基于飽和軟土地基大承載力載體樁試驗(yàn)研究

張培成，孫玉文，張殿樹，王繼忠

(1.河北水利電力學(xué)院交通工程學(xué)院，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001； 2.滄州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，河北省滄州市迎賓大道建業(yè)大廈 061001； 3.北京波森特巖土工程有限公司，北京市昌平區(qū)天通苑北街道太平家園 102300； 4.滄州市基樁工程技術(shù)研究中心，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001)

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展和穩(wěn)步推進(jìn)，我國(guó)東部沿海地區(qū)的各類重大工程項(xiàng)目建設(shè)方興未艾。各類建筑物的體量越來(lái)越龐大、體型結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，建筑荷載分布極端不均勻、荷載集中且數(shù)值巨大，建筑物的基礎(chǔ)多采用樁基礎(chǔ)形式，設(shè)計(jì)要求的單樁豎向承載力越來(lái)越大，這類建設(shè)項(xiàng)目已屢見不鮮。在飽和軟土地基上建設(shè)這樣的各類工程項(xiàng)目，提高基樁的單樁豎向承載力成為永恒的課題。

近些年來(lái)，大直徑的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁、擴(kuò)徑(變徑)樁等大量應(yīng)用于各類工程的建設(shè)中。由于沿海地區(qū)飽和軟土地基有上(淺)部軟弱而下(深)部相對(duì)比較堅(jiān)硬的特點(diǎn)，致使上述樁型的應(yīng)用效果并不盡如人意，常常出現(xiàn)在淺部土層中送樁不能連續(xù)、順利施工，到了深部土層中又出現(xiàn)送樁困難、不能到位(設(shè)計(jì)位置)、地面以上余下的樁頭高低不一、參差林立的現(xiàn)象；單樁豎向承載力忽高忽低，不能滿足設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生；為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求的樁長(zhǎng)，施工中就不得不過(guò)分地施打，會(huì)造成樁頭破碎、樁身豎向破裂等質(zhì)量缺陷，抑或存在不可預(yù)測(cè)、不可控制的質(zhì)量隱患。

文中結(jié)合滄州某住宅建筑場(chǎng)地的工程實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比研究，并就提高單樁豎向承載力的機(jī)理做了一些探討。采用載體樁施工工法很好地解決了上述問(wèn)題，既大幅提高了承載力、確保了施工質(zhì)量，又具有很好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)性。

1 場(chǎng)地地基條件

1.1 研究場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件

1.2 研究場(chǎng)地的工程特性

表1 研究場(chǎng)地地基土層承載力特征值fak及壓縮模量Es1-2建議值

圖1 典型地質(zhì)剖面圖

2 兩種樁型的試驗(yàn)對(duì)比研究

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁試驗(yàn)方案

第一種方案采用通常的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁方案，在自然地坪進(jìn)行管樁試驗(yàn)單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。普通樁在理論上簡(jiǎn)化成半無(wú)限體中的一維桿，其受力分析如圖2所示。其極限承載力由兩部分組成，一部分是樁的總側(cè)摩阻力，由各層土的極限側(cè)摩阻力與樁身在該土層中的樁周面積之乘積的累計(jì)值構(gòu)成；另一部分是樁端阻力，即樁底橫截面面積與樁端土層的極限端阻力之乘積。上述兩項(xiàng)之和即為樁的極限承載力。由此可見，欲提高基樁的單樁豎向承載力，除了必須選擇符合一定要求的樁端持力層以外，只能通過(guò)擴(kuò)大樁的直徑或者增加樁長(zhǎng)才能達(dá)到提高承載力的目的，這在技術(shù)上是可行的，但在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)存在施工難度大、施工質(zhì)量無(wú)保證、不能充分發(fā)揮建筑材料應(yīng)有的性能、基礎(chǔ)投資增大，造成不必要的材料浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)上不合理等問(wèn)題。

圖2 普通樁基受力分析示意圖

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁方案中，1G～4G號(hào)試樁用樁型號(hào)為PHC-500-AB-125，試樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)24.0m，因樁端進(jìn)入第⑥層粉砂層，壓樁困難，實(shí)際施工樁長(zhǎng)23.0m，均未達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)；為獲得更大承載力，5G～7G號(hào)試樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)增加到41.0m，用樁型號(hào)仍采用PHC-500-AB-125，因穿透粉砂層困難，故采用長(zhǎng)螺旋鉆引孔后，再用靜壓法進(jìn)行施工，即使這樣，仍未達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，實(shí)際施工樁長(zhǎng)分別為：40.0m、37.5m和28.0m。固結(jié)期后分別對(duì)6根試驗(yàn)樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁方案試樁結(jié)果

從表2可見，由于場(chǎng)地地層條件特點(diǎn)，造成成樁困難，不能完成設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)的施工，且單樁豎向承載力高低不一，差異較大，同時(shí)并不與樁長(zhǎng)成線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)沉降變形也變化較大，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 載體+預(yù)應(yīng)力混凝土管樁試驗(yàn)方案

第二個(gè)方案采用載體+預(yù)應(yīng)力混凝土管樁試樁方案。載體樁在地基土層中并非一維桿，在理論上被簡(jiǎn)化成深埋在地基土中的擴(kuò)展基礎(chǔ)，其簡(jiǎn)化圖及受力分析如圖3所示。其承載力也由兩部分組成，一部分是樁的總側(cè)摩阻力特征值，由各層土的側(cè)阻力特征值與樁身在該土層的樁周面積之乘積的累計(jì)值構(gòu)成；另一部分則是被加固土層經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值與載體的等效計(jì)算面積之乘積。上述兩項(xiàng)之和即為載體樁的單樁豎向承載力特征值Ra[1]。由此可見，要想提高載體樁的承載力，只要在被加固土層中通過(guò)適度地填料夯實(shí)操作，增大“載體的等效計(jì)算面積”值即可。

圖3 載體樁受力分析示意圖Fig.3 Stress analysis diagram of common pile with ram-compacted bearing sphere

和普通樁相比，樁的側(cè)摩阻力的承載機(jī)理和計(jì)算方法是基本相同的，不同的是樁端部的受力是截然不同的。普通基樁其端部受力集中在樁端橫截面面積范圍內(nèi)，承載面積小、受力集中，要想獲得大的承載力，必須嵌固到堅(jiān)硬土層上，對(duì)嵌固土層的要求很高。而載體樁的端部受力是呈現(xiàn)曲面分布的，承載面積是由填料夯實(shí)體+被擠密土體+擠密影響土體組成的復(fù)合載體的曲面面積，樁端底部應(yīng)力在復(fù)合載體中經(jīng)過(guò)層層擴(kuò)散作用，已將樁端的集中力逐層分散到天然地基能夠承受的程度。因此，通過(guò)適度地控制填料夯實(shí)操作，可以大幅度地提高載體樁的單樁豎向承載力[2]；載體樁對(duì)持力層(被加固土層)的要求也不像普通樁基那樣高，只要求被加固土層的物理力學(xué)性質(zhì)較好、且具有可擠密性即可[3]。

在與第一方案同場(chǎng)地、相近位置做試樁，采用載體樁工藝先施工載體，載體位置選在第⑥層粉砂層，載體完成后，未按傳統(tǒng)的載體樁灌注工藝成樁，而是植入預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，形成新型載體樁。方案二中試樁樁身先是采用型號(hào)為PHC-500-AB-100管樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為25.0m，依據(jù)場(chǎng)地土層的實(shí)際分布情況，實(shí)際施工有效樁長(zhǎng)分別為24.0m、22.0m、24.0m。其靜載荷試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由于樁身強(qiáng)度局限性及載體質(zhì)量控制指標(biāo)偏低，單樁承載力未能達(dá)到預(yù)期效果，后對(duì)施工工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高三擊貫入度控制指標(biāo)，不大于10cm，將管樁改為PHC-500-AB-125，又在同一場(chǎng)地做了三根試樁，成樁完成后，對(duì)樁芯用C45混凝土進(jìn)行填充，7天后進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，其結(jié)果如表4及圖4所示。

表3 載體+預(yù)應(yīng)力混凝土管樁方案試樁結(jié)果

注：5Z～7Z號(hào)試樁的樁身采用管型為PHC-500-AB-100，由于壁厚為100mm，故在最大荷載達(dá)到4275kN時(shí)，5Z和7Z號(hào)試樁的樁頂混凝土破壞。

表4 載體+預(yù)應(yīng)力混凝土管樁方案改進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 三根試驗(yàn)樁的Q～S曲線

從表4及圖2可見，采用載體+預(yù)應(yīng)力混凝土管樁方案，以第⑥層粉砂層作為被加固對(duì)象(如圖1所示的載體樁)，經(jīng)過(guò)反復(fù)地進(jìn)行填料夯擴(kuò)，自⑥粉砂層層頂以下一定范圍內(nèi)，形成了一個(gè)具有一定形狀、由夯擊密實(shí)的填料與夯擴(kuò)擠密土體及擠密影響土體組成的復(fù)合載體，該復(fù)合載體連同其下部的土體作為樁的持力層，改變了樁端的受力機(jī)理、提高了⑥粉砂層的承載形狀、擴(kuò)大了樁端承載面積，因此，提高了基樁的單樁豎向承載力；在填料夯擴(kuò)過(guò)程中，由于對(duì)夯填密實(shí)度進(jìn)行了控制，因此，也減少了基樁的沉降量及差異沉降量，保證各基樁之間承載性狀的穩(wěn)定性和一致性。

分析兩種試驗(yàn)方案的結(jié)果，載體樁的單樁豎向承載力特征值是預(yù)應(yīng)力管樁的1.36～1.95倍，也就一根載體樁相當(dāng)于1.5～2根預(yù)應(yīng)力管樁的承載力；在有效樁長(zhǎng)僅為18m的情況下，又大幅度地減少了用樁量，由此可見，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)是顯著的。

3 結(jié)論

針對(duì)飽和軟土地基的工程特點(diǎn)，大承載力載體樁技術(shù)是發(fā)展方向。它可任意按照建筑荷載(大小和分布)的不同需求，通過(guò)合理選擇被加固土層、采用適宜的施工工藝和施工控制參數(shù)，來(lái)達(dá)到提高載體樁單樁承載力的目的。本試驗(yàn)成果驗(yàn)證了改進(jìn)工藝下的載體樁，在飽和軟土地基中能夠完成大承載力的要求，并可以在地基中深部有相對(duì)硬層的場(chǎng)地中取代現(xiàn)在流行的預(yù)應(yīng)力管樁，具有施工工藝簡(jiǎn)單多樣、施工參數(shù)可控、施工質(zhì)量穩(wěn)定、各基樁之間的承載性狀具有很好的穩(wěn)定性和一致性的特點(diǎn)，且成樁過(guò)程中，樁身不受任何的損傷，無(wú)潛在質(zhì)量隱患，單樁承載力高、用樁量少，節(jié)省造價(jià)。所以飽和軟土地基大承載力載體樁技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。