PHC桩穿越碎石桩复合地基可行性分析研究

黄文君，高倚山　，张建龙，胡 钧，孙亚哲

（中国电力工程顾问集团华东电力设计院，上海200063）

PHC桩穿越碎石桩复合地基可行性分析研究

黄文君，高倚山，张建龙，胡 钧，孙亚哲

（中国电力工程顾问集团华东电力设计院，上海200063）

摘要:通过GRLWEAP软件对PHC桩穿越碎石桩复合地基进行可行性分析研究，同时在工程现场开展高应变打桩监测试验。研究发现PHC桩穿越碎石桩复合地基除了需要选择合理的打桩系统和打桩工艺外，还须采用引孔措施并确保孔的垂直度。

关键词:PHC桩；碎石桩复合地基；GRLWEAP；高应变动力检测；引孔

随着电力行业大量“上大压小”项目的开展［1］，越来越多的电厂利用已拆除老厂房的场地建设新厂房，而很多老厂房装机容量较小，往往采用碎石桩等复合地基，由于碎石桩桩身强度很高，比天然软土大几十倍至数百倍［2-3］，因此在复合地基中往往无法顺利沉桩，若强行打桩，很容易造成桩身破损、桩头破碎，甚至桩身断裂等问题［4］，为此，笔者开展了PHC管桩穿越碎石桩复合地基的一系列可打性数值模拟分析及现场试验研究，以期得出PHC管桩穿越碎石桩复合地基时更加合理的技术参数与打设措施。

1　研究方法

1.1GRLWEAP打桩波动方程分析程序

对于超长PHC桩，可以利用打桩波动方程模拟计算在特定地质条件下的打桩全过程，得到桩身动应力变化、承载力情况及锤击数等丰富信息 ，可以帮助设计人员确定桩基类型、承载力及打桩系统，以及提前进行沉桩可行性的分析评价。目前世界上首选打桩波动方程分析程序就是GRLWEAP，它可模拟冲击或振动打桩机在打入过程中桩的运动及受力情况［5］。对于给定的桩锤系统，可依据实测的锤击数计算打桩阻力、桩身动力应力变化及预估承载力；可利用贯入度替代锤击数进行振动打入桩分析；对于已知的打桩过程土质情况及承载力要求 ，可帮助选择合适的锤和打桩系统；可打性分析可确定打桩过程中桩身应力是否超限或拒锤不能打入预期深度；另外还可估计总打入时间。

1.2高应变检测试验

高应变检测试验技术是从打入式预制桩发展起来的，试打桩和打桩监控属于其特有的功能 ，高应变法不仅能够检测工程桩的桩身完整性，也能够测试单桩竖向抗压承载力，还能对打桩过程进行监控是其特有的功能。它能监测预制桩打入时的桩身应力（拉、压应力）、锤击系统的能量传递率、桩身完整性变化，进而控制打桩过程中的桩身应力和减少打桩破损率，为合理选择沉桩设备、桩型、确定合理的沉桩工艺参数、桩端持力层以及停锤标准提供依据，进而进行沉桩可行性的分析评价［6］。因此，在试桩和工程桩阶段采用高应变动测来检验沉桩可行性，可以确定优化的打桩工艺，合理的桩基设计以及良好的工程桩检验效果。

2　工程概况

根据电厂发展和国家节能环保政策，江苏南通电厂拟在原场地上建设二期工程2×1 000 MW高效节能超临界燃煤机组。厂址土层分布自上而下如下:①素填（杂填）土，结构松散—稍密，地基承载力特征值（fak）一般为80 kPa左右。②2粉土，颗粒组成均匀，摇振反应迅速，地基承载力特征值（fak）一般为90 kPa～110 kPa。③粉土，颗粒组成均匀～中等均匀，摇振反应中等，干强度和韧性低。地基承载力特征值（fak）一般为120 kPa～140 kPa。④粉砂，颗粒组成均匀～中等均匀。地基承载力特征值（fak）一般为150 kPa～180 kPa。⑤粉质粘土夹粉土，中下部以互层出现，呈“千层饼”构造。稍有光滑 ，干强度和韧性中等。⑥粉砂夹粉质粘土，层理明显，部分以互层出现，呈“千层饼”构造。⑦粉细砂，局部层理明显 ，主要夹薄层粉质粘土及粉土或表现为粉质粘土夹粉砂。⑧细中砂，饱和，密实，局部为中粗砂，含云母，夹少量粘性土和砾石。⑨粗砾砂，饱和，密实，夹卵砾石和少量粘性土，卵砾石粒径一般0.5 cm～3 cm，钻进困难，平均层顶埋深约80.0 m，可研勘察超过100 m深仍未揭穿。

根据土层情况和场地条件，本期工程场地上部地层主要为①号杂填土、②2号粉土等，地基承载力特征值仅100 kPa左右，不能满足拟建电厂1 000 MW发电机组的荷载与变形要求，故主厂房、烟囱、储煤罐及主要设备基础需采用桩基。本次已拆除的4台小机组主厂房地基采用的是振冲碎石桩复合地基，碎石桩长度一般为13 m左右（有效桩长10 m左右），桩径1 100 mm，桩间距1.0 m～2.2 m，正三角形布置，置换率0.227～0.274，水冲压力0.2 MPa～0.4 MPa，碎石粒径3 cm～10 cm，成桩后历经近20年。二期工程在拆除原地重建，因此打桩需要克服地下碎石桩复合地基等障碍，试桩除了需要取得单桩设计参数外，还要检验PHC桩穿越13 m厚振冲碎石桩的可能性，探索打入桩施工工艺。

3　GRLWEAP计算结果及分析

根据工程场地情况，选择使用GRLWEAP软件对PHC桩打桩全过程进行模拟，桩型采用PHC 600 AB 110-48，入土深度为47.4 m，未加环，采用D80单动筒式柴油锤沉桩。GRLWEAP沉桩可行性计算结果见图1，GRLWEAP承载力图计算结果见图2。

图1　GRLWEAP 沉桩可行性计算结果

图2　GRLWEAP承载力图计算结果

由GRLWEAP沉桩可行性计算结果可知，PHC 600 AB 110-48（穿越碎石桩）桩型计算初打土阻力为4 526 kN，终锤贯入度为7.2 mm/击，总锤击数为2 767击，总锤击数明显偏大；输入桩身能量一般为60 kJ～90 kJ，沉桩过程中桩身最大压应力一般为17 MPa～38 MPa左右，最大可达40 MPa；桩身最大拉应力一般为0 MPa～6 MPa左右，均在PHC桩允许范围内，由此可以判断，该桩型沉桩过程中，虽然总锤击数偏大，但进入持力层后贯入度适中，桩身应力在PHC桩允许范围内，如桩材质量过关，打桩工艺合理，最终尚可顺利沉至设计标高。

由GRLWEAP承载力图计算结果可知，随着初打土阻力的增大，每米锤击数亦相应增大 ，贯入度减小，当初打土阻力超过5 000 kN时，每米锤击数高于517.5击/m，贯入度小于2 mm/击，此时继续沉桩较为困难，可能出现拒锤情况，如持续打桩，可能引起桩头破损、桩身断裂等问题。故当初打土阻力超过5 000 kN时，应考虑更换锤重更大的桩锤，与此同时，应重新计算桩身最大压应力及最大拉应力。

4　高应变检测试验结果及分析

为研究采用常规沉桩方法PHC桩能否穿越碎石桩复合地基，首先在试桩场地外试打了两根PHC 600 AB 110-20型S1桩、S2桩，其中S1桩第二节沉桩4 m时桩头粉碎，不能继续沉桩，总锤击数仅711锤（D80锤、1挡），初步判断该桩桩材有问题。S2桩采用同样桩锤和档位，沉桩顺利，总锤击数1 262锤。总体判断，常规打桩工艺可以穿过13 m的碎石桩复合地基，但锤击数偏高，为降低锤击数、保障沉桩质量 ，试桩场地其余试桩、锚桩全部采用引孔工艺。

碎石桩场地的2根48m的PHC试桩T1和试桩T2每米锤击数随深度变化横线图见图3，在12 m深引孔条件下总锤击数都在2 600锤（D80锤、1挡）左右，虽然场地阻力较大的土层为④号粉砂和⑥号粉质粘土夹粉砂，但这两层土每米锤击数并不是十分高，同时⑤号粉质粘土夹粉土的相对软弱地层每米锤击数也不是很低 ，锤击数与深度变化幅度总体上不大，软弱层锤击数与持力层锤击数差异相对较小，具有软土层不软、硬土层不硬的特点。

图3　试桩每米平均锤击数与贯入深度关系

由PHC桩穿越碎石桩的GRLWEAP沉桩可行性计算结果及实测数据对比可知，采用D80单动筒式柴油锤沉桩，实测锤击数2 970击；实测贯入度11.0 mm；实测初打土阻力平均值3 796 kN，GRLWEAP计算结果为，计算锤击数2 767击，计算贯入度7.2 mm/击，计算初打土阻力为4 526 kN，计算结果与实测数据较为接近。

对试桩T1、试桩T2高应变数据进行分析，高应变检测曲线如图4、图5所示。

图4　试桩T1高应变动测实测曲线及应力分析曲线

图5　试桩T2高应变动测实测曲线及应力分析曲线

通过对2根检测桩不同入土深度（36 m～48 m）的高应变实测曲线以及桩身应力分析可知，在沉桩过程中最大锤击能量一般为75 kJ～90 kJ，桩身最大压应力一般在37 MPa之内；最大拉应力一般在4 MPa之内，由沉桩可行性计算结果可知，PHC 600 AB 110-48（穿越碎石桩）桩型沉桩过程中输入桩身能量一般为60 kJ～90 kJ，沉桩过程中桩身最大压应力一般为17 MPa～38 MPa左右，最大可达40 MPa；桩身最大拉应力一般为6 MPa之内，计算结果与实测数据较为接近。

根据多种方法综合分析可知，PHC 600 AB 110 -48（穿越碎石桩）桩型沉桩过程中，桩身应力在PHC桩允许范围内，但总锤击数均偏大，进入持力层后贯入度适中，如桩材质量过关，最终可顺利沉至设计标高。

但是试桩场地PHC桩施工也暴露出在碎石桩复合地基中沉桩难以克服的一些问题，主要为垂直度控制和单桩总锤击数离散性较大等问题。引孔虽然可以有效降低锤击数，但孔的垂直度直接关系到桩的垂直度，第一节管桩垂直度出现偏差以后各节难以再纠正。有的PHC桩位正好布置在碎石桩上，有的桩位布置在碎石桩桩位之间，还有的PHC桩一半在碎石桩上，一半在空地上，这些因素都可能影响到PHC管桩的垂直度控制和总锤击数。因此将来主厂区PHC管桩沉桩首先应选择有经验的打桩单位，同时加强打桩质量监督，不宜追求整体打桩速度。将来大面积工程桩施工时，可以边引孔边打桩，一次性引孔过多，打桩容易造成附近预钻的出现塌孔、挤孔现象，孔的垂直度难以保证。

5　结 论

通过对PHC桩穿越碎石桩复合地基的GRLWEAP可打性数值分析和高应变检测现场试验研究，主要得出以下几点结论:

（1）碎石桩复合地基场地再进行预制桩沉桩，国内可供参考的经验较少，本次在现场针对PHC管桩采用直接打桩、引孔打桩、高低不同锤击能量等多种施工工艺进行沉桩效果探索，初步掌握了该场地碎石桩复合地基条件下PHC管桩沉桩特点，取得了宝贵的施工工艺参数，为将来主厂区优化桩基设计、节约工程造价、合理安排施工工期奠定了基础。

（2）通过多种方法综合分析可知，PHC桩穿越碎石桩复合地基在理论及实践中都是可行的，沉桩过程中锤击数、贯入度、最大锤击力、最大锤击能量均基本可以控制在合理的范围内 ，桩身最大压应力及最大拉应力也基本可以控制在PHC桩容许范围内。

参考文献:

［1］发展改革委能源办.关于加快关停小火电机组若干意见［EB/OL］［2014-08-16］.http://www.ndrc.gov.cn/ zcfb/zcfbqt/200701/t2 0070131 115037.html.

［2］邢皓枫，龚晓南，杨晓军.碎石桩复合地基固结简化分析［J］.岩土工程学报，2005，27（5）:521-524.

［3］闻世强，陈育民，丁选明，等.路堤下浆固碎石桩复合地基现场试验研究［J］.岩土力学，2010，31（5）:1559-1563.

［4］ 邢皓枫，赵红崴，叶观宝 ，等.PHC管桩工程特性分析［J］.岩土工程学报，2009，31（1）:36-39.

［5］龚维明，蒋永生.某海洋平台钢管桩可打性分析［J］.岩土工程学报，2000，22（2）:227-230.

［6］戴永相，潘满根.高应变动测（PDA）软土地基中预制桩的承载力［J］.岩石力学与工程学报，1999，18（1）:104-108.

中图分类号:TU472.3+5

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0087—05

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.019

收稿日期 :2014-09-04修稿日期:2014-10-13

作者简介 :黄文君（1988—），男，江苏如皋人，硕士 ，主要从事基桩检测方面的设计研究工作。E-mail:hwjrs@126.com

Feasibility Analysis of PHC Piles Driven through Gravel Pile Composite Foundation

HUANG Wen-jun，GAO Yi-shan，ZHANG Jian-long，HU Jun，SUN Ya-zhe
（East China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group，Shanghai 200063，China）

Abstract:PHC pile driven through gravel pile composite foundation was analyzed by using GRLWEAP.The high strain monitoring test was also carried out.The research finds that it is feasible to drive the PHC pile through gravel pile composite foundation with reasonable selection of pile driving system and driving techniques.Besides，it is necessary to set guide-holes and meanwhile ensure that the verticality of guide-hole meets the construction requirement.

Keywords:PHC pile；gravel pile composite foundation；GRLWEAP；high strain dynamic testing；guide-hole