載體樁承載特性及其影響因素分析

劉 林 錢申春

(1.江蘇省鎮(zhèn)江市路橋工程總公司，江蘇鎮(zhèn)江 212017;2.安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽合肥 230031)

0 引言

載體樁又被稱為復合載體夯擴樁［1-4］，是在沉管擴底灌注樁和夯擴樁階段基礎(chǔ)上，由北京波森特巖土工程公司提出的一種新型樁。載體樁設(shè)計規(guī)程中將載體樁定義為由混凝土樁身和載體共同構(gòu)成的樁，施工時采用柱錘夯擊，護筒跟進成孔，達到預定樁底標高后，柱錘夯出護筒一定長度，然后分若干次向護筒內(nèi)加入填充料，用柱錘反復夯實，達到一定要求后再投入干硬性混凝土，并夯實形成載體，最后澆筑混凝土樁身。

載體樁通常由兩部分組成，一部分是樁身混凝土或樁身鋼筋混凝土(混凝土強度等級一般不低于C25)，另一部分是樁身底部的載體。其中樁身底部的載體可由干硬性混凝土、夯實的填充料(一般由碎石、碎磚塊、碎混凝土塊、礦渣等組成)、擠密土體三部分組成。從變形和受力角度考慮，載體從里到外各填充材料的壓縮模量、強度常常是逐漸降低的，從而確保樁端底部的應(yīng)力可以逐漸擴散。載體的形狀主要取決于載體外側(cè)土體的密實度、載體底部土體的密實度、載體距離持力層的距離、夯擊能的大小等因素，通?？山茷閳A弧形(高度與寬度近似相等)、長圓弧形(高度大于寬度)、扁圓弧形(高度小于寬度)等。

為揭示載體樁設(shè)計參數(shù)變化對樁體承載能力的影響情況，本文以工程實際為支撐，從載體尺寸、樁徑尺寸、碎石土密實度、素混凝土強度等方面對樁體的承載能力特性進行分析研究。

1 有限元模型建立

根據(jù)屯溪濱江壹號小區(qū)建筑場地載體樁的設(shè)計資料、工程勘察資料以及現(xiàn)場載荷試驗成果，建立了有限元反分析模型，如圖1所示。

根據(jù)屯溪濱江壹號建筑場地的實際情況，確定項目建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)土層主要包括砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粘土、強風化粉砂巖，計算土層的物理力學指標參見表1。

表1 土層主要物理力學指標匯總表

通過反分析，確定載體樁各區(qū)域的物理力學指標和形狀指標參見表2，表3。

表2 載體樁及樁間土物理力學參數(shù)匯總表

2 樁底部載體尺寸變化對載體樁承載力影響

表3 載體樁形狀參數(shù)表 m

以上述反分析模型為基礎(chǔ)，在保證端頭各區(qū)域橫、豎比例不變的前提下，對素混凝土區(qū)域體積減小20%、體積減小10%、體積不變、體積增大10%、體積增大20%、體積增大30%后樁體的變形情況進行仿真模擬，其模擬計算結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，當外部荷載較小時，隨著荷載的增加不同樁頭尺寸的復合地基承載能力差異不大，可認為樁體處于彈性狀態(tài);當外加荷載超過1 100 kPa時，在相同變形情況下，載體尺寸越大，承載能力越高;隨著樁部載體尺寸不斷減小，p—s曲線明顯變緩，載體樁的極限承載力對應(yīng)的p—s曲線拐點越不明顯;當載體尺寸由增大10%變?yōu)樵龃?0%時，樁體復合地基的承載能力明顯增加，極限承載力隨之增大。

圖1 載體樁有限元模擬示意圖

圖2 不同樁部載體尺寸下載體樁的p—s曲線圖

3 上部樁徑尺寸變化對載體樁承載能力影響

利用反分析模型，對樁體直徑減小20%、直徑減小10%、直徑不變、直徑增大10%、直徑增大20%、直徑增大30%后樁體的承載能力變化情況進行仿真模擬，其模擬計算結(jié)果參見圖3。

圖3 不同樁徑尺寸下載體樁的p—s曲線圖

由圖3可以看出，當外部荷載較小時，隨著荷載的增加，不同樁徑尺寸的復合地基承載能力差異不大，可認為樁體處于彈性狀態(tài);當荷載逐級施加到1 760 kPa時，不同樁徑尺寸下的變形速率均有一定程度的增加，樁徑大的載體樁承載能力降低尤其明顯，且變形隨荷載變化趨勢近似于一條直線;若減小樁徑，會顯著降低傳遞到下部均質(zhì)土中的自重應(yīng)力，從而導致傳遞到地基深部的附加應(yīng)力值較小，使地基變形降低。

4 素混凝土強度參數(shù)變化對載體樁承載能力影響

為揭示素混凝土強度參數(shù)變化對載體樁承載能力的影響，對模型中素混凝土強度減小20%、強度減小10%、強度不變、強度增大10%、強度增大20%、強度增大30%后載體樁承載能力的變化情況進行仿真分析，其模擬計算結(jié)果參見圖4。

由圖4可以看出，載體樁端頭的素混凝土參數(shù)變化對載體樁的承載力影響不大，因為素混凝土強度的初始值較大，施加的荷載值與素混凝土的強度相比，可以忽略不計。因此，當外部荷載較小時，通過提高素混凝土強度來提高載體樁的承載力效果并不明顯。

圖4 素混凝土強度參數(shù)變化時的p—s曲線

5 碎石土密實度變化對載體樁承載能力影響

碎石土的密實度與填料間的摩阻力、嵌擠力密切相關(guān)，并會在一定程度上對載體樁的承載能力產(chǎn)生影響，其密實度改變可通過改變夯擊能和填料配比來控制。本小節(jié)對碎石土密實度減小20%、密實度減小10%、密實度不變、密實度增大10%、密實度增大20%、密實度增大30%后載體樁的承載能力進行仿真分析，模擬計算結(jié)果參見圖5。

圖5 碎石土壓實度變化時載體樁的p—s曲線

由圖5可見，碎石土區(qū)域的壓實度發(fā)生變化時，載體樁的承載力會有一定程度的變化，但變化幅度不大，如密實度提高30%，樁體復合地基的承載能力提高不足10%，這主要是由于碎石土區(qū)作為協(xié)調(diào)樁和樁間土變形的墊層，其承載能力較下部土體要大得多，當荷載增大到一定限值時，其承載能力程度受下部和樁側(cè)土體的強度影響較大。

6 結(jié)語

本文結(jié)合工程實際資料，從底部載體尺寸、樁徑尺寸、碎石土密實度、素混凝土強度等方面對樁體的承載能力特性進行分析研究，得到以下成果:

1)載體樁樁體底載體尺寸的變化對樁體的承載能力影響較大，對于確定的樁徑，當載體樁端頭素混凝土的體積為當前設(shè)計參數(shù)的1.1倍～1.2倍，載體樁復合地基的承載能力會有較大幅度的提高。

2)載體樁樁身直徑增大對提高樁體的承載能力影響不大，尤其是當外部荷載較小時，載體樁復合地基的承載能力會有一定幅度的降低。

3)改變素混凝土的強度和碎石土區(qū)域的密實度對提高載體樁復合地基的承載能力有一定程度的影響，但由于素混凝土、密實碎石土的強度較下臥土層要大得多，通過改變素混凝土的強度和碎石土區(qū)域的密實度來提高載體樁承載能力的效果并不理想。

［1］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］沈保漢，王繼忠.載體樁技術(shù)的誕生與發(fā)展［J］.工程勘察，2009(1):1-4.

［3］王繼忠.載體樁技術(shù)的拓展［J］.工程勘察，2009(1):10-14.

［4］楊啟安，王繼忠.載體樁技術(shù)的拓展研究［J］.路基工程，2011(3):68-71.