南水北调中线洺河渡槽试验桩设计与静载试验
杨镇生
河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050035
通过测定桩基压浆前、后各岩土层极限侧摩阻力的方法，为桩基承载力复核和调整设计提供参数。在洺河渡槽进口段2号和3号槽墩之间共布置了3根试验桩，试验桩与工程桩成桩方法保持一致，试验桩中预埋灌浆管和若干观测仪器，分压浆前、后两个阶段进行单桩竖向抗压静载试验，通过观测数据分析测算出各岩土层的极限侧摩阻力。试验结果表明，原状岩土桩基极限侧摩阻力小于经验数值，桩底后压浆可提高岩土层的极限摩阻力2倍以上。
根据南水北调中线洺河渡槽工程的初步勘探和先导孔资料，2～5号槽墩桩下伏基岩具有岩相变化较大和岩体破碎的特点，且风化程度差异较大，强风化底界高程和风化层厚度变化也非常明显。再有，初期工程桩单桩竖向抗压静载试验（本文以下简称静载试验）检测结果中，2号和3号槽墩桩存在极限承载力不能达到设计要求的22000kN和总沉降量过大且不稳定现象，为了保证洺河渡槽工程安全和输水安全，在2号和3号槽墩之间布设了3根试验桩，本文仅就试验桩设计、试验过程及成果进行重点介绍。
1 工程概况
洺河渡槽是南水北调中线一期工程总干渠的一座大型河渠交叉建筑物，设计流量230m3/s，加大流量250m3/s。洺河渡槽总长829m，槽身段长640m，共16跨，单跨长40.0m。上部结构为三槽一联带拉杆预应力钢筋混凝土矩形槽结构。共布置17个槽墩，墩身为实体重力墩，由墩帽、墩身和承台组成。承台下设两排灌注桩，桩径 1.7m（边墩桩径1.5m），桩长13.5～61.5m，根据基岩承载力变化，桩尖深入弱风化岩层深3.5～7.0m。15号、16号槽墩采用扩大基础，基础底面坐落于弱风化基岩中，基础长29.5m，宽9.0m，厚2.5m。
洺河渡槽南部1～5号槽墩下伏基岩以二叠系砂岩为主，部分为泥岩，砂岩、泥岩交错沉积，岩相变化较大。受次级构造和地层条件的影响，部分岩体破碎，强风化底界高程自6.35～51.10m，风化程度差异较大，每个槽墩下伏基岩风化程度的差异也非常明显。6 号槽墩地质条件属南部与北部过渡段，下伏基岩以二叠系（P2s）砂岩为主，砂岩、泥岩交错沉积，岩相变化较大，部分岩体比较破碎，风化程度差异较大。北部7～16号槽墩下伏基岩以二叠系泥岩为主，局部砂岩，弱风化岩芯多呈柱状，较完整坚硬，节理不发育。17号槽墩基岩面起伏及风化程度差异大，风化层界面相差较大。
2 试验目的
本次试验桩目的包括两个层次方面内容，一是测算桩基各土层的极限侧摩阻力及端承力，复核及确定基桩设计参数；二是测算桩底压浆后桩侧分层摩阻力及桩端阻力，计算桩底压浆后侧摩阻力和端承力的增强效果。
3 试验方法
静载试验采用慢速维持荷载法，反力方式采用压重平台反力装置（堆载）。试验分两个阶段，第一阶段，预先在桩底沉入30cm厚的褥垫层，然后浇筑成桩，达到龄期后进行第一次加载，加载至桩底发生滑移破坏或最大试验荷载22000kN，通过埋设在桩身的钢筋计测定桩基各土层的极限侧摩阻力；第二阶段，通过桩身预埋的注浆管，将桩底褥垫层冲洗干净，然后进行高压桩底注浆，待浆体达到设计强度进行第二次加载，加载至破坏或最大试验荷载22000kN，通过观测仪器测定桩基各土层侧摩阻力及桩端阻力，验证压浆效果。
4 试验桩设计与成桩
4.1 试验桩布置
试验桩布置位置考虑两个方面内容，一是2～5号槽墩下伏基岩存在岩相变化较大、岩体破碎和风化程度差异大的地质特点；二是通过7根工程桩静载试验的检测结果不难发现，2号和3号槽墩部分桩基的承载力或沉降不能满足设计要求，因此在2号槽墩和3号槽墩之间布置3根试验桩（编号为S1、S2、S3），沿垂直渡槽轴线方向布置，桩间距10m。
4.2 试验桩结构设计
试桩设计直径1.5m，桩长32m，桩底高程32.5m，桩底预埋30cm厚的膨润土垫层。混凝土强度等级C25，桩身主筋采用12φ25，桩身分别埋设3根DN25注浆管和DN50声波观测管，为了压浆清空排渣和返浆需要，在试桩中间钻孔110mm（根据压浆施工实际需要补充增设的）。
4.3 观测仪器布设
钢筋计型号JMZX-416A，钢筋计埋设于地层分层处（较厚单一岩性地层增设钢筋计断面），每断面沿120°布置3个钢筋计，分别焊接于钢筋笼3根主筋上。土压力盒型号JMZX-5010AM，为埋设桩底土压力盒，桩孔加深30cm（膨润土垫层厚度），将焊接钢筋计的3根主筋延长25cm左右，3个土压力盒呈品字形固定在延长主筋底端（距孔底5cm左右）。S1试桩共布设10个钢筋计断面，S2和S3试桩布设9个钢筋计断面，每根试桩底部布设3个土压力计。
4.4 试验桩成桩
洺河渡槽灌注桩成孔采用CZ-9型冲击钻，使用管型空芯冲击钻头，孔底1.5m范围内改用十字型实芯冲击钻头，膨润土造浆护壁，二次清孔采用气举反循环工艺。
钻孔成孔质量标准：孔中心位置允许偏差小于50mm，孔径不小于设计桩径，倾斜度不小于0.5%，沉渣厚度摩擦桩不大于150mm（端承桩不大于50mm）。清孔结束标准：泥浆密度小于1.1g/cm3，含沙量小于2%，用手触无粗粒感觉。
试桩混凝土强度等级C25，拌和物坍落度控制在18～22cm，采用2台混凝土罐车直接灌注。在浇筑14d经超声波检测，S1、S2试桩为I类桩，S3试桩为II类桩（存在桩身扩径轻微缺陷）。
4.5 桩底压浆
试验桩压浆在完成第一阶段静载试验后进行，压浆管利用预埋的3根DN25无缝钢管，压浆泵型号BW160/10，最大压浆压力10MPa，流量44～160L/min。
桩底压浆分3次进行，且依次按总压浆量的40%、40%和20%循环压入，两个压浆管同时压浆，依次循环至压浆结束，水泥浆水灰比0.7；终灌条件采取压浆量与压力双控，以压浆量控制为主，压力控制为辅，当压浆量达到设计压浆量或压浆压力达到控制压力，并持荷5min注入率小于1L/min，可停止压浆；压浆量每根桩控制在4.5m3（P.O42.5R水泥）；桩底最大压浆压力5.0MPa，持续压浆压力采用2～3MPa控制。
5 试验过程
第一阶段：S1试桩静载试验分级荷载2200kN，逐级等量加载，首级荷载2200kN，试验最大加载15400kN，总沉降量44.93mm，终止试验；S2试桩静载试验分级荷载2200kN，逐级等量加载，首级荷载4400kN，施加第三级荷载8800kN时，沉降不能维持稳定，维持稳定荷载7800kN，终止加载；S3试桩静载分级荷载1100kN，逐级等量加载，首级荷载1100kN，试验加载至18700kN，因油泵故障终止试验。
第二阶段：S1和S2试桩分级荷载2200kN，逐级等量加载，第一级荷载2200kN，试验最大加载22000kN，由于试桩S3压浆前承载力接近设计要求，故未进行桩底压浆。
6 数据分析结果
经过对钢筋计、土压力盒原始数据的统计整理、分析和计算，得出各桩、各阶段分层桩基侧摩阻力成果，成果见表1～表3。
表1 S1试桩各阶段分层桩基侧摩阻力
表2 S2试桩各阶段分层桩基侧摩阻力
表3 S3试桩各阶段分层桩基侧摩阻力
7 结论
通过3根试验桩的静载试验数据分析，一是原状岩土桩基极限侧摩阻力小于经验数值，建议值为：卵石层47kPa，砂/泥岩层32kPa；二是桩底压浆后效果明显，各岩土层桩基侧摩阻力均有增加，且呈现桩身下部岩层（泥/砂互层）较上部卵石层侧摩阻力增加更为明显。压浆后桩基侧摩阻力建议值：卵石层87kPa，砂/泥岩层88kPa。根据试验测定成果，首先对原设计桩基进行了复核验算，并增加了桩底压浆后处理措施，保证了桩基承载力满足设计提出的要求。
参考文献
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