越南海防热电厂二期工程超长大直径灌注桩荷载传递机理试验研究

张利洁，边智华，景 锋，唐辉明，杨喜庆，叶红卫，毕 承

(1.中国地质大学工程学院，武汉 430074;2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010;3.湖北省电力建设第一工程公司，武汉 430061)

1 工程背景

钻孔灌注桩已广泛应用于高层建筑、道路、桥梁等各类工程。桩基的承载性能受到土体性质、桩身强度、施工工艺等诸多因素的影响。要正确地确定桩基的承载力，必须深入了解桩土体系的荷载传递特性。桩基承载性状的研究方法主要有3种:即现场试验、以有限元法为代表的数值计算和解析计算，但静载荷试验方法仍是确定桩的承载性状最直接最可靠的方法，利用桩侧摩阻力和桩端阻力的实测结果，可以研究桩和土的荷载传递规律［1－5］，分析对荷载传递产生影响的各种因素。本文采用现场试验法测定桩基承载力。

越南海防是越南海边一大城市，越南海防热电厂二期工程位于海防市水源镇，装机容量为2×300 MW，有主厂房、烟囱、集控楼、锅炉房、汽机房、除灰脱硫控制室等重要建筑物，且场地为Gia河边的低地，属于喀斯特地貌区，岩溶比较发育，上部存在较厚的淤泥质土层，土质较差，不能满足厂区上部结构对地基的要求，因此厂区主要建筑物的地基处理拟采用超长大直径钻孔灌注桩。国内超长大直径钻孔灌注桩很少见到应用于海边的建筑。整个工程场地共有5个试验区，本文选取其中一个试验区进行研究，该区全部采用正循环钻孔灌注桩施工工艺，所有桩径均为800mm，桩长45 m左右。该区桩涉及的岩土层从上至下分别为素填土、淤泥、黏土、粉细砂、全风化泥岩、强风化泥岩。

2 试验目的及试验方法

2.1 试验目的

为确定越南海防热电厂二期工程不同地质条件下灌注桩的单桩承载力及其变形能力，并为后期大面积的桩基施工提供施工参数及有关质量控制标准，需在厂区内选取有代表性的区域进行试桩工作。试验目的主要如下:

(1)通过实测获取单桩承载力参数，为工程安全评价和优化设计提供依据;

(2)确定单桩竖向承载能力;

(3)确定各层土的桩侧摩阻力、桩端持力层的端阻力;

(4)确定单桩在高应变动荷下与静荷载试验相关关系;

(5)评价在该地质条件下成桩的桩身质量。

2.2 试验方法

试验采用慢速维持荷载法。加载分级进行，采用逐级等量加载。分级荷载为最大加载量的1/10。用混凝土预制块和大梁及钢板组成反力系统，用3台5 000kN千斤顶并联施加各级试验荷载，精度为0.4级标准压力表测定压力，用4块量程为100mm百分表测量桩身沉降。试验装置见图1。加卸载方式、试验步骤与国内标准均相似［6－7］，但终止加载标准之一“最大一级荷载的稳定需保持40 h”(国内为24 h)。每根试桩对称安装2条测线，采用钢筋计测定对称两条测线上的应力分布，当桩在载荷作用下引起桩身应力变化，从而引起钢筋计振弦频率改变，通过测试钢弦式钢筋应力传感器在不同载荷下的频率数值，按照公式换算出钢筋的应力。

图1 单桩竖向静载试验设备安装示意图Fig.1 Equipment for single pile vertical static loading test

3 试验中桩荷载传递机理分析

3根试桩表现出相似的轴力分布特征，由于篇幅限制，本文仅选取A1号桩进行机理分析［8］。

3.1 桩身钢筋应力、轴力传递特征

A1桩在各级荷载下实测的沿桩深桩身钢筋应力分布曲线见图2和图3。本区桩为长摩擦桩，设计桩长约45 m，桩径800mm，桩周岩土性质从上至下分别为素填土、淤泥、黏土、粉细砂、全风化泥岩和强风化泥岩。

由图2、图3可知，钢筋应力随着竖向荷载的增加而增大，随着桩深度的增加而减小，具有较好的规律性。从图3可见，宏观上，曲线在20 m左右出现一个大的应力断面，根据超前钻孔柱状图分析，此处为土和岩石分界的大致深度;在20 m以上地基土从上至下分别为素填土、淤泥、黏土、粉细砂，钢筋应力的分布出现一些不规则的变化，主要是由不同类型的土对桩的作用程度不同所至，总体上是随着深度的增加而减小的;在20 m以下本试桩区为全强风化泥岩，此段应力的衰减速率与上段应力的衰减速率基本一致，总体上表现了长摩擦桩应力分布的特点。桩身轴力的传递特性受多种因素影响，比如还与成孔时间长短、桩侧壁土的松弛效应和“泥皮”厚度以及孔底沉渣等因素有关。

图2 A1桩桩身钢筋应力随桩深分布图Fig.2 Distribution of pile A1 reinforcement stresses along the pile depth

图3 各桩在极限荷载作用下钢筋应力随桩深分布Fig.3 Distribution of reinforcement stresses on each pile along the depth under ultimate load

桩身应力测试表明，总体上桩身钢筋应力的分布规律较好，并与桩周岩土的性质有较好的相关性。

3.2 桩侧摩阻力和端阻力分布

在极限荷载作用下，不同岩土的侧摩阻力具有一定的规律性，总体上素填土、淤泥、黏土及粉细砂的侧摩阻力平均值小于100 kPa，全强风化泥岩平均值为99～126 kPa，中风化泥岩和砂岩平均值在325～471 kPa之间。其中素填土为扰动土，它的密实程度、颗粒成分及含水状态直接影响其侧摩阻力的发挥，因此其测试结果有较大的偏离。

在极限荷载作用下桩端阻力为2 051～3 655 kPa。

4 试验中桩荷载-沉降特性分析

试桩的荷载－沉降关系曲线如图4所示。从图4可以看出，在桩顶荷载作用下首先发生弹性压缩变形，随着荷载的增大，桩的沉降不断增大而进入非线性变化阶段。3根桩Q-s关系曲线规律性好，曲线变化的形态可分为缓变型和陡降型2类，其中A1为缓变型，其余2根为陡降型。A1桩当试验加载到7 000kN时，桩顶总沉降为18.70mm;当试验加载到9 625kN，沉降速率可达到稳定标准，但总变形达到62.33mm，其Q-s曲线为缓变性曲线，拐点不明显，因此A1桩竖向极限承载力取为7 000kN。A2桩加载到7 000kN时，桩顶沉降量为20.29mm;当加载到7 875kN时，桩顶沉降量大于前级试验荷载沉降量的2倍，观测24 h后亦未达到稳定标准，且总沉降量超过了40mm，其Q-s曲线为陡降型，因此竖向极限承载力取为7 000kN。A3桩加载到7 000kN时，桩沉降量为20.73mm;当加载到7 875kN后，总沉降量达到85.28mm，其Q-s曲线为陡降型，因此该桩竖向极限承载力取为7 000kN。

图4 静载试验Q-s曲线Fig.4 Q-s curves of static load test

5 结论

(1)依据现场试验结果和该工程地质条件，该工程区的单桩极限承载力可综合取值为7 000kN。

(2)桩身轴力的传递特性受多种因素影响，比如成孔时间长短、桩侧壁土的松弛效应、“泥皮”厚度以及孔底沉渣等因素有关。

(3)桩侧摩阻力与桩端阻力并非同时发挥，而是桩侧摩阻力首先发挥。本试验场地的试桩表现出明显的摩擦桩特点，桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承担。单从承载力的角度讲，桩端仍具有较大的承载潜能。

(4)钻孔灌注桩的泥皮和沉渣厚度直接影响单桩的承载力，建议工程桩施工时，要保证清孔质量，严格控制沉渣厚度。

(5)对于这类重大型工程，由于现场试验条件有限，且经费昂贵，建议可以先做模型试验或数值模拟，对比分析桩的承载力，这样可以节省试验桩的根数，从而大大节省试验经费，降低生产成本。

(6)本文为今后海滨城市电厂的超长大直径钻孔灌注桩工程的设计和施工积累了经验。

［1］刘利民，陈竹昌，李发明.桩侧阻力的强化效应［J］.特种结构，1998，(4):27－29.(LIU Li-min，CHEN Zhuchang，LI Fa-ming.The Strengthen Effect of Pile Side Resistance［J］.Special Structures，1998，(4):27－29.(in Chinese))

［2］姬晓辉，吕福庆.钻孔灌注嵌岩桩的变形与破坏［J］.水利水电科技进展，1996，16(6):16－19.(JI Xiaohui，LV Fu-qing.Study of Deformation and Failure of Diameter Rock-Socketed Pile［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，1996，16(6):16－19.(in Chinese))

［3］董金荣，林胜天，戴一鸣.大口径钻孔灌注桩荷载传递性状［J］.岩土工程学报，1994，16(6):123－131.(DONG Jin-rong，LIN Sheng-tian，DAI Yi-ming.The Load Transfer Behavior of Large Diameter Cast-in-Situ Pile in Crushed Pebble Stratum［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1994，16(6):123－131.(in Chinese))

［4］阳吉宝，钟正雄.超长桩的荷载传递机理［J］.岩土工程学 报，1998，20(6):108－112.(YANG Ji-bao，ZHONG Zheng-xiong.Research on Load Transfer of Super-long Pile［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1998，20(6):108－112.(in Chinese))

［5］张忠苗，辛公锋.软土地基超长桩受力性状分析［J］.工程勘察，2003，(3):10－13.(ZHANG Zhong-miao，XIN Gong-feng.Mechanical Behaviors of Super-long Piles in Soft Soils［J］.Geotechnical Investigation and Surveying，2003，(3):10－13.(in Chinese))

［6］JGJ106－2003，建筑桩基检测技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.(JGJ 106－2003，Technical Code for Testing of Building Foundation Piles［S］.Beijing:China Architecture and Building Press，2003.(in Chinese))

［7］罗骐先.桩基工程检测手册［M］.北京:人民交通出版社，2003.(LUO Qi-xian.Handbook of Pile-Foundation Inspection［M］.Beijing:China Communications Press，2003.(in Chinese))

［8］张利洁，李维树，景 锋，等.越南海防热电厂二期(2×300 MW)工程钻孔灌注桩A区试验报告［R］.武汉:长江科学院，2008.(ZHANG Li-jie，LI Wei-shu，JING Feng，et al.Test Report for Cast-in-Place Piles in Zone A of Hai Phong Thermal Power Plant 2(2×300 MW)［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，2008.(in Chinese))