火力發電廠巖土工程試樁實例分析

姚松柏

(華電和祥工程咨詢有限公司，山西太原 030006)

0 引言

火力發電廠巖土工程勘測技術要求，初設階段應進一步查明廠址的巖土工程條件，對擬定的樁型進行必要的原體試驗，以確定單樁承載力、分析研究樁土的應力應變特性，為樁型的最終確定和樁基設計與施工提供可靠的依據。發電廠的一級、二級建(構)筑物，當需采用人工地基或樁基時，應進行原體試驗。對于一級建筑物，應通過樁的靜載荷試驗確定單樁豎向極限承載力［1］特征值。

1 工程概況及試驗目的

湖北華電樊城燃機一期2×100 MW級熱電聯產項目位于襄陽市漢江左岸的樊城區供熱Ⅱ區北部，西至中航大道，東至市政規劃的廖家莊路，北至市政規劃的王伙一路，南至市政規劃的奧瑞那路，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2×100 MW級燃氣蒸汽聯合循環機組，預留擴建余地。根據經驗，主要建(構)筑物基礎埋深一般為－3.0 m～－5.0 m。場地上部主要地基土層為②-1層可塑粉質粘土、②-2層軟塑粉質粘土、③層稍密粉細砂。根據建構筑物承載力的要求，設計擬采用樁基進行地基處理。為了準確確定樁基的承載力，為地基基礎設計提供相應的參數與依據，須開展相應的試樁試驗。通過試樁確定在本廠址工程地質條件下，擬選樁型的施工可行性，成樁工藝及保證成樁質量的施工技術措施;獲取樁基持力層的有關資料，為選擇合理的樁基持力層提供依據。通過單樁豎向抗壓靜載試驗和高應變動力測試，獲得鉆孔樁灌注樁和打入式PHC預制管樁在豎向荷載作用下單樁極限承載力，樁周土的極限側阻力和極限端阻力;評價樁的荷載—變形特性，為樁基方案優化及工程樁的設計、施工提供依據。通過單樁水平靜載試驗，獲得單樁樁頂在自由狀態下，受水平荷載作用的水平臨界荷載、極限荷載。通過低應變反射波法檢測，獲得試驗樁樁身完整性相關資料，判定樁身完整性。通過樁身應力、應變測試，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律，獲得最大彎距深度等參數。

2 試驗要求、樁型選擇

試樁施工前應查明試樁處的詳細地層分布情況和性質。在每組試樁樁位處各布置1個超前鉆孔，共6個超前鉆孔。根據超前鉆孔揭露的地層分布來最終確定試驗樁的施工和試驗。試驗在1個區域采用2種樁型。第一組600 mm鉆孔灌注樁;第二組即500 mm PHC管樁。通過現場試驗確定單樁的豎向抗壓承載力、水平承載力。所有試樁進行高、低應變動力測試，與靜載荷試驗做動靜對比，為工程樁檢測積累數據。PHC管樁應做跟樁檢測，為試打提供數值依據。所有試樁樁端全斷面進入卵礫石持力層。單樁豎向抗壓靜載試驗: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: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。低應變動力檢測:樁身完整性檢測，并評價樁身混凝土強度。高應變動力檢測:單樁承載力檢測，并劃分樁側摩阻力、樁端阻力。樁身內力測試:測試鋼筋應力，獲取樁身軸力及地基巖土層各層側阻力。試驗加載、卸載、終止、試驗記錄和檢測記錄等均須按相關規范和規程執行。

根據本廠區巖土工程條件，本場地可選用鉆孔灌注樁及高強預應力管樁(PHC樁)，根據工程經驗，以上樁型的優缺點如下:PHC樁:本場地上部和中部無堅硬和粗顆粒土層，沉樁容易;樁的主要持力層——硬塑土層埋深10余米，分布較穩定，樁端位于中部土層，樁型屬摩擦型樁，樁長易控制;施工進度快，施工質量易控制，現場施工文明形象較好。廠區附近有管樁廠相對運輸距離較短。缺點是根據前期施工經驗，樁間距離太密集時土體有隆起現象，容易把樁拔壞。另外，根據地區經驗以及勘測資料，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，導致承載力可能出現偏低的現象。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。缺點是現場的混凝土和鋼筋工程質量不如預制樁容易控制、施工進度不如預制樁快，同時，由于本廠區上部土層需要泥漿護壁，因此涉及泥漿排放等問題，文明施工難度較大。因此，為了進一步驗證兩種施工工藝在本廠區的適宜性，本次試樁將會使用預應力管樁和鉆孔灌注樁兩種樁型，同時根據承載力要求選用不同直徑的基樁開展現場原體試驗。

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根試驗樁，共計 6根試驗樁，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(狀態中密)，樁端進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(狀態稍密～中密)，樁端進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(狀態中密)。灌注樁建議采用泥漿護壁旋挖施工法，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。貫入度已達到設計要求而樁端標高未達到時，應繼續錘擊3陣，并按每陣10擊的貫入度不應大于設計規定的數值確認;必要時，施工控制貫入度應通過試驗確定。

4 施工情況

4.1 試驗

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

4.2 灌注樁施工

樁的制作均應使用合格的砂、碎石、水泥、鋼筋及其他原材料，原材料進場均應有合格證，并按規程規范的要求進行抽檢且抽檢結果合格。由于填土層結構松散，鉆孔灌注樁施工時，應防止填土層段孔壁坍塌，應盡量縮短成孔和澆筑混凝土之間的時間，以確保成樁質量。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過破碎的卵石，其粒徑為5 mm～40 mm。縱向鋼筋及箍筋應扎牢，連接位置不應偏斜;縱向鋼筋的焊接接頭配置在同一截面內的數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大于45d，并不小于500 mm。在樁頂2 m范圍內的主筋不得有接頭。混凝土應采用導管連續澆灌、不得中途中斷。要求認真做好施工記錄，施工過程中遇到異常情況應分析原因后采取相應措施及時處理，并做好相應記錄。鉆孔灌注樁終孔時應通知相關地質人員對樁端巖性進行鑒定。

4.3 PHC 管樁施工

PHC管樁建議采用D45筒式柴油錘打樁施工;試樁樁位應準確。偏差不得大于20 mm;打樁前應檢查預應力管樁外觀質量，避免使用有損傷的樁;第一節預應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、樁身中心線應重合。當樁身傾斜率超過0.8%時，應找出原因并設法糾正;當樁尖插入硬土層后嚴禁用移動樁架等強行回扳的辦法糾偏;應將每一根樁打入設計深度后再打其他樁，盡量減少中間休歇時間;如實、及時、準確做好打樁記錄，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分析原因、及時和有關單位聯系，并采取相應措施及時處理，且做好相應記錄;采用焊接接樁，焊接應符合JGJ—81建筑鋼結構焊接規程的要求;接樁時，上下節樁應保持順直，錯位偏差不大于2 mm;焊接時，先對稱點焊4點～6點，再由兩個焊工對稱施焊;焊接層數不得少于2層，內層必須清理干凈后方能焊外1層，焊縫應飽滿連續;焊后自然冷卻時間不得少于8 min;嚴禁用水冷卻或焊后即打。

5 試樁施工過程分析與總結

5.1 PHC管樁施工過程分析

本次第二組試樁(PHC500 AB100)施工共計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，根據超前鉆所揭示的地層資料，樁端均進入了卵礫石層，進入深度分別為0.5 m，0.4 m和0.5 m左右。從施工過程并結合超前鉆資料顯示，錘擊樁阻力急劇增長是在樁端進入卵礫石層以后，且最終施工時未被穿透。因此可以推測，當卵礫石層較厚時，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，本廠址區域內錘擊法施工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重、充盈系數過大等問題。

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

經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充，形成負壓，孔壁不能得到有效的保護。再者卵石粘性土層和卵礫石層也容易出現塌孔。故在施工MZ8時，改用600鉆頭鉆進，最后成孔時間約為2.5 h，充盈系數2.01，塌孔現象得到了一定改善，后經設計確認，調整本組試樁參數:將試樁樁徑改為800 mm，進入持力層深度調整為3 m。最終試樁SZ11～SZ13充盈系數為2.21～2.35。雖對比之前施工錨樁有所改善，但是依舊偏大。

充盈系數的大小與孔壁的穩定性有直接關系，根據本次施工情況得出以下結論:灌注樁的平均充盈系數均大于2.0，反映了廠址區域在成樁過程中，含卵石粘性土層和卵礫石層范圍內孔壁穩定性較差，漏漿、塌孔現象較嚴重。塌孔主要出現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重。

6 試樁施工總結

本次PHC管樁試樁采用錘擊樁施工工藝，樁端進入卵礫石層，長度為15.9 m～16.2 m。整個施工過程快捷順利，且從勘測報告和本次超前鉆孔資料來看，地層中未有孤石塊石出現。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型旋挖鉆機成孔，泥漿護壁，水下澆筑的施工工藝。施工過程中出現縮孔、漏漿和塌孔現象，導致灌注樁充盈系數過大，雖經過不同辦法嘗試，塌孔和充盈系數過大的現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計階段勘察過程中僅2個鉆孔的下部揭露，并且層厚較小。由于本次試樁區域較小，已涵蓋廠址區域內大部分主要地層，但廠區內不同地段地層情況仍有一定的差異。根據初步設計勘察資料，廠址內其他區域內未見或少見鉆進困難、塌孔嚴重的含卵石粘性土層，故在這些區域施工鉆孔灌注樁時塌孔及充盈系數過大等現象可能有所改善，但必須加強施工過程管控，保證施工質量。從試樁施工過程、動測得到的樁身完整性資料、靜載試驗及高應變動測資料分析，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縮孔、漏漿、塌孔，充盈系數過大等現象。在試驗前對試樁和錨樁經低應變檢測，均判定為Ⅰ類樁即樁身完整。Ⅰ類樁占100%。樁身混凝土強度滿足試驗要求。兩組試樁在靜載試驗后，未發生明顯破壞。灌注樁采用泥漿護壁旋挖成孔施工工藝，充盈系數達到2.21～2.35，漏漿、塌孔現象較嚴重。通過試樁得出灌注樁試樁充盈系數較大，漏漿、塌孔現象較嚴重，表明本場地采用泥漿護壁旋挖成孔施工工藝難度大。

根據本次試樁的施工及試驗，錘擊法PHC管樁及旋挖鉆孔灌注樁兩種樁型在本廠址區域地層條件下均是可行的，但是從環保、文明施工、進度及經濟性方面考慮，PHC管樁明顯優于旋挖鉆孔灌注樁，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、塌孔嚴重、充盈系數過大等現象，不作為優先推薦樁型，但在部分區域PHC管樁施工困難或承載力不能滿足設計要求時可結合實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，施工工藝應嚴格按照設計及有關樁基施工規程規范要求進行，建議加強樁基工程的施工管控，對PHC管樁施工嚴格監控確保基樁施工質量。工程樁驗收時可以適當擴大對工程樁進行承載力和完整性的抽檢，確保樁基施工質量滿足規程規范和設計要求。根據經濟性和施工難易程度比較，PHC樁優于灌注樁。從設計院主推的灌注樁到改為PHC樁，經過本次試樁為工程節約造價也〗為工程進度以及文明施工創造了好的條件，圓滿達到試樁要求。但各個區域地層分布存在變化的在工程實施前加強試樁，對工程質量、安全以及經濟性都是有利的。