萧山电厂工程烟囱桩基设计分析--江苏新大高空工程有限公司

萧山电厂一期烟囱高度为180 m，出口直径为4 m，为高耸结构。不仅垂直荷载大，而且在风荷载的作用下，水平荷载和弯距也非常大。根据地质详勘得到的地质报告，烟囱下部的地质情况较为特殊，特别是基岩的起伏较大，给烟囱的桩基设计带来困难。我们在设计中通过对地质情况的仔细分析和桩型的合理选择，顺利的克服了这个问题，烟囱及其桩基施工完成后，其沉降和沉降差均在规定范围内，电厂投产运行至今烟囱使用情况正常。
2 地质情况

萧山发电厂厂区地层上部以第四系饱和软粘土为主，下部为坡积，由残积成形之粉质粘土或粉质粘土混角砾等组成，最底层是基岩，为侏罗系凝灰岩和花岗斑岩，烟囱地段各层的物理力学性质见表1，具体组成如下：
　　1）层粉质粘土：黄褐，灰黄色，中～软塑性，很湿～湿，软塑～可塑，含多量粉砂。

　　2）层粉土，灰色，中～重塑性，很湿，以软塑为主，含多量云母和少量有机质，振动易液化。

　　3）层淤泥质粉质粘土：灰，深灰色，中～重塑性，饱和～很湿，流塑为主。

　　4）层粉质粘土：色杂，以浅黄，褐黄为主，中～重塑性，稍湿～湿，硬塑为主。

face=宋体>　　5）层粉质粘土：色杂，以黄绿，黄褐色为主，中塑性，稍湿～很湿，硬塑为主，含有角砾，粗砾，其角砾含量变化较大，层底沿基岩面起伏较大。

face=宋体>　　6）层花岗斑岩：以浅肉红色为主，主要矿物成分以正长石、斜长石、石英为主，斑状结构，块状构造，强～中等风化，节理裂隙发育，其性质以闭合高倾角节理为主，岩质致密坚硬且脆，岩芯呈短柱状或柱状，层顶标高为－15．70～－28．8m。
　　
根据以上情况分析，烟囱所处位置地质上部饱和软粘土，下部坡积，坡积成因之（6）层，（7）层粉粘土厚度较薄，且变化较大，（6）层局部缺失，不宜作桩基持力层，而（8）层基岩面埋藏较浅，加之承载能力高，可作为持力层。
3 桩基选型
    根据初步设计烟囱桩基采用的型式为450×450
mm钢筋混凝土预制方桩，与主厂房及炉后的其余桩基型式一致，施工流水操作方便，工程进度较为合理，且预制方桩在施工过程中质量较易控制。若发生异常现象，如遇到贯入度剧变，桩身突然发生倾斜、移位或有严重回弹等可明确地区分沉桩质量的好坏，及时地采取补救措施。因此一直到试桩工作正式展开，450×450
mm钢筋混凝土预制方桩一直是烟囱桩基选择的桩型，单桩承载力理论计算值为2000 kN。

萧山发电厂工程的试桩共有三组，二组布置在主厂房内，另一组试桩就设在烟囱基础下，共有2根试桩，6根锚桩，沉桩结果发现基岩面起伏很大，相同桩长的预制桩，部分沉到设计标高，部分却远远高出设计标高。根据该情况，施工图地质勘探在原大纲规定的钻孔数基础上增补了5个小口径金钢石钻孔，结果发现该部位基岩面较陡，局部达37°，且上部岩体风化破碎。

依据勘探结果，如果依旧选择预制方桩作为烟囱桩基具有一定的危险性，首先是在沉桩过程中可能会遇上特别陡斜的岩面，造成打桩困难，第二是在烟囱桩基范围内岩面整体向一个方向倾斜，加上岩面本身破碎，预制桩施打结果，只能使桩尖停留在基岩面，在烟囱这个高耸结构的巨大的水平荷载作用下，整个持力层岩面易发生滑移。第三也不能保证单桩在大荷载作用下，在斜度较大的基岩上不发生单桩滑桩，所以采用预制桩作为桩基方案有很多关键方面的问题都不能解决，明确需要另外选择合适的桩型。

在这种情况下，为了确保桩基的万无一失，设计采用了另一种桩型，即大直径钻孔嵌岩灌注桩，同时勘测部门新增的5个小口径钻孔的取样结果及增加的中等风化岩样的单轴饱和抗压强度试验报告，都证实了中等风化层岩石完整性较好，强度高的特性，可作为理想的持力层。而采用大直径嵌岩灌柱桩恰好可以穿强透强风化岩，进入中等风化岩。将持力层定为中等风化岩层，避开了风化破碎的强风化岩层，嵌固作用明显，增加了桩基的稳定性，也解决了岩面倾角较大的问题。同时由大直径大底面积带来的大单桩承载力，充分利用了中等风化岩极大的端承力，大大的减少了桩数，因此大直径嵌岩灌注桩作为萧山电厂烟囱的桩基，是一种较为理想的选择。

1）入岩深度的确定
　　由于嵌岩桩的优越之处就在于能较好地把桩头嵌固基岩中，利用基岩侧壁摩阻力系数及端承力大的特性，充分发挥大直径桩的单桩承载力，同时考虑到烟囱桩基所在位置基岩倾斜大的特殊性，嵌岩深度更是值得仔细探讨的问题。首先由于强风化岩具有明显破碎的特征，为防止桩基整体滑移，可以肯定桩头必须进入中等风化岩，其次根据岩面倾斜较大的特征，为防止单桩的滑桩，设计规定桩尖进入中等风化岩层的深度不小于相邻桩高差加两倍的桩身直径，基本上确保桩尖处在相邻较深桩接触中等风化岩面的标高以下，使之不可能产生滑移。

2）中等风化岩层在实际施工中的判断
　　由于采用的是钻孔灌注桩，因此取上来的岩石较为破碎，而又不可能以勘测的结果作为每根桩进基岩的实际深度，所以灌柱桩是否进入中等风化层的判断显得尤为重要和困难，为了现场施工容易控制，设计制定了下面几方面的技术判断指标。首先是从钻机的进尺速度上加以控制，强风化岩与中等风化岩具有不同的进尺速度，根据现场试钻的结果可设定一个进入中等风化岩的基本进尺速度来加以控制。第二是从捞取的渣样颜色来判断入岩的位置，根据渣样颜色的新鲜程度及将其与勘探时的钻孔取样进行对比结果，可以判断入岩的情况。第三是取样的基岩粒含量的大小来加以判断，强风化岩含量约为30％左右，中等风化岩含量达到70％。每次渣样应编号存放，进行验收，同时也可根据取样达到要求时开始计算进入中等风化岩的进尺深度来控制桩尖进入中等风化岩的深度。通过上述几个办法的综合结果，可以较准确、方便地判断钻机钻头进入中等风化岩的情况。

3）成孔过程中的钻孔护壁质量控制
　　虽然大直径钻孔嵌岩灌注桩具有可以嵌入基岩，极大地提高承载能力和抗侧向水平力的能力，但是其成孔过程中需要严格地控制在土层中的桩身质量，这其中护壁起到了关键性的作用，特别是在入岩深度要求较高，成孔时间较长的情况下，护壁效果的好坏，直接影响到桩身质量。设计采用了反循环泥浆护壁的方法来解决这个问题，泥浆制备选用了高塑性粘土，根据现场施工机械和工艺进行了配合比的设计，比重为1．15，粘度20。在钻孔过程中将制好的泥浆不断输入钻孔，同时孔中附带有泥土及石渣的泥浆涌出钻孔，通过沉淀池将破碎的岩粒沉淀，泥浆则返回泥浆配制池。特别是在清孔过程中，要求不断置换泥浆，直到浇注水下混凝土。在工程实际施工中由于事先准备工作做得充分，技术措施正确，最终没有一个孔发生塌孔的情况。为确保烟囱桩的桩身质量起到决定性作用。

4）孔底沉渣的清理
　　嵌岩桩的承载力很大一个组成部分是桩头基岩的短承力，因此桩头与基岩面的接触情况，直接影响到嵌岩桩的端承力，其次桩基的沉降也与桩端沉渣的多少有着紧密的关系。所以孔底沉渣的清理也是大直径嵌岩桩成败的一个重要因素。烟囱桩基设计中要求沉渣厚度小于50
mm，孔底沉渣的清除问题主要是通过以下几方面解决：第一，制备泥浆进行反循环，将破碎后的岩粒浮带出钻孔，泥浆比重根据钻孔钻入深度所在土层位置进行调节，增加清孔的效果，其次在浇水下混凝土时，将下料导管放置到孔底，混凝土沿导管高速下滑，压缩导管内的积水，使之产生水流将残积在孔底残渣冲离孔底，代之以水下混凝土。由于在施工中严格按照设计要求进行施工，配之以完善的检测措施，在成孔清渣完成后，用人工挂锤测沉渣的厚度及嵌岩桩浇筑完成后，采用钻机抽芯直至基岩，两种方法均证实了孔底沉渣被清理的效果非常好，平均不超过20
mm。
5 技术经济比较

在使用大直径柱灌注桩作为烟囱基础桩后，进行了该桩型与450×450
mm钢筋混凝土预制桩的技术经济比较。预制桩断面小，承载力低，桩基所需的用桩数多，但每延米桩的造价较低。大直径灌注桩断面大，单桩承载力大，烟囱桩基所需的桩数少，但每延米桩的造价较高。综合两种桩型的桩数及单位造价，进行对比如下。

预制混凝土桩单桩承载力为2000 kN，烟囱荷载传至桩基的垂直荷载为N＝69044 kN，水平荷载为Q＝1704 kN。弯距M＝163102
kN／m，根据计算需要使用预制钢筋混凝土桩90根，预制桩每立方米造价为1800元，烟囱桩基总计需要造价59．1万元。

大直径嵌岩灌注桩单桩承载力为3500
kN，根据烟囱的荷载进行桩基计算，结果需要大直径桩48根，每立方米桩造价为1300元，总共需要57．6万元。

从两者的工程造价来对比，基本上相差不多，大直径嵌岩灌注桩略少几万块钱。

6 沉降观测结果

为了便于烟囱在建成之后经常的进行沉降测量，烟囱结构设计中设置了前后左右四个沉降观测点，鉴于烟囱基础桩基的特殊性，设计要求电厂在烟囱建成后定期进行测量。实际上电厂也在1993年烟囱施工完成后到1997年的4年间对烟囱进行了长时间的监测。现将这4个点（分别为A、B、C、D）的各次测量结果见表2。

以上高程采用黄海高程，单位为m。从测量结果可分析出烟囱桩基的沉降在1994年也就是建成的第二年为7 mm左右，往后逐步减小稳定在1mm以下，而且4个点的沉降也比较均匀。
7总结

根据以上几方面的情况来看，烟囱桩基不论从桩身的强度，以及单桩及群桩的稳定性，还是烟囱的沉降的实际情况都与设计时的理论分析比较吻合，其工程造价与450×450钢筋混凝土预制桩差不多或略少。尤其在1991年省内还没有较多的使用大直径嵌岩灌注桩的经验，因此萧山电厂烟囱桩基不论在设计上还是在施工中的技术控制，包括在建成后的监测等几个方面均是比较成功的。可以讲该桩基的设计完全满足烟囱的正常运行使用要求，同时也为类似地质条件的工程在桩基处理上积累了经验。