姚松柏
(华电和祥工程咨询有限公司，山西太原 030006)
0 引言
火力发电厂岩土工程勘测技术要求，初设阶段应进一步查明厂址的岩土工程条件，对拟定的桩型进行必要的原体试验，以确定单桩承载力、分析研究桩土的应力应变特性，为桩型的最终确定和桩基设计与施工提供可靠的依据。发电厂的一级、二级建(构)筑物，当需采用人工地基或桩基时，应进行原体试验。对于一级建筑物，应通过桩的静载荷试验确定单桩竖向极限承载力［1］特征值。
1 工程概况及试验目的
湖北华电樊城燃机一期2×100 MW级热电联产项目位于襄阳市汉江左岸的樊城区供热Ⅱ区北部，西至中航大道，东至市政规划的廖家庄路，北至市政规划的王伙一路，南至市政规划的奥瑞那路，南距汉江约4.4 km，东南距安能热电厂约5.0 km，东北距邓城遗址约0.7 km，西北距天然气江北分输站约2.8 km。本期建设2×100 MW级燃气蒸汽联合循环机组，预留扩建余地。根据经验，主要建(构)筑物基础埋深一般为－3.0 m～－5.0 m。场地上部主要地基土层为②-1层可塑粉质粘土、②-2层软塑粉质粘土、③层稍密粉细砂。根据建构筑物承载力的要求，设计拟采用桩基进行地基处理。为了准确确定桩基的承载力，为地基基础设计提供相应的参数与依据，须开展相应的试桩试验。通过试桩确定在本厂址工程地质条件下，拟选桩型的施工可行性，成桩工艺及保证成桩质量的施工技术措施;获取桩基持力层的有关资料，为选择合理的桩基持力层提供依据。通过单桩竖向抗压静载试验和高应变动力测试，获得钻孔桩灌注桩和打入式PHC预制管桩在竖向荷载作用下单桩极限承载力，桩周土的极限侧阻力和极限端阻力;评价桩的荷载—变形特性，为桩基方案优化及工程桩的设计、施工提供依据。通过单桩水平静载试验，获得单桩桩顶在自由状态下，受水平荷载作用的水平临界荷载、极限荷载。通过低应变反射波法检测，获得试验桩桩身完整性相关资料，判定桩身完整性。通过桩身应力、应变测试，获得钻孔灌注桩在竖向荷载和水平荷载作用下，桩身阻力、桩身轴力及其分布规律，获得最大弯距深度等参数。
2 试验要求、桩型选择
试桩施工前应查明试桩处的详细地层分布情况和性质。在每组试桩桩位处各布置1个超前钻孔，共6个超前钻孔。根据超前钻孔揭露的地层分布来最终确定试验桩的施工和试验。试验在1个区域采用2种桩型。第一组600 mm钻孔灌注桩;第二组即500 mm PHC管桩。通过现场试验确定单桩的竖向抗压承载力、水平承载力。所有试桩进行高、低应变动力测试，与静载荷试验做动静对比，为工程桩检测积累数据。PHC管桩应做跟桩检测，为试打提供数值依据。所有试桩桩端全断面进入卵砾石持力层。单桩竖向抗压静载试验:反力装置采用锚桩法，加载方式采用慢速维持荷载法。两组试桩最大加载为3 000 kN。单桩水平静载试验:600 mm钻孔灌注桩最大加载为300 kN，500 mm PHC管桩最大加载为240 kN。低应变动力检测:桩身完整性检测，并评价桩身混凝土强度。高应变动力检测:单桩承载力检测，并划分桩侧摩阻力、桩端阻力。桩身内力测试:测试钢筋应力，获取桩身轴力及地基岩土层各层侧阻力。试验加载、卸载、终止、试验记录和检测记录等均须按相关规范和规程执行。
根据本厂区岩土工程条件，本场地可选用钻孔灌注桩及高强预应力管桩(PHC桩)，根据工程经验，以上桩型的优缺点如下:PHC桩:本场地上部和中部无坚硬和粗颗粒土层，沉桩容易;桩的主要持力层——硬塑土层埋深10余米，分布较稳定，桩端位于中部土层，桩型属摩擦型桩，桩长易控制;施工进度快，施工质量易控制，现场施工文明形象较好。厂区附近有管桩厂相对运输距离较短。缺点是根据前期施工经验，桩间距离太密集时土体有隆起现象，容易把桩拔坏。另外，根据地区经验以及勘测资料，本厂址位于汉江上游，卵砾石层中卵砾石含量随深度变化分布不均匀，极易造成施工桩长难以控制，导致承载力可能出现偏低的现象。钻孔灌注桩［2］:上部土层为较软弱的填土和粘性土，中部为较厚层的粘性土，易成孔;下部为卵砾石层，为良好的桩端持力层，桩的承载力高。缺点是现场的混凝土和钢筋工程质量不如预制桩容易控制、施工进度不如预制桩快，同时，由于本厂区上部土层需要泥浆护壁，因此涉及泥浆排放等问题，文明施工难度较大。因此，为了进一步验证两种施工工艺在本厂区的适宜性，本次试桩将会使用预应力管桩和钻孔灌注桩两种桩型，同时根据承载力要求选用不同直径的基桩开展现场原体试验。
3 试桩布置
本工程在主厂房东北角余热锅炉房附近集中布置2组试桩，直径600 mm钻孔灌注桩以及直径500 mm管桩。每组试桩有3根，分别为 3根试验桩，共计 6根试验桩，锚桩选用直径600 mm灌注桩，一共12根锚桩。第一组试桩为600钻孔灌注桩。试桩桩长15.7 m，入土深度15.7 m。试桩桩端持力层为卵砾石层(状态中密)，桩端进入持力层的深度不小于2 m。第二组试桩为500 PHC管桩，桩型为PHC 500 AB 100。试桩桩长12 m，入土深度12 m。试桩桩端持力层为卵砾石层(状态稍密～中密)，桩端进入持力层的深度不小于1 m。二组试桩的锚桩均为直径600 m灌注桩，桩长15，试桩桩端持力层为卵砾石层(状态中密)。灌注桩建议采用泥浆护壁旋挖施工法，PHC桩施工建议采用锤击法，终止锤击以贯入度小于(3 cm～5 cm)/10击控制为主，桩长控制为辅。贯入度已达到设计要求而桩端标高未达到时，应继续锤击3阵，并按每阵10击的贯入度不应大于设计规定的数值确认;必要时，施工控制贯入度应通过试验确定。
4 施工情况
4.1 试验
本次施工试桩共18根，包括3根PHC管桩，15根灌注桩。试验项目主要包括:超前钻孔、单桩竖向抗压载荷试验、单桩水平载荷试验、桩身内力测试以及桩的高应变动力测试、低应变桩身完整性［3］检测等。试验按如下顺序进行:静载试验前的低应变桩身完整性检测［4］→桩的高应变动力检测→单桩竖向抗压静载试验→单平静载试验→低应变桩身完整性检测→抽芯检测(必要时)。在进行单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验的同时进行桩身内力测试。
4.2 灌注桩施工
桩的制作均应使用合格的砂、碎石、水泥、钢筋及其他原材料，原材料进场均应有合格证，并按规程规范的要求进行抽检且抽检结果合格。由于填土层结构松散，钻孔灌注桩施工时，应防止填土层段孔壁坍塌，应尽量缩短成孔和浇筑混凝土之间的时间，以确保成桩质量。第1组钻孔灌注桩桩径600 mm，混凝土等级均为C30;钢筋:HPB300级钢筋、HRB400级钢筋;混凝土粗骨料采用碎石或经过破碎的卵石，其粒径为5 mm～40 mm。纵向钢筋及箍筋应扎牢，连接位置不应偏斜;纵向钢筋的焊接接头配置在同一截面内的数量不得超过主筋总截面面积的50%，同一根桩相邻两根主筋接头截面的距离应大于45d，并不小于500 mm。在桩顶2 m范围内的主筋不得有接头。混凝土应采用导管连续浇灌、不得中途中断。要求认真做好施工记录，施工过程中遇到异常情况应分析原因后采取相应措施及时处理，并做好相应记录。钻孔灌注桩终孔时应通知相关地质人员对桩端岩性进行鉴定。
4.3 PHC 管桩施工
PHC管桩建议采用D45筒式柴油锤打桩施工;试桩桩位应准确。偏差不得大于20 mm;打桩前应检查预应力管桩外观质量，避免使用有损伤的桩;第一节预应力管桩起吊就位插入地面的垂直度偏差不得大于0.5%;施打中，桩锤、桩帽、桩身中心线应重合。当桩身倾斜率超过0.8%时，应找出原因并设法纠正;当桩尖插入硬土层后严禁用移动桩架等强行回扳的办法纠偏;应将每一根桩打入设计深度后再打其他桩，尽量减少中间休歇时间;如实、及时、准确做好打桩记录，包括最后锤跳高度和贯入度;地面隆起、桩顶上浮测量。施工过程中遇到异常情况应分析原因、及时和有关单位联系，并采取相应措施及时处理，且做好相应记录;采用焊接接桩，焊接应符合JGJ—81建筑钢结构焊接规程的要求;接桩时，上下节桩应保持顺直，错位偏差不大于2 mm;焊接时，先对称点焊4点～6点，再由两个焊工对称施焊;焊接层数不得少于2层，内层必须清理干净后方能焊外1层，焊缝应饱满连续;焊后自然冷却时间不得少于8 min;严禁用水冷却或焊后即打。
5 试桩施工过程分析与总结
5.1 PHC管桩施工过程分析
本次第二组试桩(PHC500 AB100)施工共计3根，采用锤击法施工，整体施工过程比较顺利。从3根试桩施工过程中，从施工场地的地面场平高度算起，施工桩长分别为15.9 m，16.2 m和16.2 m，根据超前钻所揭示的地层资料，桩端均进入了卵砾石层，进入深度分别为0.5 m，0.4 m和0.5 m左右。从施工过程并结合超前钻资料显示，锤击桩阻力急剧增长是在桩端进入卵砾石层以后，且最终施工时未被穿透。因此可以推测，当卵砾石层较厚时，在满足锤击以贯入度小于(3 cm～5 cm)/10击控制条件下，或无法穿透该层，可采用该层作为持力层。从该组试桩的施工过程来看，本厂址区域内锤击法施工PHC管桩的施工工艺是可行的。
5.2 旋挖钻孔灌注桩过程分析
本次11根试验桩(含第一组试桩以及所有锚桩)施工均采用旋挖成孔。施工过程中主要存在塌孔严重、充盈系数过大等问题。
第一组试桩(SZ11～SZ13)和所有锚桩(MZ1～MZ8)采用泥浆护壁旋挖钻进的施工工艺。MZ2为施工的第一根灌注桩，泥浆为水、膨润土、纯碱配置泥浆，钻进至卵石粘性土层出现严重漏浆和塌孔现象，最终成孔共计用时约4.5 h，浇筑完成后充盈系数2.93。当日施工第二根灌注桩MZ1钻进至卵石粘性土层，亦出现严重漏浆和塌孔现象，进尺困难，故重新回填后静置1 d待次日重新钻进。次日改用化学泥浆护壁，施工MZ1，MZ3和MZ4，漏浆现象得到了有效控制，但是塌孔现象依旧比较严重，没有明显改善，三根锚桩平均成孔时间约4.5 h，充盈系数2.81～2.89，依旧严重偏大。后重新配制膨润土、纯碱泥浆，调整控制泥浆比重1.2，但是漏浆、塌孔现象依旧没有得到明显改善。
经过分析可能原因是旋挖钻杆直径约40 cm，而孔径为60 cm，钻进过程中，钻杆占用钻孔中大部分体积，在起钻过程中，钻头下方泥浆不能及时补充，形成负压，孔壁不能得到有效的保护。再者卵石粘性土层和卵砾石层也容易出现塌孔。故在施工MZ8时，改用600钻头钻进，最后成孔时间约为2.5 h，充盈系数2.01，塌孔现象得到了一定改善，后经设计确认，调整本组试桩参数:将试桩桩径改为800 mm，进入持力层深度调整为3 m。最终试桩SZ11～SZ13充盈系数为2.21～2.35。虽对比之前施工锚桩有所改善，但是依旧偏大。
充盈系数的大小与孔壁的稳定性有直接关系，根据本次施工情况得出以下结论:灌注桩的平均充盈系数均大于2.0，反映了厂址区域在成桩过程中，含卵石粘性土层和卵砾石层范围内孔壁稳定性较差，漏浆、塌孔现象较严重。塌孔主要出现在含卵石粘性土层和卵砾石层，尤其是含卵石粘性土层最为严重。
6 试桩施工总结
本次PHC管桩试桩采用锤击桩施工工艺，桩端进入卵砾石层，长度为15.9 m～16.2 m。整个施工过程快捷顺利，且从勘测报告和本次超前钻孔资料来看，地层中未有孤石块石出现。故采用锤击形式施工PHC桩的工艺在本场地条件下是可行的。
本次灌注桩试桩采用了三一重工SR200C型旋挖钻机成孔，泥浆护壁，水下浇筑的施工工艺。施工过程中出现缩孔、漏浆和塌孔现象，导致灌注桩充盈系数过大，虽经过不同办法尝试，塌孔和充盈系数过大的现象得到了一定的改善，但是依然偏大。含卵石粘性土层在初步设计阶段勘察过程中仅2个钻孔的下部揭露，并且层厚较小。由于本次试桩区域较小，已涵盖厂址区域内大部分主要地层，但厂区内不同地段地层情况仍有一定的差异。根据初步设计勘察资料，厂址内其他区域内未见或少见钻进困难、塌孔严重的含卵石粘性土层，故在这些区域施工钻孔灌注桩时塌孔及充盈系数过大等现象可能有所改善，但必须加强施工过程管控，保证施工质量。从试桩施工过程、动测得到的桩身完整性资料、静载试验及高应变动测资料分析，本场地采用PHC管桩和灌注桩都是可行的，但是旋挖钻孔灌注桩施工过程中出现缩孔、漏浆、塌孔，充盈系数过大等现象。在试验前对试桩和锚桩经低应变检测，均判定为Ⅰ类桩即桩身完整。Ⅰ类桩占100%。桩身混凝土强度满足试验要求。两组试桩在静载试验后，未发生明显破坏。灌注桩采用泥浆护壁旋挖成孔施工工艺，充盈系数达到2.21～2.35，漏浆、塌孔现象较严重。通过试桩得出灌注桩试桩充盈系数较大，漏浆、塌孔现象较严重，表明本场地采用泥浆护壁旋挖成孔施工工艺难度大。
根据本次试桩的施工及试验，锤击法PHC管桩及旋挖钻孔灌注桩两种桩型在本厂址区域地层条件下均是可行的，但是从环保、文明施工、进度及经济性方面考虑，PHC管桩明显优于旋挖钻孔灌注桩，故首先推荐使用PHC管桩。旋挖钻孔灌注桩由于施工过程中存在缩孔、漏浆、塌孔严重、充盈系数过大等现象，不作为优先推荐桩型，但在部分区域PHC管桩施工困难或承载力不能满足设计要求时可结合实际情况考虑采用该桩型。本次PHC管桩的承载力施工较为顺利，但是以端承为主，故管桩施工桩端承载力尤为重要。在施工过程中，施工工艺应严格按照设计及有关桩基施工规程规范要求进行，建议加强桩基工程的施工管控，对PHC管桩施工严格监控确保基桩施工质量。工程桩验收时可以适当扩大对工程桩进行承载力和完整性的抽检，确保桩基施工质量满足规程规范和设计要求。根据经济性和施工难易程度比较，PHC桩优于灌注桩。从设计院主推的灌注桩到改为PHC桩，经过本次试桩为工程节约造价也〗为工程进度以及文明施工创造了好的条件，圆满达到试桩要求。但各个区域地层分布存在变化的在工程实施前加强试桩，对工程质量、安全以及经济性都是有利的。
