某电厂桩基试验桩的检测理论研究与应用

孟宪中

(1.江苏省地质矿产局第五地质大队，江苏徐州 221004;2.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210093)

0 引言

国家电力关系国家经济命脉、关系国家能源安全、关系社会稳定，电厂地基基础型式选用尤为重要。本文根据建筑物上部结构、荷载情况及工程地质勘察报告，通过原体试验，综合考虑承载能力、安全性、施工可行性等各方面因素，选取技术上可行、经济上合理的地基基础方案，取得了技术和经济上最大效益。

1 工程概况

华润电力渤海新区2×300 MW热电联产机组工程厂区位于沧州临港经济开发区东部石油化工园区内的化工大道南侧，场地附近有开发区化工大道通过，厂区东距渤海约5 km，交通较为方便。该项目规划装机容量为2×300 MW+2×600 MW供热机组，本期工程装机容量为2×300 MW供热机组。

2 场地工程地质概况

2.1 地形地貌

该项目所在区域地貌形态属华北东部滨海平原，地势低洼，平坦开阔，自西北向东南缓倾；厂区大部分原为盐池和虾池，现今已回填整平，地面标高2.85～3.53 m，场地地层以第四系滨海冲洪积(淤积)粉土、黏性土及粉砂为主。

2.2 试桩场地地层岩性特征

试桩场区位于本期电除尘器西侧的空场地，地面标高为2.97～3.02 m。试桩场地地层以第四系滨海冲洪积(淤积)粉土、黏性土及粉砂为主，按地层岩性特征、物理力学性质及埋藏条件，将勘探深度35 m范围内的地层自上而下划分为七大层，地层物理力学指标见表1。

表1 主厂房地段地基土物理力学指标统计表

2.3 地下水及水土腐蚀性

勘探期间，本场地稳定地下水位埋深0.70 m左右(标高2.30 m)，年变幅0.5 m左右，地下水pH=6.87～7.60，SO42-含量为135.0～8396.5 mg/L，Cl-含量为13188.5～65230.7 mg/L，Mg2+含量为265.0～5047.2 mg/L，总矿化度为23109.0～114915.2 mg/L；场地土的pH值为8.23～8.32，SO42-含量为893.0～4778.9 mg/kg，Cl-含量为5885.2～24994.4 mg/kg，Mg2+含量为267.4～1086.7 mg/kg，总矿化度为11076.8～47165.3 mg/kg；根据《岩土工程勘察规范》有关规定，按Ⅱ类环境考虑，综合判定厂区场地土对混凝土结构和钢筋混凝土中的钢筋具强腐蚀性。

3 地基方案选择

3.1 地基方案选型

从地层分布情况来看，主厂房±0.00标高相当于绝对标高3.9 m。主厂房、烟囱基础的埋置深度为-5.00 m，基础底面持力层为②粉土，依据该层土的物理力学性质，②粉土承载力特征值为110 kPa，强度及变形难以满足天然地基设计要求，因此，不宜采用天然地基[1]。根据初步设计岩土工程勘测报告以及火力发电厂各建构筑物的具体情况，对本工程的地基方案进行了经济、技术上的全面比较，拟采用桩基础，桩型为钢筋混凝土预制方桩[2]。

3.2 预制方桩竖向极限承载力估算

3.2.1 物理力学指标计算

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)和初步设计阶段勘测报告，对预制方桩单桩竖向承载力标准值进行估算[3]。桩基技术参数见表2，单桩竖向承载力特征值用式(1)计算。

R=Quk/rsp=(u∑qsiklsi+qpkAp) /rsp

(1)

式中：R为单桩承载力特征值，kN；Quk为极限承载力标准值，kN；rsp为调整系数，取2.0；u为桩的周长，m；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；lsi为第i层土的厚度，m；qpk为桩的极限端阻力标准值，kPa；Ap为桩的截面积，m2。

表2 预制方桩桩基技术参数表

根据式(1)和表2计算可知,桩径500 mm×500 mm方桩的单桩承载力特征值为1757 kN，桩径400 mm×400 mm方桩的单桩承载力特征值为1295 kN。

3.2.2 静力触探指标计算

静力触探试验根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)，估算单桩竖向极限承载力按式(2)计算[4]。

Quk=Qsk+Qpk=u∑li·βi·fsi+α·qc·Ap

(2)

式中：fsi为第i层土的探头平均侧阻力,kPa；qc为桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上4d(d为桩直径或边长)范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值(kPa)，然后再和桩端平面以下1d范围内探头阻力进行平均；α为桩端阻力修正系数，对于黏性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2；βi为第i层土桩侧阻力综合修正系数，黏性土、粉土βi=10.04(fsi)-0.55；砂土βi=5.05(fsi)-0.45；u为桩身周长，m；Ap为桩端面积，m2。

试桩场静力触探试验估算单桩竖向极限承载力见表3，试桩500 mm×500 mm估算单桩竖向承载力特征值为1694 kN；试桩400 mm×400 mm估算单桩竖向承载力特征值为1387 kN。

表3 静力触探估算单桩竖向极限承载力成果表

3.3 试桩场地选择、试验层面确定

3.3.1 试桩场地的选择

试验场地选择在地质条件具代表性且无建筑物布置地段，综合试验桩的桩长及桩端持力层等因素，试桩场位于本期电除尘器西侧的空场地，试桩场地矩形对角坐标为A=47961.930，B=54391.490和A=47989.930，B=54407.490，具体位置见图1。

3.3.2 试验层面的确定

考虑试验的可行性和试验的安全性，预制方桩成桩在自然地面进行，试验面位置选在标高为3.0 m的自然地面。

由于试桩场地为回填的盐池，试桩施工时地表大量积水，因此对试桩区域进行了换填硬化处理，处理后地面比自然地面高0.5 m，在施工时桩长加到22.5 m，试验在处理后标高为3.5 m的地面进行。

图1 预制方桩试桩场地位置示意图

3.4 桩参数的确定

根据试桩场勘测资料和场地硬化处理后的地面标高，结合试桩任务书要求的试验桩桩型，最终确定试验桩参数为：主要建筑物采用桩径500 mm×500 mm的方桩，其他一般区域采用桩径400 mm×400 mm的方桩，桩身强度都为C40，实际桩长都为22.5 m，桩端进入⑥2层细砂层至少2 m，以标高控制为主，每种尺寸预制方桩都为4根。选自《预制钢筋混凝土方桩》(04G361)JZHb-250-1212C(改)；JZHb-240-1212C(改)，保护层为50 mm，本工程桩身设为两段，一个接头。锚桩采用φ800 mm泥浆护壁钻孔灌注桩，桩端进入⑥2持力层，桩长30 m，锚桩混凝土强度等级为C25，坍落度180～220 mm，共15根。试验桩和锚桩(反力桩)桩间距为6.0 m，一字排列，分踞在试验桩两侧。具体桩位布置见图2。

4 施工效果及检验分析

4.1 预制方桩施工效果

在打桩施工中，所有预制方桩的焊接都合格，所有预制方桩都施工到桩顶设计标高[5-6]，施工记录见表4，锤击数随深度变化规律见图3。

表4 试验桩(预制方桩)施工记录

图2 预制方桩试桩桩位布置图(单位：mm)

图3 预制方桩打桩锤击数统计

根据施工记录，每根桩施工用时最长在2 h左右，最短1.5 h，其中焊接桩用时30 min左右； 500 mm×500 mm预制方桩单桩总锤击数平均值378击，贯入度为10.0～15.0 mm/10 击，桩端进入持力层前(从地面算桩入土约20.0 m)锤击数为228～280击，平均值253击；400 mm×400 mm预制方桩单桩总锤击数平均值270击，贯入度为13.0～30.0 mm/10击，桩端进入持力层前(从地面算桩入土约20.0 m)锤击数为179～213击，平均值193击。

4.2 检测工作布置

为能向实际工程提供合理的桩基承载力并指导工程桩基方案的施工，同时也为工程检测以及施工监理提供必要的依据，进行本次原体试验工作。

500 mm×500 mm预制方桩桩号为S1、S2、S3和S4，400 mm×400 mm桩号为S5、S6、S7和S8(其中两种本次试桩共布置预制方桩试验桩8根，桩尺寸各备用一根)，灌注桩锚桩15根。根据相关规程规范成桩28 d后开始竖向静载荷试验。

4.2.1 单桩竖向静载荷试验

通过单桩竖向静载荷试验确定单桩竖向承载力特征值[7]，其中选择500 mm×500 mm(桩号为S1、S2和S3)与400 mm×400 mm(桩号为S5、S6和S7)各3根进行试验。本次试验都做到破坏，根据规范可以确定单桩竖向抗压承载力(见表5)。

表5 预制方桩竖向静载荷试验结果统计表

4.2.2 单桩水平静载荷试验

单桩水平静载试验，其目的是确定单桩水平临界荷载和单桩水平极限承载力。现场分别对 S1、S2、S3和S5、S6、S7进行试验。从水平力-时间-位移(H-t-Y0)曲线分析来看，当S1、S2、S3水平力H分别加到150 kN、135 kN、120 kN，S5、S6、S7水平力H分别加到100 kN、110 kN、100 kN时，6根试桩水平位移均达到《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)等有关规定的40 mm，且有加快趋势。根据相关规范确定500 mm×500 mm 试桩单桩水平极限承载力基本值分别为120 kN、120 kN、105 kN，单桩水平极限承载力为其平均值115 kN；确定400 mm×400mm 试桩S5、S6、S7单桩水平极限承载力基本值分别为90 kN、100 kN、90 kN，单桩水平极限承载力为其平均值93 kN。

4.2.3 低应变检测

激振点在桩中心，加速度传感器通过黄油粘结在桩顶信号接收处，接收点位于距桩中心2/3 边长处，信号采集执行3次叠加。检测结果表明：同一桩不同检测点位所采集信号有良好的一致性，桩底反射明显，8根桩身波速3563～4065 m/s，平均3842 m/s。桩身质量完整。

4.2.4 高应变检测

采用高应变动力测试(PDA)，了解桩身完整性，检测桩周土的应力分布规律。通过初打(实时监测)和复打资料确定单桩竖向极限承载力和成桩后的恢复系数。从PDA试验的结果确定最佳贯入深度，以此选择合适的打桩设备及施工时打桩停锤标准。

11月22—24日，完成8根试桩初打施工跟踪监测，监测从桩入土19 m到21 m，监测间隔1 m,共完成24根次。单桩竖向抗压静载试验结束后，满足规定的休止期，于第二年1月20日完成8根试桩复打检测。两次共完成PDA试验32根次。

500 mm×500 mm方桩测得最大压应力3832～4900 kN，最大拉应力0～365 kN，锤击能量57.3～99.9 kJ，锤击速度38.6～44.2 bpm，桩完整性系数BAT值73%～100%，BAT值偏低为接桩反应所致。400 mm×400 mm方桩测得最大压应力2160～3387 kN，最大拉应力0～310 kN，锤击能量38.3～77.3 kJ，锤击速度41.9～44.3 bpm，桩完整性系数BAT值 84%～100%，接桩质量完好。以上两种桩型不同入土深度动测结果都已做单独统计。

在单桩竖向抗压静载试验结束后，满足20 d休止期，次年1月25日对两种桩型6根试验桩进行高应变复打检测。

对采集数据进行CAPWAPC曲线拟合法高应变动力测试资料分析，计算出桩侧不同深度侧阻力值，并根据试验场地勘探得出不同土层土阻力及桩端阻力[8]。两种桩型端阻力所占总阻力比例相近，分别23.6%、23.9%。

通过高应变复打曲线，采用CAPWAPC分析计算，得出500 mm×500 mm预制方桩单桩竖向极限承载力3093 kN；400 mm×400 mm预制方桩单桩竖向极限承载力2788 kN。

通过CAPWAPC分析计算，得出各土层桩的极限侧阻力和极限端阻力[9](见表6)。

表6 各土层桩的极限侧阻力和极限端阻力一览表

5 承载力的确定

5.1 单桩竖向承载力特征值的确定

通过试桩场勘测，试桩场地地层与厂区2#锅炉以北的西北部烟囱、脱硫、输煤系统等区域地层接近，再通过对比试桩场地静力触探与厂区静力触探所计算出的单桩竖向承载力值[10]，可以看出桩端进入⑥2层细砂层不小于1.0 m的单桩竖向承载力基本一致，500 mm×500 mm方桩有效桩长不小于18 m，400 mm×400 mm方桩有效桩长不小于20 m。但每个区域的计算结果也存在不均匀性，500 mm×500 mm方桩在试桩场单桩竖向承载力最小为1615 kN，最大为1774 kN，厂区单桩竖向承载力最小为1524 kN，最大为1781 kN；400 mm×400 mm方桩在试桩场单桩竖向承载力最小为1315 kN，最大为1459 kN，厂区单桩竖向承载力最小为1331 kN，最大为1506 kN。

在厂区范围内，由于地层分布不均匀性，存在着单桩承载力低于试桩场的地段，为使试桩结果具有普遍适用性，综合考虑地层不均匀、大规模施工与试桩施工质量差异等因素，推荐500 mm×500 mm和400 mm×400 mm预制方桩的单桩竖向承载力特征值分别为1500 kN和1300 kN；由于厂区南部区域地层持力层较北部深，则单桩承载力偏于安全。

5.2 单桩水平承载力特征值的确定

本次单桩水平静载荷试验共做了2种桩型共6根桩，试验采用单向多循环加载法，并都满足水平位移量超过40 mm的终止条件。根据有关规范规定，确定500 mm×500 mm预制方桩单桩水平临界荷载为85 kN，单桩水平极限承载力为115 kN，单桩水平承载力特征值为68 kN；400 mm×400 mm预制方桩单桩水平临界荷载为70 kN，单桩水平极限承载力为93 kN，单桩水平承载力特征值为56 kN。

6 结论及建议

(1)通过试桩场勘测，试桩场地是具有代表性的，主要建(构)筑物采用500 mm×500 mm预制方桩桩基方案，附属建(构)筑物采用400 mm×400 mm预制方桩桩基方案是合理可行的。

(2)桩端持力层为⑥2层细砂层，桩端进入⑥2层细砂层不得小于1.5 m，500×500 mm的方桩有效桩长不得小于18 m，400 mm×400 mm的方桩有效桩长不得小于20 m。工程桩的桩长应根据详勘地质资料⑥2层细砂层的变化最终确定。

(3)工程桩施工时以设计标高控制为主，标高未达到设计标高的以最后三阵平均每阵贯入度不超过5 cm/阵控制。建议在工程桩施工时采取隔桩跳打的方式进行工程桩施工，采用布质桩垫(布轮)，禁止采用纸质桩垫，并保证桩帽上面的锤垫(钢丝绳)平整，严格控制打入桩的垂直度。

(4)高应变与静载荷试验的动静对比系数为：500 mm×500 mm预制方桩动静对比系数1∶1.21；400 mm×400 mm预制方桩动静对比系数1∶1.08。

(5)工程桩检测可采用高应变跟踪检测验证单桩竖向承载力，同时在检测时布置一定数量的高应变复打检测。高应变跟踪检测时承载力恢复系数500 mm×500 mm方桩按2.91、400 mm×400 mm方桩按2.64考虑，并通过高应变复打检测进行对比验证；在工程桩施工和检测过程中出现特殊情况，工程桩承载力不能满足设计要求时，可以采用静载荷试验进行承载力验证；采用低应变来检测桩身完整性。