台山核电站桩身完整性及承载力检测与分析

曾永庆，王长柏，王 松

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001)

桩基工程由于能将上部结构的荷载通过桩土间的共同作用传递到深部稳定的持力层，较好的控制基础的沉降量、减少不均匀沉降的危害，并具有大幅提高地基承载力及稳定性的优点，已经被广泛地应用到各种建筑工程中。桩基工程属于隐蔽工程，由于成桩过程中的各种不确定的因素，使桩身总体混凝土标号达不到设计要求，桩身出现夹泥、缩径、扩径、蜂窝麻面、沟槽、甚至断裂以及混凝土离析等缺陷问题时有发生，严重影响桩基工程的承载能力和稳定性能[1－3]。为避免此类缺陷事故的发生，在桩达到相应龄期时，应进行桩基完整性和桩端承载力检测。

本文以台山核电站厂房建设过程遇到的基础工程中冲孔灌注桩、水泥土搅拌桩等地基工程为依托，通过以低应变检测法为主，辅以钻芯法，确定了冲孔灌注桩桩体的完整性和桩身强度，并采用施工现场静载荷试验，确定了水泥土搅拌桩的竖向承载力、沉降量变形和时间三者之间的关系，为类似条件工程项目提供了借鉴与参考。

1 工程概况及地层岩性

1.1 工程概况

广东台山核电站厂址位于江门市管辖的台山市赤溪镇腰古村，距台山约44.5 km。地理位置为东经 112°59'，北纬 21°54'。厂址东面为黄茅海，其余三面环山，东南约5 km处为大襟岛。工程建设规模初步确定为6×1 750 MW(EPR)，分三期建设，一期规划两台EPR堆型核电机组。

本施工场地在广东省台山核电站主厂区内，该工程厂房在建筑结构上，选择为框架结构，设计层数为4层。为满足建筑荷载要求，对于冲孔灌注桩而言，桩径采用0.8 m共96根，工程检测桩长为18.96 m～37.87 m，桩身混凝土强度设计等级为 C35，设计持力层为微风化花岗岩。

对于水泥土搅拌桩而言，桩径采用0.5 m共296根，设计桩长为10 m，设计持力层为硬塑性黏土，单桩特征值为100 kN，预计最大加载量为200 kN。

1.2 地层岩性

根据工程地质中关于地形地貌特征的描述，可划分为四种基本类型:山前沟谷平原、低山丘陵、剥蚀残丘和滨海浅滩地形。现状主要为开挖、回填平整后的场地。

根据场地勘察报告，场地内主要分布的地层有:人工填土层(0.8 m ～4.9 m)、冲洪积层(1 m ～17.0 m)、海陆交互沉积层(1.0 m ～14.8 m)、现代海积层(0.6 m ～4.2 m)、残积层、侵入花岗岩。

2 桩基检测

2.1 试验桩的数量要求

根据《建筑基桩检测技术规范》[4](JGJ106－2014)第3.3条检测方法选择和检测数量规定:“单桩竖向抗压静载试验承载力应满足设计要求，不应少于同一条件下桩基分项工程总桩数的1%且不应少于3根，当工程桩总数小于50根时，不应少于2根。桩身完整性检测数量对于建筑基桩设计等级为甲级，或地基条件复杂、成桩质量可靠性较低的灌注桩，检测数量不应少于总桩数的30%，且不应少于20根。”

本工程对96根冲孔灌注桩均进行了低应变检测，并从中随机选择了13根桩进行了钻芯法试验。对296根水泥土搅拌桩随机选取了8根进行单桩竖向抗压静载试验。

2.2 试验方法

2.2.1 低应变测试

低应变法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置，但此方法对桩身缺陷程度只做定性分析，其有效检测桩长范围应通过现场试验确定，对于桩身截面多变且变化幅度较大的灌注桩，需采用其他辅助方法如钻芯法验证低应变检测的有效性。目前国内外采用较多的是瞬态时域分析法，即通过实测桩顶的加速度或者速度响应时域曲线，即一维线弹性杆件模型的波动理论分析判定基桩的桩身完整性[5－6]。通过对测试曲线的变化特征分析，可以判断相应缺陷的类型及位置。

2.2.2 钻芯法

相对于低应变检测，钻芯法具有不受场地条件的限制和检测成本相对较高的特点。钻芯法可用于检测混凝土灌注桩的桩长与混凝土强度、桩身缺陷及其位置和桩底沉渣厚度等多种桩基问题，判定或鉴别桩底持力层岩土性状、判定桩身完整性类别，作为一种补充方法，结合低应变检测法，更好地评价基桩完整性和桩身强度[7－9]。钻芯法根据钻芯的完整度及连续性将单个钻心孔的桩身完整性分为Ⅰ～Ⅳ四类。

2.2.3 单桩竖向抗压静载试验

单桩竖向抗压静载试验可用于确定单桩竖向抗压极限承载力值、通过桩身内力及变形测试，测定桩侧、桩端阻力。按照《建筑桩基检测技术规范》[4](JGJ106－2014)及《广东省标准建筑地基基础检测规范》[6](DBJ15 －60 －2008)相关要求，采用快速维持荷载法加载，每级荷载维持时间不少于1 h，桩顶沉降速率达到收敛后再加下一级荷载，加至最大荷载稳定后，每隔一级卸载一次，直至卸至零荷载后结束试验。

加载分级按预估极限荷载力的1/10分级加载(第一级可取分级荷载的2倍加载)，分级荷载为20 kN，第一级加载量为40 kN，最终试验荷载加至200 kN。

3 试验成果评价

3.1 低应变检测与钻芯法结果及分析

在地质条件、设计桩型、成桩工艺相同的基桩情况中[10－12]，当桩长已知、桩底反射信号明确时，可选取5根类桩的桩身波速值求其平均值:

式中:cm为桩身波速的平均值，m/s;ci为第i根受检桩的桩身波速值，m/s，且|ci－cm|/cm≤5%;L为测点下桩长，m;ΔT为速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差，ms。

对于桩身缺陷位置可按下列公式计算:

式中:x为桩身缺陷至传感器安装点的距离，m;Δtx为速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差，ms;c为受检桩的桩身波速，m/s，无法确定时用 cm值替代。

本次试桩共检测桩基96根，Ⅰ类桩77根，占所测桩数的 80.2%;Ⅱ类桩 19根，占所测桩数的19.8%;桩体混凝土波速在3 722 m/s～3 955 m/s之间，平均波速为3 851 m/s，桩身完整性检测部分数据结果见表1。

表1 台山核电站某厂房桩身完整性检测部分结果表

图1、图2分别为典型Ⅰ类桩(时域信号特征为2L/c前无缺陷反射波，有桩底反射波)、Ⅱ类桩(时域信号特征为2L/c前出现轻微缺陷反射波，有桩底反射波)的实测低应变曲线图，其余各桩低应变曲线与此类似。

图1 Z12G－1桩检测波形曲线

图2 Z12A－1桩检测波形曲线

针对已进行了低应变检测的96根冲孔灌注桩，考虑到低应变检测的局限性，选择了13根桩进行了钻芯法试验，钻芯法检测完整性判定数据结果见表2。

表2 钻芯法检测完整性判定数据结果表

针对Z12A_1桩低应变检测波形曲线反应的距桩顶18.37 m轻微缺陷的问题，采取钻芯法确认其工程特性，如图3所示。

图3 Z12A_1号芯样照片

从图3可以看出，芯样完整性较好，对其进行混凝土抗压强度检测，结果见表4，由表4可知Z12A_1桩混凝土芯样试件抗压强度代表值大于混凝土设计强度C35。其余各钻芯桩芯样强度与此类似，均达到了混凝土设计强度C35的要求。

3.2 静载试验成果及分析

依据《建筑桩基检测技术规范》[4](JGJ106－2014)，采取快速维持荷载法加载，分别对8根水泥土搅拌桩单桩进行荷载试验，以 AK67为例，依据AK67试验结果表，绘制如图4所示的AK67桩的荷载Q－沉降S、沉降 S－荷载 lgQ、沉降 S－时间 lgt曲线图。

表3 Z12A 1桩钻芯法混凝土抗压强度检测结果

各水泥土搅拌桩静载试验数据见表4，从中可知8根桩桩顶最大沉降量的前三位桩分别为P83、Q33、K66，其值分别为 36.63 mm、31.72 mm、28.03 mm，满足设计规定中40 mm沉降量要求;就卸载回弹而言，对应完全卸载状况下，桩顶残余变形值分别为 26.64 mm、24.56 mm、21.55 mm，回弹值为9.99 mm、7.16 mm、6.48 mm，回弹率为 27.3%、22.6% 、23.1%。由图4曲线可知，桩的 Q－S曲线变化平缓，均属于缓变型Q－S曲线，S－lgQ曲线没有明显的陡降直线段变化，S－lgt曲线在各级荷载下，沉降S量随着lgt的增加变化不大，走势比较平坦，没有明显的起伏特性，由于已达到最大试验荷载200 kN，桩顶沉降速率达到相对稳定标准[13－15]。依据上述测试结果可知，最大试验荷载均到达200 kN，可认为是各试验桩的单桩竖向抗压承载力。

图4 AK67桩的 Q －S、S－lgQ、S－lgt曲线图

表4 水泥土搅拌桩单桩静载荷试验结果表

4 结论

(1)对台山核电站厂房建设过程遇到的96根冲孔灌注桩，采用低应变检测法全部检测和钻芯法随机抽检相结合的方法，综合判定了冲孔灌注桩桩体的完整性和桩身强度。经判定，该批桩全部达到了设计要求。

(2)对于水泥土搅拌桩静载试验数据分析可知，各桩的Q－S曲线变化平缓，均属于缓变型QS曲线，S－lgt曲线在各级荷载下，走势比较平坦，没有明显的起伏特性，认定各试验桩的单桩竖向抗压承载力均大于最大试验荷载200 kN，各桩在已达到最大试验荷载200 kN情况下，桩顶沉降速率均已达到相对稳定标准;由于各桩的试桩结果极差小于平均值的30%，取其平均值200 kN为单桩竖向抗压强度极限承载力，满足设计要求。

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