某電廠樁基試驗(yàn)樁的檢測理論研究與應(yīng)用

孟憲中

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，江蘇徐州 221004;2.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210093)

0 引言

國家電力關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)命脈、關(guān)系國家能源安全、關(guān)系社會穩(wěn)定，電廠地基基礎(chǔ)型式選用尤為重要。本文根據(jù)建筑物上部結(jié)構(gòu)、荷載情況及工程地質(zhì)勘察報(bào)告，通過原體試驗(yàn)，綜合考慮承載能力、安全性、施工可行性等各方面因素，選取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的地基基礎(chǔ)方案，取得了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最大效益。

1 工程概況

華潤電力渤海新區(qū)2×300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組工程廠區(qū)位于滄州臨港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)東部石油化工園區(qū)內(nèi)的化工大道南側(cè)，場地附近有開發(fā)區(qū)化工大道通過，廠區(qū)東距渤海約5 km，交通較為方便。該項(xiàng)目規(guī)劃裝機(jī)容量為2×300 MW+2×600 MW供熱機(jī)組，本期工程裝機(jī)容量為2×300 MW供熱機(jī)組。

2 場地工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

該項(xiàng)目所在區(qū)域地貌形態(tài)屬華北東部濱海平原，地勢低洼，平坦開闊，自西北向東南緩傾；廠區(qū)大部分原為鹽池和蝦池，現(xiàn)今已回填整平，地面標(biāo)高2.85～3.53 m，場地地層以第四系濱海沖洪積(淤積)粉土、黏性土及粉砂為主。

2.2 試樁場地地層巖性特征

試樁場區(qū)位于本期電除塵器西側(cè)的空場地，地面標(biāo)高為2.97～3.02 m。試樁場地地層以第四系濱海沖洪積(淤積)粉土、黏性土及粉砂為主，按地層巖性特征、物理力學(xué)性質(zhì)及埋藏條件，將勘探深度35 m范圍內(nèi)的地層自上而下劃分為七大層，地層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 主廠房地段地基土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.3 地下水及水土腐蝕性

勘探期間，本場地穩(wěn)定地下水位埋深0.70 m左右(標(biāo)高2.30 m)，年變幅0.5 m左右，地下水pH=6.87～7.60，SO42-含量為135.0～8396.5 mg/L，Cl-含量為13188.5～65230.7 mg/L，Mg2+含量為265.0～5047.2 mg/L，總礦化度為23109.0～114915.2 mg/L；場地土的pH值為8.23～8.32，SO42-含量為893.0～4778.9 mg/kg，Cl-含量為5885.2～24994.4 mg/kg，Mg2+含量為267.4～1086.7 mg/kg，總礦化度為11076.8～47165.3 mg/kg；根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，按Ⅱ類環(huán)境考慮，綜合判定廠區(qū)場地土對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土中的鋼筋具強(qiáng)腐蝕性。

3 地基方案選擇

3.1 地基方案選型

從地層分布情況來看，主廠房±0.00標(biāo)高相當(dāng)于絕對標(biāo)高3.9 m。主廠房、煙囪基礎(chǔ)的埋置深度為-5.00 m，基礎(chǔ)底面持力層為②粉土，依據(jù)該層土的物理力學(xué)性質(zhì)，②粉土承載力特征值為110 kPa，強(qiáng)度及變形難以滿足天然地基設(shè)計(jì)要求，因此，不宜采用天然地基[1]。根據(jù)初步設(shè)計(jì)巖土工程勘測報(bào)告以及火力發(fā)電廠各建構(gòu)筑物的具體情況，對本工程的地基方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上的全面比較，擬采用樁基礎(chǔ)，樁型為鋼筋混凝土預(yù)制方樁[2]。

3.2 預(yù)制方樁豎向極限承載力估算

3.2.1 物理力學(xué)指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)和初步設(shè)計(jì)階段勘測報(bào)告，對預(yù)制方樁單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行估算[3]。樁基技術(shù)參數(shù)見表2，單樁豎向承載力特征值用式(1)計(jì)算。

R=Quk/rsp=(u∑qsiklsi+qpkAp) /rsp

(1)

式中：R為單樁承載力特征值，kN；Quk為極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；rsp為調(diào)整系數(shù)，取2.0；u為樁的周長，m；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；lsi為第i層土的厚度，m；qpk為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Ap為樁的截面積，m2。

表2 預(yù)制方樁樁基技術(shù)參數(shù)表

根據(jù)式(1)和表2計(jì)算可知,樁徑500 mm×500 mm方樁的單樁承載力特征值為1757 kN，樁徑400 mm×400 mm方樁的單樁承載力特征值為1295 kN。

3.2.2 靜力觸探指標(biāo)計(jì)算

靜力觸探試驗(yàn)根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)，估算單樁豎向極限承載力按式(2)計(jì)算[4]。

Quk=Qsk+Qpk=u∑li·βi·fsi+α·qc·Ap

(2)

式中：fsi為第i層土的探頭平均側(cè)阻力,kPa；qc為樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d(d為樁直徑或邊長)范圍內(nèi)按土層厚度的探頭阻力加權(quán)平均值(kPa)，然后再和樁端平面以下1d范圍內(nèi)探頭阻力進(jìn)行平均；α為樁端阻力修正系數(shù)，對于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2；βi為第i層土樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)，黏性土、粉土βi=10.04(fsi)-0.55；砂土βi=5.05(fsi)-0.45；u為樁身周長，m；Ap為樁端面積，m2。

試樁場靜力觸探試驗(yàn)估算單樁豎向極限承載力見表3，試樁500 mm×500 mm估算單樁豎向承載力特征值為1694 kN；試樁400 mm×400 mm估算單樁豎向承載力特征值為1387 kN。

表3 靜力觸探估算單樁豎向極限承載力成果表

3.3 試樁場地選擇、試驗(yàn)層面確定

3.3.1 試樁場地的選擇

試驗(yàn)場地選擇在地質(zhì)條件具代表性且無建筑物布置地段，綜合試驗(yàn)樁的樁長及樁端持力層等因素，試樁場位于本期電除塵器西側(cè)的空場地，試樁場地矩形對角坐標(biāo)為A=47961.930，B=54391.490和A=47989.930，B=54407.490，具體位置見圖1。

3.3.2 試驗(yàn)層面的確定

考慮試驗(yàn)的可行性和試驗(yàn)的安全性，預(yù)制方樁成樁在自然地面進(jìn)行，試驗(yàn)面位置選在標(biāo)高為3.0 m的自然地面。

由于試樁場地為回填的鹽池，試樁施工時(shí)地表大量積水，因此對試樁區(qū)域進(jìn)行了換填硬化處理，處理后地面比自然地面高0.5 m，在施工時(shí)樁長加到22.5 m，試驗(yàn)在處理后標(biāo)高為3.5 m的地面進(jìn)行。

圖1 預(yù)制方樁試樁場地位置示意圖

3.4 樁參數(shù)的確定

根據(jù)試樁場勘測資料和場地硬化處理后的地面標(biāo)高，結(jié)合試樁任務(wù)書要求的試驗(yàn)樁樁型，最終確定試驗(yàn)樁參數(shù)為：主要建筑物采用樁徑500 mm×500 mm的方樁，其他一般區(qū)域采用樁徑400 mm×400 mm的方樁，樁身強(qiáng)度都為C40，實(shí)際樁長都為22.5 m，樁端進(jìn)入⑥2層細(xì)砂層至少2 m，以標(biāo)高控制為主，每種尺寸預(yù)制方樁都為4根。選自《預(yù)制鋼筋混凝土方樁》(04G361)JZHb-250-1212C(改)；JZHb-240-1212C(改)，保護(hù)層為50 mm，本工程樁身設(shè)為兩段，一個(gè)接頭。錨樁采用φ800 mm泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁端進(jìn)入⑥2持力層，樁長30 m，錨樁混凝土強(qiáng)度等級為C25，坍落度180～220 mm，共15根。試驗(yàn)樁和錨樁(反力樁)樁間距為6.0 m，一字排列，分踞在試驗(yàn)樁兩側(cè)。具體樁位布置見圖2。

4 施工效果及檢驗(yàn)分析

4.1 預(yù)制方樁施工效果

在打樁施工中，所有預(yù)制方樁的焊接都合格，所有預(yù)制方樁都施工到樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高[5-6]，施工記錄見表4，錘擊數(shù)隨深度變化規(guī)律見圖3。

表4 試驗(yàn)樁(預(yù)制方樁)施工記錄

圖2 預(yù)制方樁試樁樁位布置圖(單位：mm)

圖3 預(yù)制方樁打樁錘擊數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)施工記錄，每根樁施工用時(shí)最長在2 h左右，最短1.5 h，其中焊接樁用時(shí)30 min左右； 500 mm×500 mm預(yù)制方樁單樁總錘擊數(shù)平均值378擊，貫入度為10.0～15.0 mm/10 擊，樁端進(jìn)入持力層前(從地面算樁入土約20.0 m)錘擊數(shù)為228～280擊，平均值253擊；400 mm×400 mm預(yù)制方樁單樁總錘擊數(shù)平均值270擊，貫入度為13.0～30.0 mm/10擊，樁端進(jìn)入持力層前(從地面算樁入土約20.0 m)錘擊數(shù)為179～213擊，平均值193擊。

4.2 檢測工作布置

為能向?qū)嶋H工程提供合理的樁基承載力并指導(dǎo)工程樁基方案的施工，同時(shí)也為工程檢測以及施工監(jiān)理提供必要的依據(jù)，進(jìn)行本次原體試驗(yàn)工作。

500 mm×500 mm預(yù)制方樁樁號為S1、S2、S3和S4，400 mm×400 mm樁號為S5、S6、S7和S8(其中兩種本次試樁共布置預(yù)制方樁試驗(yàn)樁8根，樁尺寸各備用一根)，灌注樁錨樁15根。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范成樁28 d后開始豎向靜載荷試驗(yàn)。

4.2.1 單樁豎向靜載荷試驗(yàn)

通過單樁豎向靜載荷試驗(yàn)確定單樁豎向承載力特征值[7]，其中選擇500 mm×500 mm(樁號為S1、S2和S3)與400 mm×400 mm(樁號為S5、S6和S7)各3根進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)都做到破壞，根據(jù)規(guī)范可以確定單樁豎向抗壓承載力(見表5)。

表5 預(yù)制方樁豎向靜載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.2.2 單樁水平靜載荷試驗(yàn)

單樁水平靜載試驗(yàn)，其目的是確定單樁水平臨界荷載和單樁水平極限承載力。現(xiàn)場分別對 S1、S2、S3和S5、S6、S7進(jìn)行試驗(yàn)。從水平力-時(shí)間-位移(H-t-Y0)曲線分析來看，當(dāng)S1、S2、S3水平力H分別加到150 kN、135 kN、120 kN，S5、S6、S7水平力H分別加到100 kN、110 kN、100 kN時(shí)，6根試樁水平位移均達(dá)到《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)等有關(guān)規(guī)定的40 mm，且有加快趨勢。根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定500 mm×500 mm 試樁單樁水平極限承載力基本值分別為120 kN、120 kN、105 kN，單樁水平極限承載力為其平均值115 kN；確定400 mm×400mm 試樁S5、S6、S7單樁水平極限承載力基本值分別為90 kN、100 kN、90 kN，單樁水平極限承載力為其平均值93 kN。

4.2.3 低應(yīng)變檢測

激振點(diǎn)在樁中心，加速度傳感器通過黃油粘結(jié)在樁頂信號接收處，接收點(diǎn)位于距樁中心2/3 邊長處，信號采集執(zhí)行3次疊加。檢測結(jié)果表明：同一樁不同檢測點(diǎn)位所采集信號有良好的一致性，樁底反射明顯，8根樁身波速3563～4065 m/s，平均3842 m/s。樁身質(zhì)量完整。

4.2.4 高應(yīng)變檢測

采用高應(yīng)變動力測試(PDA)，了解樁身完整性，檢測樁周土的應(yīng)力分布規(guī)律。通過初打(實(shí)時(shí)監(jiān)測)和復(fù)打資料確定單樁豎向極限承載力和成樁后的恢復(fù)系數(shù)。從PDA試驗(yàn)的結(jié)果確定最佳貫入深度，以此選擇合適的打樁設(shè)備及施工時(shí)打樁停錘標(biāo)準(zhǔn)。

11月22—24日，完成8根試樁初打施工跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測從樁入土19 m到21 m，監(jiān)測間隔1 m,共完成24根次。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)束后，滿足規(guī)定的休止期，于第二年1月20日完成8根試樁復(fù)打檢測。兩次共完成PDA試驗(yàn)32根次。

500 mm×500 mm方樁測得最大壓應(yīng)力3832～4900 kN，最大拉應(yīng)力0～365 kN，錘擊能量57.3～99.9 kJ，錘擊速度38.6～44.2 bpm，樁完整性系數(shù)BAT值73%～100%，BAT值偏低為接樁反應(yīng)所致。400 mm×400 mm方樁測得最大壓應(yīng)力2160～3387 kN，最大拉應(yīng)力0～310 kN，錘擊能量38.3～77.3 kJ，錘擊速度41.9～44.3 bpm，樁完整性系數(shù)BAT值 84%～100%，接樁質(zhì)量完好。以上兩種樁型不同入土深度動測結(jié)果都已做單獨(dú)統(tǒng)計(jì)。

在單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)束后，滿足20 d休止期，次年1月25日對兩種樁型6根試驗(yàn)樁進(jìn)行高應(yīng)變復(fù)打檢測。

對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行CAPWAPC曲線擬合法高應(yīng)變動力測試資料分析，計(jì)算出樁側(cè)不同深度側(cè)阻力值，并根據(jù)試驗(yàn)場地勘探得出不同土層土阻力及樁端阻力[8]。兩種樁型端阻力所占總阻力比例相近，分別23.6%、23.9%。

通過高應(yīng)變復(fù)打曲線，采用CAPWAPC分析計(jì)算，得出500 mm×500 mm預(yù)制方樁單樁豎向極限承載力3093 kN；400 mm×400 mm預(yù)制方樁單樁豎向極限承載力2788 kN。

通過CAPWAPC分析計(jì)算，得出各土層樁的極限側(cè)阻力和極限端阻力[9](見表6)。

表6 各土層樁的極限側(cè)阻力和極限端阻力一覽表

5 承載力的確定

5.1 單樁豎向承載力特征值的確定

通過試樁場勘測，試樁場地地層與廠區(qū)2#鍋爐以北的西北部煙囪、脫硫、輸煤系統(tǒng)等區(qū)域地層接近，再通過對比試樁場地靜力觸探與廠區(qū)靜力觸探所計(jì)算出的單樁豎向承載力值[10]，可以看出樁端進(jìn)入⑥2層細(xì)砂層不小于1.0 m的單樁豎向承載力基本一致，500 mm×500 mm方樁有效樁長不小于18 m，400 mm×400 mm方樁有效樁長不小于20 m。但每個(gè)區(qū)域的計(jì)算結(jié)果也存在不均勻性，500 mm×500 mm方樁在試樁場單樁豎向承載力最小為1615 kN，最大為1774 kN，廠區(qū)單樁豎向承載力最小為1524 kN，最大為1781 kN；400 mm×400 mm方樁在試樁場單樁豎向承載力最小為1315 kN，最大為1459 kN，廠區(qū)單樁豎向承載力最小為1331 kN，最大為1506 kN。

在廠區(qū)范圍內(nèi)，由于地層分布不均勻性，存在著單樁承載力低于試樁場的地段，為使試樁結(jié)果具有普遍適用性，綜合考慮地層不均勻、大規(guī)模施工與試樁施工質(zhì)量差異等因素，推薦500 mm×500 mm和400 mm×400 mm預(yù)制方樁的單樁豎向承載力特征值分別為1500 kN和1300 kN；由于廠區(qū)南部區(qū)域地層持力層較北部深，則單樁承載力偏于安全。

5.2 單樁水平承載力特征值的確定

本次單樁水平靜載荷試驗(yàn)共做了2種樁型共6根樁，試驗(yàn)采用單向多循環(huán)加載法，并都滿足水平位移量超過40 mm的終止條件。根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定，確定500 mm×500 mm預(yù)制方樁單樁水平臨界荷載為85 kN，單樁水平極限承載力為115 kN，單樁水平承載力特征值為68 kN；400 mm×400 mm預(yù)制方樁單樁水平臨界荷載為70 kN，單樁水平極限承載力為93 kN，單樁水平承載力特征值為56 kN。

6 結(jié)論及建議

(1)通過試樁場勘測，試樁場地是具有代表性的，主要建(構(gòu))筑物采用500 mm×500 mm預(yù)制方樁樁基方案，附屬建(構(gòu))筑物采用400 mm×400 mm預(yù)制方樁樁基方案是合理可行的。

(2)樁端持力層為⑥2層細(xì)砂層，樁端進(jìn)入⑥2層細(xì)砂層不得小于1.5 m，500×500 mm的方樁有效樁長不得小于18 m，400 mm×400 mm的方樁有效樁長不得小于20 m。工程樁的樁長應(yīng)根據(jù)詳勘地質(zhì)資料⑥2層細(xì)砂層的變化最終確定。

(3)工程樁施工時(shí)以設(shè)計(jì)標(biāo)高控制為主，標(biāo)高未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高的以最后三陣平均每陣貫入度不超過5 cm/陣控制。建議在工程樁施工時(shí)采取隔樁跳打的方式進(jìn)行工程樁施工，采用布質(zhì)樁墊(布輪)，禁止采用紙質(zhì)樁墊，并保證樁帽上面的錘墊(鋼絲繩)平整，嚴(yán)格控制打入樁的垂直度。

(4)高應(yīng)變與靜載荷試驗(yàn)的動靜對比系數(shù)為：500 mm×500 mm預(yù)制方樁動靜對比系數(shù)1∶1.21；400 mm×400 mm預(yù)制方樁動靜對比系數(shù)1∶1.08。

(5)工程樁檢測可采用高應(yīng)變跟蹤檢測驗(yàn)證單樁豎向承載力，同時(shí)在檢測時(shí)布置一定數(shù)量的高應(yīng)變復(fù)打檢測。高應(yīng)變跟蹤檢測時(shí)承載力恢復(fù)系數(shù)500 mm×500 mm方樁按2.91、400 mm×400 mm方樁按2.64考慮，并通過高應(yīng)變復(fù)打檢測進(jìn)行對比驗(yàn)證；在工程樁施工和檢測過程中出現(xiàn)特殊情況，工程樁承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以采用靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行承載力驗(yàn)證；采用低應(yīng)變來檢測樁身完整性。