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大型冷却水塔PHC 桩基长短不一的情况分析及补桩

1 工程概况
华电望亭电厂有2 座各9 000 m2 淋水面积的冷却水塔,塔高145 m、φ115 m,为逆流式自然通风式冷却塔,其中2# 冷却水塔桩基施工中, 曾发生304 根φ600 mm×130 mm、桩长47m的PHCAB桩中有76 根桩由于地质起伏不均(⑥4 土的砂质粉土厚度1.4~12.5 m厚)打不到设计标高持力层上,截桩根数占整个预应力管桩的27.1%,局部桩基存在承载力不足的问题。
为了确保2# 冷却水塔在工程施工时及运行生产的安全,电厂筹建部门会同设计院及施工单位,通过分析计算、专家会议研究等方式,综合实际情况作了专题讨论。经详细验算分析以及相关的检测试验手段,并在同济大学等其它院校科研、施工单位的共同努力下,通过科学的分析研究,最终决定根据长短桩基在沉降控制和变刚度调平两个方面理论研究基础上,采取局部补桩的措施。共补桩23 根,占总桩数8%,经沉降观测以及桩基检测结果,工程质量良好,满足了设计和施工的要求,保证了冷却水塔运行的安全。
2 桩基施工情况
(1) 2# 冷却水塔塔工程桩共304 根,于2007 年10 月22 日开始施打到12 月2 日结束,其中76 根未打到设计标高,经分析原因后,补桩23 根于2008 年4 月26 日~5 月14日期间全部完成。
(2) 施打情况:2# 冷却水塔建构场地属于地下桩基上部环形整体基础承台,上部结构为φ115 m、壁厚60 cm、高度145 m的双曲线型冷却水塔,淋水面积9 000 m2。由于设计单桩承载力需达到3 500 kN/ 根,故采用φ600 mm×130mmPHCAB型高强预应力管桩,桩长约47m,分为12 m+12m+12 m+11 m的定型尺寸四节管段,组成一根长桩,中间有钢质法兰盘,在施工现场焊接连接而成。地质报告显示,地质浅部地基土层除表层填土、杂填土之外,其它各层①~⑤号土均为粉质黏土,及至⑥号土层为粉土及粉砂层,层厚从1.4 m~12.5 m,分布极不均匀,持力层在⑦~⑧土层上,但由于⑥3 号土层为不同厚度的粉土夹砂及粉砂层,一般PHC管桩穿越6 m以上厚的砂层就相当困难,桩侧摩阻力将增大数倍。本工程有些桩的锤击数超过2 000 击~2 500 击时的贯入度十击还小于2 cm,桩尖进入受阻,导致桩身损坏或机械产生问题,打不到原设计标高。2#冷却塔打不下去的桩共有76 根桩,为总桩数的27.1%,露出自然地面桩长统计:
① 桩未打到设计标高露出地面桩长1 m~ 5.8 m的有26 根;
② 桩未打到设计标高露出地面桩长6 m~ 7.5 m的有38 根;
③ 桩未打到设计标高露出地面桩长8 m~ 9 m的有12根;未进入持力层的桩有16 根。

3 长短桩情况分析      大型冷却水塔PHC 桩基长短不一的情况分析及补桩处理

(1) 由于地下⑥3⑥4 土粉质黏土夹粉砂层厚度太大,使打桩难以穿越;
(2) 针对以上情况,我们曾选用合适的桩架、桩锤锤重、并制定了合理的施工组织设计(包括试打)。本次工程桩机采用老式步履式桩机,DJB- 62 型,锤重6 t ,停锤标准经现场试打后由设计和施工单位确定和确认。尽管采取了以上措施,但仍然有不少桩未能进入设计的持力层。后在补桩施工中就决定采用锤重8 t、冲击能量80 kj~100 kj、落锤高度1.6 m~2 m 的重锤轻打方式进行。本工程φ600 mm×130 mm的PHC桩总的锤击控制在2 000 击左右,不得超过2 500 击,最后实行双控制的停锤标准,即桩尖进入设计标
高及最后十击贯入度小于3 cm~5 cm为合格。
4 应对方案分析
通过本工程实践,我们认为:一般锤击PHC桩在沉桩较为困难时,可相应采取以下一些措施来解决。
(1) 对于地质情况起伏变化较大与原勘探点布置不对之处,应补充钻孔勘探,并及时调整重新布桩。
(2) 施工前在密集群桩处,即进行有选择的试打,通过试打确定停锤标准,实行设计标高及贯入度双控制。
(3) 根据试打结果选择桩机型号,一般砂层比较厚时应选择D80 或D100 型桩机,落锤高度2 m左右,以重锤轻击施打方式进行打桩。
(4) 若有多台桩架同时施打群桩时,打桩路线宜遵循采用中间向两边展开施打或基础之间跳仓施打的方式。
(5) 控制打桩的速率,以每天每台班施打6 根~10 根为限(根据桩径及桩长取值),以控制孔隙水压力的急剧上升。为有利于空隙水压力的迅速消散,应在多排桩之间埋设竖向塑料排水板及井点降水等设施。
(6) 对进入砂层或坚硬黏土层之桩,其桩尖部分除加桩靴之外,还应在桩尖部分的管桩端上加设一道高400 mm×30 mm厚的环箍与桩焊牢,当锤击桩进入砂层时,由于该环箍与桩身隔离有一个30 mm的空间空隙,有利于打桩瞬间减少桩侧摩阻力,使打桩进尺顺利。打桩完成后,该空间因泥砂与水作用仍挤密填满空隙,起到桩周摩阻力增加之作用。
5 本工程补桩措施
因本工程水塔环形基础304 根桩中,约有27%(76 根桩)的桩未打到设计标高,通过同济大学、华东电力设计院等计算分析,决定进行补桩23 根(原桩原长)的技术措施。
5.1 补桩的检测工作
首先通过对局部需补桩区域内的高低应变检测,认为已打入的桩绝大多数已打到设计标高,其沉桩贯入度和桩的承载能力满足设计要求,只有2# 冷却水塔北侧局部区域由于沉桩困难,造成截桩后的长短桩现象,需要补桩。
5.2 有限元分析
再根据对2# 冷却塔局部区域补桩23 根后的整体有限元模型的分析,得出如下结论:
(1) 补桩后的冷却塔环基长桩受力已较为均匀,最大长桩在自重+ 沉降+ 风荷截组合情况下的最大轴向压力为2 600 kN。
(2) 补桩后的桩基沉降总体上较为均匀,环向工后差异沉降最大约为1/4 000,径向工后差异沉降约为1/1 200。
(3) 环基刚体假设下的刚度中心偏离由加固前的△X=- 1.026 m、△Y=- 3.469 m,转变为加桩后的:△X=0.23 m、△Y=0.38 m。
(4)环基的扭矩和弯矩在补桩后得到不同程度的改善,现有配筋方案可以通过拉、剪、弯、扭验算。
(5)补桩后基础基本表现为均匀变形,对混凝土塔壳的受力极为有利。整体有限元的分析结果显示,补桩后的混凝土塔壳在自重+ 差异沉降的作用下,最大拉应力约为0.71 MPa。
5.3 补桩实施
补桩施工时间于2008 年4 月26 日~5 月14 日结束,为防止补桩时对原有桩因受土壤挤压造成损坏,故在桩位处采用φ350 mm~φ400 mm提土器先进行孔引,孔深以打穿⑥3 粉质黏土为准,约29 m。在补桩施工过程中,对周边已沉桩进行桩顶位移检测,包括竖向和横向位移,并控制已沉桩位水平抬升位移不超过10 mm,桩基施工后再进行高应变的检测。补桩施工采用DELMAGD80 桶式锤进行施打,停锤标准为双控制。6 2# 冷却水塔结构沉降观测2# 冷却水塔自08 年6 月27 日基础施工完后,按月进行沉降观测一次,待上部结构完成到2009 年7 月30 日水塔进水后二个月为一个阶段,继续进行沉降观测。观测结果表明:塔基东、南、西、北四个方向的沉降累计最大为9.4 mm,差异沉降最大1.6 mm,总沉降及差异沉降均符合设计及规范要求。
7 结语
华电望亭发电厂的改建工程2# 冷却水塔桩基在出现问题后经过分析,认为大部分φ600 mmPHC桩已达到设计要求,仅小部分需要补强。通过沉降控制及变刚度计算分析,在对局部区域补桩23 根后,达到冷却塔安全运行的目的。经过冷却塔基础、上部结构施工完成和塔进水后的连续观测,累计最大沉降为9.4 mm,差异沉降最大9.4- 7.8=1.6 mm,总沉降9.4 mm<115 mm (D/1000),D=115 m, 差异沉降小于2 mm,均符合规范要求。
根据设计对2# 冷却塔环形基础进一步稳定的要求,沉降量必须小于0.01 mm或趋于0,才算稳定,所以目前还在进一步(至少3 年)进行沉降规测,做好记录,以达到安全运行的目的。

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