復合載體夯擴樁技術分析及設計施工實例

馬 龍 （上海市嘉定區(qū)建設工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，上海 201822）

1 概述

隨著我國新型城鎮(zhèn)化進程的加快以及一路一帶建設，在建設以及拆除過程中產(chǎn)生了大量建筑垃圾，僅2017年全國就產(chǎn)生了約24億噸建筑垃圾。大量的建筑垃圾存在著污染和安全的隱患，如何有效利用這些建筑垃圾，是擺在工程界人士眼前的一個難題。復合載體夯擴樁是一種有效利用建筑垃圾的工程技術，自復合載體夯擴樁發(fā)明以來，由于其具有承載力高、施工工藝簡單、施工成本低等優(yōu)點，已在業(yè)內(nèi)廣泛采用。普通夯擴樁是采用混凝土作為夯擴體填充料，而復合載體夯擴樁的夯擴體是采用少部分混凝土以及大量的碎磚、碎石等建筑垃圾作為夯擴體填充料。復合載體夯擴樁的突出優(yōu)點在于：①在保證單樁承載力的前提下，使用建筑垃圾，降低了單樁工程造價；②在夯擴過程中填充料形成了良好的透水通道，讓夯擴體周圍影響范圍的土體快速固結(jié)，提高土體強度，且由于夯擊過程擠密了樁端土體，又進一步了提高單樁承載力；③這種樁型可以消除利用大量建筑垃圾，有良好的節(jié)能減排環(huán)保效果。

復合載體夯擴樁的樁端下部由4部分組成：夯實的干硬性混凝土（低塌落度）、夯實的填充料（碎磚、碎石等建筑垃圾）、擠密土體和影響土體[1]，見圖1。

圖1 復合載體夯擴樁的樁端下部組成

2 復合載體夯擴樁的受力原理

復合載體夯擴樁由混凝土樁身、樁端的復合載體2部分組成，荷載也通過兩部分傳遞：部分荷載利用樁身的側(cè)摩阻力傳遞到樁側(cè)土體，部分荷載通過樁身垂直傳遞到樁端以下深層土體。為節(jié)約工程造價，在設計時一般將復合載體夯擴樁的樁長設計得較短，用以減少鋼筋和混凝土用量，減少開挖深度。所以復合載體夯擴樁的樁身周圍土體側(cè)摩阻力較低，大部分荷載都是通過樁端的夯擴體傳遞到樁端下部的深層土體。復合載體夯擴樁的受力原理圖見圖2。

圖2 復合載體夯擴樁的受力原理

從受力上分析，當復合載體夯擴樁承受豎向荷載時，可以視為常見的擴展基礎[2]。上部荷載傳遞到載體后，通過夯實干硬性混凝土、夯實填充料和擠密土體，荷載逐級擴散，形成多級的擴展基礎，最后荷載傳遞到持力土層。

復合載體夯擴樁通過對填料的夯擊，使樁端土體變的更加密實、均勻，并由于樁身較短，以及多級擴展基礎的受力，使得樁身側(cè)阻力所占比例較小，其承載力主要來源于樁端夯擴體受荷。

由于復合載體夯擴樁的受力特點是擴展基礎形式，其計算承載力是fa x Ae[2]。當載體持力層一定時，地基承載力特征值fa也是一定的。通過控制三擊貫入度改變持力層密實度，三擊貫入度數(shù)值越小，則土體越密實，等效樁端計算面積Ae就越大。因此三擊貫入度是復合載體夯擴樁設計和施工過程的重要參數(shù)，需要合理確定。

3 復合載體夯擴樁的設計

由于復合載體夯擴樁中的載體受力為擴展基礎，是深層載體基礎的設計原理。設計要求需滿足如下3點：載體下方的土體承載力滿足設計要求，建構(gòu)筑物的沉降值滿足規(guī)范要求，樁身構(gòu)造滿足樁頂荷載受力要求。

設計內(nèi)容如下：土體持力層和加固土層的選擇、樁長計算、三擊貫入度值、等效樁端計算面積Ae和基礎沉降計算。設計關鍵是持力層和加固土層的選擇和三擊貫入度確定。

單樁豎向承載力特征值的計算按《復合載體夯擴樁設計規(guī)程》[1]中公式4.2.2計算：

μp為樁身斷面周長；qsia為樁側(cè)第i層土的側(cè)阻力特征值（kPa）；qpa為復合載體下地基土經(jīng)深度修正后的地基持力層承載力特征值（kPa），按GB50007確定；Ae為等效樁端計算面積，按《復合載體夯擴樁設計規(guī)程》中表4.2.2選用。樁長、樁身等其他幾項的設計與常用的樁基設計相同，見建筑樁基技術規(guī)范[3]。

復合載體夯擴樁的樁距，規(guī)范要求不宜小于1.6～2.0m，根據(jù)過往經(jīng)驗、試驗及參考文獻，為把夯擴擾動影響控制在合理范圍內(nèi)，最優(yōu)樁距宜為4倍樁徑[4]，這樣既能保證樁間土在夯擴過程中的擾動影響在容許范圍內(nèi)，又能使下臥層土體的承載力得到充分發(fā)揮。

4 復合載體夯擴樁的施工

復合載體夯擴樁的施工一般包括如下的程序[5]：

①樁位確定，樁機就位；

②采用特定的設備，重錘夯擊成孔，反壓護筒使護筒下沉到設計標高；

③提錘填料（碎磚、碎石等建筑垃圾），對樁端土體進行夯擊擠密；

④測量三擊貫入度，若大于設計要求三擊貫入度，重復工序3，直到滿足設計要求；

⑤填入干硬性混凝土，并夯擊密實；

⑥放入鋼筋籠；

⑦灌注樁身混凝土。

施工程序可以參考圖3。

圖3 施工程序

5 設計、施工基本要求

與設計、施工有關的部分規(guī)定如下。

①復合載體持力層應為可塑到硬塑狀態(tài)的粘性土以及粉土、砂土、碎石土。

②樁端被加固土層應為可塑到硬塑狀態(tài)的粘性土以及粉土、砂土、碎石土，被加固土層厚度不宜小于2m。

過硬和過軟的土層不應作為被加固土層，如密實的砂卵石土層、淤泥和淤泥質(zhì)土都不適合作為被加固土層。因為砂卵石層在夯擊作用下會產(chǎn)生剪脹，原固結(jié)狀態(tài)的土體結(jié)構(gòu)被破壞，起不到加固作用；淤泥和淤泥質(zhì)土由于處在水飽和狀態(tài)，在夯擊作用下產(chǎn)生超靜孔壓，土體無法壓實壓密。但密實砂卵石層可以作為土體持力層，所以要注意區(qū)分持力層和加固土層的區(qū)別。

③樁身不應進入有承壓水的土層中。

④樁的間距不宜小于1.6～2.0m，一般采用4倍的樁徑為宜[4]。

⑤夯擴體投料量的確定，應符合下列規(guī)定：

a.夯擊后地面隆起不得大于50mm；

b.采取措施防止對相鄰樁的不良影響，相鄰樁的豎向位移值不得大于20mm；

c.在滿足1和2條要求的前提下，以三擊貫入度控制夯擴體的投料量。投料量不宜小于0.5m3，且不宜大于1.8m3，否則應調(diào)整樁長或改變施工參數(shù)。

6 復合載體夯擴樁的工程實例

山東某化工企業(yè)新建廠房項目，主廠房建筑尺寸69m×36m×33m（長x寬x高），總共5層，第一層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其余上部4層為鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)地質(zhì)勘察報告及業(yè)主要求，對主廠房樁基工程的預制樁和復合載體夯擴樁進行經(jīng)濟比選。經(jīng)過經(jīng)濟性計算，選擇了復合載體夯擴樁，詳細資料及設計過程如下。

6.1 參數(shù)確定

6.1.1 各土層地質(zhì)參數(shù)（以不利孔128#孔為例）

①素填土厚1.2m，qsia=8kPa；

②粉質(zhì)粘土厚1.1m，fak=130kPa，qsia=24kPa，Es=5.0MPa；

③粉土厚1.5m，fak=130kPa，qsia=24kPa，Es=5.5MPa；

④粉質(zhì)粘土厚6.4m，fak=120kPa，qsia=17kPa，Es=5.0MPa；

⑤粉土厚2.4m，fak=140kPa，qsia=27kPa，Es=6.0MPa；qpa=425kPa；6.1.2單樁豎向承載力特征值計算

樁頂標高取第2層土頂部，樁端進入第5層粉土，有效樁長9.5m，計算深度 D=9.5m+2.0m（擴底部分直徑）=11.5m，樁徑410mm，C30混凝土。

由《復合載體夯擴樁設計規(guī)程》4.2.2公式：Ra=μp∑qsiali+qpa·Ae，其中

查《復合載體夯擴樁設計規(guī)程》表4.2.2，Ae=1.7m2(取三擊貫入度為10cm)，則復合載體夯擴樁單樁承載力特征值Ra=μp∑ qsiali+qpa·Ae=1.2874 ×184.7+425×1.7=960.28kN，取單樁豎向承載力特征值Ra=900kN。

6.2 三擊貫入度

三擊貫入度的投料量控制在1.2m3，三擊貫入度控制值為10cm。樁詳圖如圖4。

圖4 樁詳圖

7 復合載體夯擴樁的經(jīng)濟比較

在本工程實例中，樁基原計劃采用預制管樁，地質(zhì)參數(shù)各層土性質(zhì)如下（以孔19#孔為例）：

①素填土厚1m，qsia=10kPa；

②粉質(zhì)粘土厚2m，qsia=35kPa；

③粉土厚1.5m，qsia=25kPa；

④粉質(zhì)粘土厚3.5m，qsia=30kPa；

⑤粉土厚2.5m，qsia=30kPa，qpa=1100kPa；

⑥粉土厚1.5m，qsia=28kPa；

⑦粉土厚3.8m，qsia=30kPa，qpa=1200kPa；

預制樁采用樁長12m，樁徑500mm，單樁豎向承載力特征值Ra按《建筑地基基礎設計規(guī)范》8.5.6公式[2]計算如下：

若取與復合載體夯擴樁相近的的承載力900kN，則預制管樁需加長至15m，經(jīng)計算得：Ra=909.515kN，取單樁豎向承載力特征值為850kN。

通過以上樁基工程樁型的經(jīng)濟比選，采用復合載體夯擴樁可以有效減少樁長，降低造價，經(jīng)核算該項目樁基工程采用復合載體夯擴樁可比采用預制管樁節(jié)省30%的造價，最后業(yè)主方采用了復合載體夯擴樁。經(jīng)過近7年的使用，該建筑物的樁基沉降在規(guī)范限值內(nèi)，經(jīng)受了實踐的檢驗。

8 結(jié)語

復合載體夯擴樁作為一種新興施工技術，由于其不僅具有較高的承載力而且成本較低，同時還能消除大量建筑垃圾，具有較好的節(jié)能減排環(huán)保效果，因此這是一種值得推廣的施工技術。本文從實際工程出發(fā)，介紹了復合載體夯擴樁的設計、施工要點，希望能為廣大的設計、施工人員提供參考資料和依據(jù)。