與依據(jù)，須開展相應(yīng)的試樁試驗(yàn)。通過試樁確定在本廠址工程地質(zhì)條件下，擬選樁型的施工可行性，成樁工藝及保證成樁質(zhì)量的施工技術(shù)措施;獲取樁基持力層的有關(guān)資料，為選擇合理的樁基持力層提供依據(jù)。通過單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變動力測試，獲得鉆孔樁灌注樁和打入式PHC預(yù)制管樁在豎向荷載作用下單樁極限承載力，樁周土的極限側(cè)阻力和極限端阻力;評價樁的荷載—變形特性，為樁基方案優(yōu)化及工程樁的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。通過單樁水平靜載試驗(yàn)，獲得單樁樁頂在自由狀態(tài)下，受水平荷載作用的水平臨界荷載、極限荷載。通過低應(yīng)變反射波法檢測，獲得試驗(yàn)樁樁身完整性相關(guān)資料，判定樁身完整性。通過樁身應(yīng)力、應(yīng)變測試，獲得鉆孔灌注樁在豎向荷載和水平荷載作用下，樁身阻力、樁身軸力及其分布規(guī)律，獲得最大彎距深度等參數(shù)。

2 試驗(yàn)要求、樁型選擇

試樁施工前應(yīng)查明試樁處的詳細(xì)地層分布情況和性質(zhì)。在每組試樁樁位處各布置1個超前鉆孔，共6個超前鉆孔。根據(jù)超前鉆孔揭露的地層分布來最終確定試驗(yàn)樁的施工和試驗(yàn)。試驗(yàn)在1個區(qū)域采用2種樁型。第一組600 mm鉆孔灌注樁;第二組即500 mm PHC管樁。通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定單樁的豎向抗壓承載力、水平承載力。所有試樁進(jìn)行高、低應(yīng)變動力測試，與靜載荷試驗(yàn)做動靜對比，為工程樁檢測積累數(shù)據(jù)。PHC管樁應(yīng)做跟樁檢測，為試打提供數(shù)值依據(jù)。所有試樁樁端全斷面進(jìn)入卵礫石持力層。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn):反力裝置采用錨樁法，加載方式采用慢速維持荷載法。兩組試樁最大加載為3 000 kN。單樁水平靜載試驗(yàn):600 mm鉆孔灌注樁最大加載為300 kN，500 mm PHC管樁最大加載為240 kN。低應(yīng)變動力檢測:樁身完整性檢測，并評價樁身混凝土強(qiáng)度。高應(yīng)變動力檢測:單樁承載力檢測，并劃分樁側(cè)摩阻力、樁端阻力。樁身內(nèi)力測試:測試鋼筋應(yīng)力，獲取樁身軸力及地基巖土層各層側(cè)阻力。試驗(yàn)加載、卸載、終止、試驗(yàn)記錄和檢測記錄等均須按相關(guān)規(guī)范和規(guī)程執(zhí)行。

根據(jù)本廠區(qū)巖土工程條件，本場地可選用鉆孔灌注樁及高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁(PHC樁)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，以上樁型的優(yōu)缺點(diǎn)如下:PHC樁:本場地上部和中部無堅(jiān)硬和粗顆粒土層，沉樁容易;樁的主要持力層——硬塑土層埋深10余米，分布較穩(wěn)定，樁端位于中部土層，樁型屬摩擦型樁，樁長易控制;施工進(jìn)度快，施工質(zhì)量易控制，現(xiàn)場施工文明形象較好。廠區(qū)附近有管樁廠相對運(yùn)輸距離較短。缺點(diǎn)是根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)，樁間距離太密集時土體有隆起現(xiàn)象，容易把樁拔壞。另外，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)以及勘測資料，本廠址位于漢江上游，卵礫石層中卵礫石含量隨深度變化分布不均勻，極易造成施工樁長難以控制，導(dǎo)致承載力可能出現(xiàn)偏低的現(xiàn)象。鉆孔灌注樁［2］:上部土層為較軟弱的填土和粘性土，中部為較厚層的粘性土，易成孔;下部為卵礫石層，為良好的樁端持力層，樁的承載力高。缺點(diǎn)是現(xiàn)場的混凝土和鋼筋工程質(zhì)量不如預(yù)制樁容易控制、施工進(jìn)度不如預(yù)制樁快，同時，由于本廠區(qū)上部土層需要泥漿護(hù)壁，因此涉及泥漿排放等問題，文明施工難度較大。因此，為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種施工工藝在本廠區(qū)的適宜性，本次試樁將會使用預(yù)應(yīng)力管樁和鉆孔灌注樁兩種樁型，同時根據(jù)承載力要求選用不同直徑的基樁開展現(xiàn)場原體試驗(yàn)。

3 試樁布置

本工程在主廠房東北角余熱鍋爐房附近集中布置2組試樁，直徑600 mm鉆孔灌注樁以及直徑500 mm管樁。每組試樁有3根，分別為 3根試驗(yàn)樁，共計(jì) 6根試驗(yàn)樁，錨樁選用直徑600 mm灌注樁，一共12根錨樁。第一組試樁為600鉆孔灌注樁。試樁樁長15.7 m，入土深度15.7 m。試樁樁端持力層為卵礫石層(狀態(tài)中密)，樁端進(jìn)入持力層的深度不小于2 m。第二組試樁為500 PHC管樁，樁型為PHC 500 AB 100。試樁樁長12 m，入土深度12 m。試樁樁端持力層為卵礫石層(狀態(tài)稍密～中密)，樁端進(jìn)入持力層的深度不小于1 m。二組試樁的錨樁均為直徑600 m灌注樁，樁長15，試樁樁端持力層為卵礫石層(狀態(tài)中密)。灌注樁建議采用泥漿護(hù)壁旋挖施工法，PHC樁施工建議采用錘擊法，終止錘擊以貫入度小于(3 cm～5 cm)/10擊控制為主，樁長控制為輔。貫入度已達(dá)到設(shè)計(jì)要求而樁端標(biāo)高未達(dá)到時，應(yīng)繼續(xù)錘擊3陣，并按每陣10擊的貫入度不應(yīng)大于設(shè)計(jì)規(guī)定的數(shù)值確認(rèn);必要時，施工控制貫入度應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

4 施工情況

4.1 試驗(yàn)

本次施工試樁共18根，包括3根PHC管樁，15根灌注樁。試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括:超前鉆孔、單樁豎向抗壓載荷試驗(yàn)、單樁水平載荷試驗(yàn)、樁身內(nèi)力測試以及樁的高應(yīng)變動力測試、低應(yīng)變樁身完整性［3］檢測等。試驗(yàn)按如下順序進(jìn)行:靜載試驗(yàn)前的低應(yīng)變樁身完整性檢測［4］→樁的高應(yīng)變動力檢測→單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)→單平靜載試驗(yàn)→低應(yīng)變樁身完整性檢測→抽芯檢測(必要時)。在進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和單樁水平靜載試驗(yàn)的同時進(jìn)行樁身內(nèi)力測試。

4.2 灌注樁施工

樁的制作均應(yīng)使用合格的砂、碎石、水泥、鋼筋及其他原材料，原材料進(jìn)場均應(yīng)有合格證，并按規(guī)程規(guī)范的要求進(jìn)行抽檢且抽檢結(jié)果合格。由于填土層結(jié)構(gòu)松散，鉆孔灌注樁施工時，應(yīng)防止填土層段孔壁坍塌，應(yīng)盡量縮短成孔和澆筑混凝土之間的時間，以確保成樁質(zhì)量。第1組鉆孔灌注樁樁徑600 mm，混凝土等級均為C30;鋼筋:HPB300級鋼筋、HRB400級鋼筋;混凝土粗骨料采用碎石或經(jīng)過破碎的卵石，其粒徑為5 mm～40 mm?？v向鋼筋及箍筋應(yīng)扎牢，連接位置不應(yīng)偏斜;縱向鋼筋的焊接接頭配置在同一截面內(nèi)的數(shù)量不得超過主筋總截面面積的50%，同一根樁相鄰兩根主筋接頭截面的距離應(yīng)大于45d，并不小于500 mm。在樁頂2 m范圍內(nèi)的主筋不得有接頭?；炷翍?yīng)采用導(dǎo)管連續(xù)澆灌、不得中途中斷。要求認(rèn)真做好施工記錄，施工過程中遇到異常情況應(yīng)分析原因后采取相應(yīng)措施及時處理，并做好相應(yīng)記錄。鉆孔灌注樁終孔時應(yīng)通知相關(guān)地質(zhì)人員對樁端巖性進(jìn)行鑒定。

4.3 PHC 管樁施工

PHC管樁建議采用D45筒式柴油錘打樁施工;試樁樁位應(yīng)準(zhǔn)確。偏差不得大于20 mm;打樁前應(yīng)檢查預(yù)應(yīng)力管樁外觀質(zhì)量，避免使用有損傷的樁;第一節(jié)預(yù)應(yīng)力管樁起吊就位插入地面的垂直度偏差不得大于0.5%;施打中，樁錘、樁帽、樁身中心線應(yīng)重合。當(dāng)樁身傾斜率超過0.8%時，應(yīng)找出原因并設(shè)法糾正;當(dāng)樁尖插入硬土層后嚴(yán)禁用移動樁架等強(qiáng)行回扳的辦法糾偏;應(yīng)將每一根樁打入設(shè)計(jì)深度后再打其他樁，盡量減少中間休歇時間;如實(shí)、及時、準(zhǔn)確做好打樁記錄，包括最后錘跳高度和貫入度;地面隆起、樁頂上浮測量。施工過程中遇到異常情況應(yīng)分析原因、及時和有關(guān)單位聯(lián)系，并采取相應(yīng)措施及時處理，且做好相應(yīng)記錄;采用焊接接樁，焊接應(yīng)符合JGJ—81建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程的要求;接樁時，上下節(jié)樁應(yīng)保持順直，錯位偏差不大于2 mm;焊接時，先對稱點(diǎn)焊4點(diǎn)～6點(diǎn)，再由兩個焊工對稱施焊;焊接層數(shù)不得少于2層，內(nèi)層必須清理干凈后方能焊外1層，焊縫應(yīng)飽滿連續(xù);焊后自然冷卻時間不得少于8 min;嚴(yán)禁用水冷卻或焊后即打。

5 試樁施工過程分析與總結(jié)

5.1 PHC管樁施工過程分析

本次第二組試樁(PHC500 AB100)施工共計(jì)3根，采用錘擊法施工，整體施工過程比較順利。從3根試樁施工過程中，從施工場地的地面場平高度算起，施工樁長分別為15.9 m，16.2 m和16.2 m，根據(jù)超前鉆所揭示的地層資料，樁端均進(jìn)入了卵礫石層，進(jìn)入深度分別為0.5 m，0.4 m和0.5 m左右。從施工過程并結(jié)合超前鉆資料顯示，錘擊樁阻力急劇增長是在樁端進(jìn)入卵礫石層以后，且最終施工時未被穿透。因此可以推測，當(dāng)卵礫石層較厚時，在滿足錘擊以貫入度小于(3 cm～5 cm)/10擊控制條件下，或無法穿透該層，可采用該層作為持力層。從該組試樁的施工過程來看，本廠址區(qū)域內(nèi)錘擊法施工PHC管樁的施工工藝是可行的。

5.2 旋挖鉆孔灌注樁過程分析

本次11根試驗(yàn)樁(含第一組試樁以及所有錨樁)施工均采用旋挖成孔。施工過程中主要存在塌孔嚴(yán)重、充盈系數(shù)過大等問題。

第一組試樁(SZ11～SZ13)和所有錨樁(MZ1～MZ8)采用泥漿護(hù)壁旋挖鉆進(jìn)的施工工藝。MZ2為施工的第一根灌注樁，泥漿為水、膨潤土、純堿配置泥漿，鉆進(jìn)至卵石粘性土層出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿和塌孔現(xiàn)象，最終成孔共計(jì)用時約4.5 h，澆筑完成后充盈系數(shù)2.93。當(dāng)日施工第二根灌注樁MZ1鉆進(jìn)至卵石粘性土層，亦出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿和塌孔現(xiàn)象，進(jìn)尺困難，故重新回填后靜置1 d待次日重新鉆進(jìn)。次日改用化學(xué)泥漿護(hù)壁，施工MZ1，MZ3和MZ4，漏漿現(xiàn)象得到了有效控制，但是塌孔現(xiàn)象依舊比較嚴(yán)重，沒有明顯改善，三根錨樁平均成孔時間約4.5 h，充盈系數(shù)2.81～2.89，依舊嚴(yán)重偏大。后重新配制膨潤土、純堿泥漿，調(diào)整控制泥漿比重1.2，但是漏漿、塌孔現(xiàn)象依舊沒有得到明顯改善。

經(jīng)過分析可能原因是旋挖鉆桿直徑約40 cm，而孔徑為60 cm，鉆進(jìn)過程中，鉆桿占用鉆孔中大部分體積，在起鉆過程中，鉆頭下方泥漿不能及時補(bǔ)充，形成負(fù)壓，孔壁不能得到有效的保護(hù)。再者卵石粘性土層和卵礫石層也容易出現(xiàn)塌孔。故在施工MZ8時，改用600鉆頭鉆進(jìn)，最后成孔時間約為2.5 h，充盈系數(shù)2.01，塌孔現(xiàn)象得到了一定改善，后經(jīng)設(shè)計(jì)確認(rèn)，調(diào)整本組試樁參數(shù):將試樁樁徑改為800 mm，進(jìn)入持力層深度調(diào)整為3 m。最終試樁SZ11～SZ13充盈系數(shù)為2.21～2.35。雖對比之前施工錨樁有所改善，但是依舊偏大。

充盈系數(shù)的大小與孔壁的穩(wěn)定性有直接關(guān)系，根據(jù)本次施工情況得出以下結(jié)論:灌注樁的平均充盈系數(shù)均大于2.0，反映了廠址區(qū)域在成樁過程中，含卵石粘性土層和卵礫石層范圍內(nèi)孔壁穩(wěn)定性較差，漏漿、塌孔現(xiàn)象較嚴(yán)重。塌孔主要出現(xiàn)在含卵石粘性土層和卵礫石層，尤其是含卵石粘性土層最為嚴(yán)重。

6 試樁施工總結(jié)

本次PHC管樁試樁采用錘擊樁施工工藝，樁端進(jìn)入卵礫石層，長度為15.9 m～16.2 m。整個施工過程快捷順利，且從勘測報(bào)告和本次超前鉆孔資料來看，地層中未有孤石塊石出現(xiàn)。故采用錘擊形式施工PHC樁的工藝在本場地條件下是可行的。

本次灌注樁試樁采用了三一重工SR200C型旋挖鉆機(jī)成孔，泥漿護(hù)壁，水下澆筑的施工工藝。施工過程中出現(xiàn)縮孔、漏漿和塌孔現(xiàn)象，導(dǎo)致灌注樁充盈系數(shù)過大，雖經(jīng)過不同辦法嘗試，塌孔和充盈系數(shù)過大的現(xiàn)象得到了一定的改善，但是依然偏大。含卵石粘性土層在初步設(shè)計(jì)階段勘察過程中僅2個鉆孔的下部揭露，并且層厚較小。由于本次試樁區(qū)域較小，已涵蓋廠址區(qū)域內(nèi)大部分主要地層，但廠區(qū)內(nèi)不同地段地層情況仍有一定的差異。根據(jù)初步設(shè)計(jì)勘察資料，廠址內(nèi)其他區(qū)域內(nèi)未見或少見鉆進(jìn)困難、塌孔嚴(yán)重的含卵石粘性土層，故在這些區(qū)域施工鉆孔灌注樁時塌孔及充盈系數(shù)過大等現(xiàn)象可能有所改善，但必須加強(qiáng)施工過程管控，保證施工質(zhì)量。從試樁施工過程、動測得到的樁身完整性資料、靜載試驗(yàn)及高應(yīng)變動測資料分析，本場地采用PHC管樁和灌注樁都是可行的，但是旋挖鉆孔灌注樁施工過程中出現(xiàn)縮孔、漏漿、塌孔，充盈系數(shù)過大等現(xiàn)象。在試驗(yàn)前對試樁和錨樁經(jīng)低應(yīng)變檢測，均判定為Ⅰ類樁即樁身完整。Ⅰ類樁占100%。樁身混凝土強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。兩組試樁在靜載試驗(yàn)后，未發(fā)生明顯破壞。灌注樁采用泥漿護(hù)壁旋挖成孔施工工藝，充盈系數(shù)達(dá)到2.21～2.35，漏漿、塌孔現(xiàn)象較嚴(yán)重。通過試樁得出灌注樁試樁充盈系數(shù)較大，漏漿、塌孔現(xiàn)象較嚴(yán)重，表明本場地采用泥漿護(hù)壁旋挖成孔施工工藝難度大。

根據(jù)本次試樁的施工及試驗(yàn)，錘擊法PHC管樁及旋挖鉆孔灌注樁兩種樁型在本廠址區(qū)域地層條件下均是可行的，但是從環(huán)保、文明施工、進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)性方面考慮，PHC管樁明顯優(yōu)于旋挖鉆孔灌注樁，故首先推薦使用PHC管樁。旋挖鉆孔灌注樁由于施工過程中存在縮孔、漏漿、塌孔嚴(yán)重、充盈系數(shù)過大等現(xiàn)象，不作為優(yōu)先推薦樁型，但在部分區(qū)域PHC管樁施工困難或承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求時可結(jié)合實(shí)際情況考慮采用該樁型。本次PHC管樁的承載力施工較為順利，但是以端承為主，故管樁施工樁端承載力尤為重要。在施工過程中，施工工藝應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及有關(guān)樁基施工規(guī)程規(guī)范要求進(jìn)行，建議加強(qiáng)樁基工程的施工管控，對PHC管樁施工嚴(yán)格監(jiān)控確?；鶚妒┕べ|(zhì)量。工程樁驗(yàn)收時可以適當(dāng)擴(kuò)大對工程樁進(jìn)行承載力和完整性的抽檢，確保樁基施工質(zhì)量滿足規(guī)程規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和施工難易程度比較，PHC樁優(yōu)于灌注樁。從設(shè)計(jì)院主推的灌注樁到改為PHC樁，經(jīng)過本次試樁為工程節(jié)約造價也〗為工程進(jìn)度以及文明施工創(chuàng)造了好的條件，圓滿達(dá)到試樁要求。但各個區(qū)域地層分布存在變化的在工程實(shí)施前加強(qiáng)試樁，對工程質(zhì)量、安全以及經(jīng)濟(jì)性都是有利的。