越南海防熱電廠二期工程超長大直徑灌注樁荷載傳遞機理試驗研究

張利潔，邊智華，景 鋒，唐輝明，楊喜慶，葉紅衛，畢 承

(1.中國地質大學工程學院，武漢 430074;2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010;3.湖北省電力建設第一工程公司，武漢 430061)

1 工程背景

鉆孔灌注樁已廣泛應用于高層建筑、道路、橋梁等各類工程。樁基的承載性能受到土體性質、樁身強度、施工工藝等諸多因素的影響。要正確地確定樁基的承載力，必須深入了解樁土體系的荷載傳遞特性。樁基承載性狀的研究方法主要有3種:即現場試驗、以有限元法為代表的數值計算和解析計算，但靜載荷試驗方法仍是確定樁的承載性狀最直接最可靠的方法，利用樁側摩阻力和樁端阻力的實測結果，可以研究樁和土的荷載傳遞規律［1－5］，分析對荷載傳遞產生影響的各種因素。本文采用現場試驗法測定樁基承載力。

越南海防是越南海邊一大城市，越南海防熱電廠二期工程位于海防市水源鎮，裝機容量為2×300 MW，有主廠房、煙囪、集控樓、鍋爐房、汽機房、除灰脫硫控制室等重要建筑物，且場地為Gia河邊的低地，屬于喀斯特地貌區，巖溶比較發育，上部存在較厚的淤泥質土層，土質較差，不能滿足廠區上部結構對地基的要求，因此廠區主要建筑物的地基處理擬采用超長大直徑鉆孔灌注樁。國內超長大直徑鉆孔灌注樁很少見到應用于海邊的建筑。整個工程場地共有5個試驗區，本文選取其中一個試驗區進行研究，該區全部采用正循環鉆孔灌注樁施工工藝，所有樁徑均為800mm，樁長45 m左右。該區樁涉及的巖土層從上至下分別為素填土、淤泥、黏土、粉細砂、全風化泥巖、強風化泥巖。

2 試驗目的及試驗方法

2.1 試驗目的

為確定越南海防熱電廠二期工程不同地質條件下灌注樁的單樁承載力及其變形能力，并為后期大面積的樁基施工提供施工參數及有關質量控制標準，需在廠區內選取有代表性的區域進行試樁工作。試驗目的主要如下:

(1)通過實測獲取單樁承載力參數，為工程安全評價和優化設計提供依據;

(2)確定單樁豎向承載能力;

(3)確定各層土的樁側摩阻力、樁端持力層的端阻力;

(4)確定單樁在高應變動荷下與靜荷載試驗相關關系;

(5)評價在該地質條件下成樁的樁身質量。

2.2 試驗方法

試驗采用慢速維持荷載法。加載分級進行，采用逐級等量加載。分級荷載為最大加載量的1/10。用混凝土預制塊和大梁及鋼板組成反力系統，用3臺5 000kN千斤頂并聯施加各級試驗荷載，精度為0.4級標準壓力表測定壓力，用4塊量程為100mm百分表測量樁身沉降。試驗裝置見圖1。加卸載方式、試驗步驟與國內標準均相似［6－7］，但終止加載標準之一“最大一級荷載的穩定需保持40 h”(國內為24 h)。每根試樁對稱安裝2條測線，采用鋼筋計測定對稱兩條測線上的應力分布，當樁在載荷作用下引起樁身應力變化，從而引起鋼筋計振弦頻率改變，通過測試鋼弦式鋼筋應力傳感器在不同載荷下的頻率數值，按照公式換算出鋼筋的應力。

圖1 單樁豎向靜載試驗設備安裝示意圖Fig.1 Equipment for single pile vertical static loading test

3 試驗中樁荷載傳遞機理分析

3根試樁表現出相似的軸力分布特征，由于篇幅限制，本文僅選取A1號樁進行機理分析［8］。

3.1 樁身鋼筋應力、軸力傳遞特征

A1樁在各級荷載下實測的沿樁深樁身鋼筋應力分布曲線見圖2和圖3。本區樁為長摩擦樁，設計樁長約45 m，樁徑800mm，樁周巖土性質從上至下分別為素填土、淤泥、黏土、粉細砂、全風化泥巖和強風化泥巖。

由圖2、圖3可知，鋼筋應力隨著豎向荷載的增加而增大，隨著樁深度的增加而減小，具有較好的規律性。從圖3可見，宏觀上，曲線在20 m左右出現一個大的應力斷面，根據超前鉆孔柱狀圖分析，此處為土和巖石分界的大致深度;在20 m以上地基土從上至下分別為素填土、淤泥、黏土、粉細砂，鋼筋應力的分布出現一些不規則的變化，主要是由不同類型的土對樁的作用程度不同所至，總體上是隨著深度的增加而減小的;在20 m以下本試樁區為全強風化泥巖，此段應力的衰減速率與上段應力的衰減速率基本一致，總體上表現了長摩擦樁應力分布的特點。樁身軸力的傳遞特性受多種因素影響，比如還與成孔時間長短、樁側壁土的松弛效應和“泥皮”厚度以及孔底沉渣等因素有關。

圖2 A1樁樁身鋼筋應力隨樁深分布圖Fig.2 Distribution of pile A1 reinforcement stresses along the pile depth

圖3 各樁在極限荷載作用下鋼筋應力隨樁深分布Fig.3 Distribution of reinforcement stresses on each pile along the depth under ultimate load

樁身應力測試表明，總體上樁身鋼筋應力的分布規律較好，并與樁周巖土的性質有較好的相關性。

3.2 樁側摩阻力和端阻力分布

在極限荷載作用下，不同巖土的側摩阻力具有一定的規律性，總體上素填土、淤泥、黏土及粉細砂的側摩阻力平均值小于100 kPa，全強風化泥巖平均值為99～126 kPa，中風化泥巖和砂巖平均值在325～471 kPa之間。其中素填土為擾動土，它的密實程度、顆粒成分及含水狀態直接影響其側摩阻力的發揮，因此其測試結果有較大的偏離。

在極限荷載作用下樁端阻力為2 051～3 655 kPa。

4 試驗中樁荷載-沉降特性分析

試樁的荷載－沉降關系曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在樁頂荷載作用下首先發生彈性壓縮變形，隨著荷載的增大，樁的沉降不斷增大而進入非線性變化階段。3根樁Q-s關系曲線規律性好，曲線變化的形態可分為緩變型和陡降型2類，其中A1為緩變型，其余2根為陡降型。A1樁當試驗加載到7 000kN時，樁頂總沉降為18.70mm;當試驗加載到9 625kN，沉降速率可達到穩定標準，但總變形達到62.33mm，其Q-s曲線為緩變性曲線，拐點不明顯，因此A1樁豎向極限承載力取為7 000kN。A2樁加載到7 000kN時，樁頂沉降量為20.29mm;當加載到7 875kN時，樁頂沉降量大于前級試驗荷載沉降量的2倍，觀測24 h后亦未達到穩定標準，且總沉降量超過了40mm，其Q-s曲線為陡降型，因此豎向極限承載力取為7 000kN。A3樁加載到7 000kN時，樁沉降量為20.73mm;當加載到7 875kN后，總沉降量達到85.28mm，其Q-s曲線為陡降型，因此該樁豎向極限承載力取為7 000kN。

圖4 靜載試驗Q-s曲線Fig.4 Q-s curves of static load test

5 結論

(1)依據現場試驗結果和該工程地質條件，該工程區的單樁極限承載力可綜合取值為7 000kN。

(2)樁身軸力的傳遞特性受多種因素影響，比如成孔時間長短、樁側壁土的松弛效應、“泥皮”厚度以及孔底沉渣等因素有關。

(3)樁側摩阻力與樁端阻力并非同時發揮，而是樁側摩阻力首先發揮。本試驗場地的試樁表現出明顯的摩擦樁特點，樁頂荷載主要由樁側摩阻力承擔。單從承載力的角度講，樁端仍具有較大的承載潛能。

(4)鉆孔灌注樁的泥皮和沉渣厚度直接影響單樁的承載力，建議工程樁施工時，要保證清孔質量，嚴格控制沉渣厚度。

(5)對于這類重大型工程，由于現場試驗條件有限，且經費昂貴，建議可以先做模型試驗或數值模擬，對比分析樁的承載力，這樣可以節省試驗樁的根數，從而大大節省試驗經費，降低生產成本。

(6)本文為今后海濱城市電廠的超長大直徑鉆孔灌注樁工程的設計和施工積累了經驗。

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