載體樁應(yīng)用中的問(wèn)題分析

趙建糧，王剛，郭媛，王爍

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州 450053；2.河北地質(zhì)大學(xué)，石家莊 450000)

0 引言

載體樁又稱(chēng)復(fù)合載體夯擴(kuò)樁，是由混凝土樁身和載體構(gòu)成的樁。載體是樁身以下經(jīng)夯實(shí)形成的承載體，分為填料載體和無(wú)填料載體[1]。載體具有擠密地基，擴(kuò)大樁端面積的雙重作用，可以有效提高單樁承載力。郭志勇等認(rèn)為載體樁因其擠土功效而使單樁極限承載力要比采用傳統(tǒng)的人工挖孔擴(kuò)底樁提高約15%，比非擴(kuò)底的人工挖孔或鉆孔灌注樁的單樁極限承載力提高約30%以上[2]；杜明芳等通過(guò)載體樁基礎(chǔ)單樁靜載荷試驗(yàn)和載體樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，分別對(duì)兩種方案承載力計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響進(jìn)行了分析，認(rèn)為載體樁在達(dá)到極限荷載時(shí)沉降隨荷載的變化呈陡降型，載體樁基礎(chǔ)和載體樁復(fù)合地基在密實(shí)砂土持力層中承載力的計(jì)算值均偏于保守[3]。

近年來(lái)，載體樁因造價(jià)低、單樁承載力高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，受地質(zhì)條件、施工工藝等因素影響也出現(xiàn)過(guò)一些問(wèn)題。本文以鄭州西部某載體樁工程應(yīng)用為例，根據(jù)巖土工程條件和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比進(jìn)行樁基選型，論述載體樁檢測(cè)與復(fù)壓處理前后所遇到的問(wèn)題，結(jié)合樁的作用原理對(duì)問(wèn)題原因進(jìn)行系統(tǒng)性分析，針對(duì)問(wèn)題提出了處理措施的觀(guān)點(diǎn)，為本地區(qū)及周邊載體樁的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

某新建廠(chǎng)房位于鄭州市西部的高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，主廠(chǎng)房為地上1層的框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立承臺(tái)基礎(chǔ)型式，基礎(chǔ)埋深2.0 m，設(shè)計(jì)單柱荷載值2300 kN。

1.1 場(chǎng)地地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地地貌單元屬于山前微傾斜平原[4]，地層以第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)的粉土為主，自上而下分別為：第①1層，雜填土(Q4ml)，雜色，稍濕，松散，以碎石、碎磚、混凝土塊等建筑垃圾為主，平均層厚2.31 m；第①層，粉土(Q4al)，褐黃色，稍濕，中密，中等壓縮性土層，平均層厚1.25 m；第②層，粉土(Q3al)，黃褐色，稍濕，密實(shí)，中等壓縮性土層，平均層厚3.63 m；第③層，粉土(Q3al)褐黃色，稍濕，密實(shí)，中等壓縮性土層，平均層厚1.52 m；第④層，粉土(Q3al)，黃褐色，稍濕，密實(shí)，中等壓縮性土層，平均層厚1.90 m；第⑤層，粉土(Q3al)，褐黃色，稍濕，密實(shí)，中等壓縮性土層，平均層厚4.06 m；第⑥層，粉土(Q3al)，褐黃色，稍濕，密實(shí)，中等壓縮性土層，平均層厚2.43 m；第⑦層，粉質(zhì)黏土(Q3al)，棕黃色，可塑—硬塑，中等壓縮性土層，平均層厚3.09 m。

場(chǎng)地地下水類(lèi)型為第四系孔隙潛水，水位埋深在35.0 m以下。

1.2 巖土工程參數(shù)與樁基選型

根據(jù)勘察資料，淺部地基土以第四系的粉土為主，承載力特征值都在120 kPa以上，各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和巖土工程參數(shù)見(jiàn)表1。場(chǎng)地地下水埋深較大，對(duì)設(shè)計(jì)和施工影響不大。主廠(chǎng)房設(shè)計(jì)采用樁+承臺(tái)的基礎(chǔ)型式，可選用鉆孔灌注樁、CFG樁及載體樁。除雜填土外，場(chǎng)地土層分布均勻，附近項(xiàng)目多采用CFG樁復(fù)合地基，CFG樁各土層的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與巖土工程參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of soil layer and geotechnical engineering parameters

表2 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of CFG pile composite foundation

鉆孔灌注樁造價(jià)高，且施工中產(chǎn)生的泥漿排放受防治污染管控影響較大，一般不被采用，CFG樁和載體樁施工都不產(chǎn)生泥漿。以樁徑450 mm、樁長(zhǎng)10.0 m的CFG樁和樁徑430 mm、樁長(zhǎng)10.0 m的載體樁為研究對(duì)象，進(jìn)行單樁豎向承載力的分析對(duì)比。通過(guò)JGJ 94-2008中公式5.3.5可以計(jì)算出CFG樁的單樁豎向承載力[5]。根據(jù)附近場(chǎng)地載體樁的三擊貫入度經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)算出載體等效計(jì)算面積Ae，通過(guò)JGJ/T 135-2018中公式4.2.3-1可計(jì)算出載體樁的單樁豎向承載力[1]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。相同樁長(zhǎng)和樁徑相差不大的載體樁和CFG樁單樁豎向承載力特征值分別為433.4 kPa和1140.0 kPa，載體樁單樁豎向承載力是CFG樁單樁豎向承載力的2.63倍。采用載體樁可以大幅度減少工程量，而且可以消化現(xiàn)場(chǎng)的部分磚塊、混凝土碎塊等建筑垃圾。從工程造價(jià)、工期、施工條件等方面綜合對(duì)比，最終決定承臺(tái)下樁基采用載體樁。根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖，載體樁樁徑430 mm，樁長(zhǎng)9.0 m、10.0 m，且樁端進(jìn)入第⑤層粉土≥500 mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。施工要求最后三擊貫入度≤10 cm，單樁豎向承載力特征值≥1100 kN。

表3 CFG樁與載體樁單樁豎向承載力對(duì)比Table 3 Comparison of vertical bearing capacity of single pile between CFG pile and pile with ram-compacted bearing sphere

2 應(yīng)用中遇到的問(wèn)題

2.1 測(cè)樁發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

為檢驗(yàn)工程效果，載體樁施工56根后按照J(rèn)GJ 106-2014相關(guān)要求進(jìn)行樁基質(zhì)量檢測(cè)[6]。先采用低應(yīng)變法對(duì)樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果：I類(lèi)樁(完整樁)8根，占比14.29%；II類(lèi)樁(基本完整樁)38根，占比67.86%；Ⅲ類(lèi)樁(缺陷樁)7根，占比12.50%；Ⅳ類(lèi)樁(嚴(yán)重缺陷樁)3根，占比5.35%。后隨機(jī)抽取3根樁，采用靜載荷試驗(yàn)法檢測(cè)單樁豎向承載力，檢測(cè)結(jié)果差異性較大[7]，測(cè)樁曲線(xiàn)如圖1。其中0152號(hào)試樁檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足要求，荷載值加到了設(shè)計(jì)值2200 kN，樁頂最大沉降量為8.02 mm，卸荷后最大回彈量4.82 mm，回彈率60.1%。0138號(hào)試樁荷載值也加到了設(shè)計(jì)值2200 kN，樁頂最大沉降量8.61 mm，卸荷后最大回彈量3.98 mm，回彈率46.2%。0142號(hào)樁檢測(cè)過(guò)程中，荷載值加至1325 kN時(shí)，樁頂沉降為8.21 mm，當(dāng)加載值至1540 kN時(shí)，樁頂沉降迅速增加，最大值63.83 mm。卸荷后回彈量?jī)H2.98 mm，回彈率僅4.7%，樁頂沉降超過(guò)規(guī)范要求，加載值未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖1 樁基荷載試驗(yàn)Q-s曲線(xiàn)Fig.1 Q-s curve of pile foundation load test

2.2 復(fù)壓處理及遇到的問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為樁頂沉降值大是由于相鄰樁施工影響造成，即后期樁基施工造成之前施工樁周邊的土體隆起，以致樁頂沉降量超標(biāo)，單樁承載力應(yīng)該問(wèn)題不大。處理措施是在全部樁基施工完成且樁身混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，對(duì)樁逐個(gè)進(jìn)行復(fù)壓處理，復(fù)壓的壓力控制值為單樁豎向承載力極限值2200 kN。

復(fù)壓處理前后分別采用低應(yīng)變法檢測(cè)了樁身完整性，并各隨機(jī)抽取3根樁采用靜載荷試驗(yàn)法檢測(cè)單樁豎向承載力。通過(guò)兩次樁基檢測(cè)結(jié)果(見(jiàn)表4、表5)對(duì)比可以看出，除0142號(hào)樁等少數(shù)樁外，樁身完整性和單樁豎向承載力的指標(biāo)都沒(méi)有明顯提高，反而出現(xiàn)一定程度的下降，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的處理效果[8]。

表4 復(fù)壓處理前后低應(yīng)變測(cè)樁結(jié)果Table 4 Comparison of pile low-strain integrity testing results before and after pressure treatment

表5 復(fù)壓處理前后靜載荷試驗(yàn)測(cè)樁結(jié)果Table 5 Comparison of pile static load test results before and after pressure treatment

3 問(wèn)題原因分析

3.1 載體樁的作用機(jī)理

從受力上分析，載體樁是一種擴(kuò)展基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載通過(guò)樁體傳遞到載體后，應(yīng)力在干硬性混凝土、填充料和擠密土體中逐級(jí)擴(kuò)散，形成多級(jí)的擴(kuò)展基礎(chǔ)，最終將荷載傳遞到持力層中。由于載體樁的樁長(zhǎng)較短，且樁端為擴(kuò)大頭，樁身只相當(dāng)于傳力桿，載體相當(dāng)于無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)。從載體的干硬混凝土、夯實(shí)填充料到擠密土體，其壓縮模量逐漸降低，應(yīng)力逐漸擴(kuò)散。載體樁發(fā)揮作用的核心是載體質(zhì)量和樁端土體的擠密作用。不同于CFG樁的承載力是依靠增加樁長(zhǎng)，利用樁和樁間土的共同作用將荷載傳遞到深層地基土中[9]。載體樁的載體質(zhì)量和作用效果是提高其承載力的重中之重，而且載體下方必須要有好的持力層；其次，樁身質(zhì)量也非常重要。

3.2 樁頂沉降原因分析

一般來(lái)說(shuō)，可能造成載體樁產(chǎn)生過(guò)大豎向沉降的原因包括3方面：①樁身或樁底干硬混凝土破壞產(chǎn)生豎向位移；②填充料不密實(shí)，受壓縮后變形造成沉降；③載體下方的擠密土體受壓縮產(chǎn)生變形。

首先，本工程載體樁樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋籠通長(zhǎng)配置，加密區(qū)長(zhǎng)度2.2 m。經(jīng)計(jì)算，樁體在有良好樁周土側(cè)限的情況下可以承受1745.0 kN以上，加荷載值在1540 kN時(shí)樁體不會(huì)發(fā)生破壞現(xiàn)象，樁體壓縮值也不會(huì)超過(guò)10 mm。載體下方是中密狀態(tài)的粉土層，受設(shè)計(jì)荷載狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)20 mm的沉降，而且不會(huì)產(chǎn)生驟然的變化。

3.3 地質(zhì)條件分析

本工程基礎(chǔ)埋深2.0 m，地表有厚2.34 m的雜填土，其他土層以中密和密實(shí)狀態(tài)的粉土為主[10]。載體樁選取的樁端持力層為第⑤層粉土，密實(shí)狀態(tài)，承載力特征值160 kPa。樁側(cè)分別為第①層粉土、第②層粉土、第③層粉土及第④層粉土，承載力特征值分別為120 kPa、180 kPa、140 kPa和190 kPa。樁端持力層下方是第⑥層粉土和第⑦層粉質(zhì)黏土，承載力特征值均為200 kPa，壓縮系數(shù)a1-2分別為0.11 MPa-1、0.20 MPa-1，均屬于中壓縮性土層。這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖土條件，滿(mǎn)足載體樁的適用條件。

3.4 測(cè)樁結(jié)果分析

根據(jù)載體樁復(fù)壓處理前后兩次低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果分析，0142號(hào)樁等少數(shù)樁頂沉降值過(guò)大是由于相鄰樁施工造成的土體隆起引起，大部分樁的問(wèn)題是由于樁身質(zhì)量缺陷造成。樁身的質(zhì)量缺陷基本上都分布在6.5 m以上的部位，7.0 m以下基本沒(méi)有質(zhì)量缺陷。而且3.0 m以上樁身質(zhì)量缺陷較多，輕微缺陷占到總數(shù)的80.37%，明顯質(zhì)量缺陷占到總數(shù)的79.17%，嚴(yán)重質(zhì)量缺陷占到總數(shù)的50%。通過(guò)復(fù)壓處理前后樁身質(zhì)量缺陷對(duì)比(見(jiàn)表6)可以看出，復(fù)壓處理后樁身質(zhì)量缺陷明顯增加。也就是說(shuō)，復(fù)壓處理對(duì)樁身起到了一定程度的破壞作用，導(dǎo)致樁身質(zhì)量明顯缺陷、嚴(yán)重缺陷大幅度增加，III類(lèi)樁、IV類(lèi)樁的數(shù)量分別提高了40.0%和60.0%。只有0142號(hào)等少數(shù)樁經(jīng)過(guò)復(fù)壓處理后，樁頂沉降大幅度降低，單樁承載力極限承載力由1540 kN 提高到了2200 kN。多數(shù)樁的樁身質(zhì)量問(wèn)題在復(fù)壓處理后愈發(fā)嚴(yán)重，測(cè)樁評(píng)定等級(jí)降低。

表6 復(fù)壓處理前后樁身質(zhì)量缺陷統(tǒng)計(jì)對(duì)比Table 6 Statistical comparison of pile quality defects before and after pressure treatment

4 針對(duì)性措施

根據(jù)本工程載體樁應(yīng)用中所出現(xiàn)的問(wèn)題，綜合分析原因后分類(lèi)制定防控和應(yīng)對(duì)措施[11]。針對(duì)因樁周土體隆起造成樁頂沉降值超標(biāo)的樁，應(yīng)根據(jù)樁端持力層土質(zhì)情況，合理調(diào)整樁間距及施工順序，必要時(shí)采用螺旋鉆機(jī)成孔，以減少后續(xù)施工對(duì)鄰樁的影響。對(duì)于樁身不存在質(zhì)量缺陷的樁，雖然通過(guò)復(fù)壓方式處理對(duì)降低樁頂沉降量有一定效果，但也應(yīng)盡量不采用這種處理方式，避免復(fù)壓對(duì)樁體造成破壞。在周?chē)嚯x建筑物較近時(shí)，錘擊法擠擴(kuò)成孔還應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臏p振、隔振措施，控制施工對(duì)環(huán)境造成的不良影響。施工前，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求施工試樁，檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后再進(jìn)行工程樁施工[12]。

應(yīng)從以下幾個(gè)方面調(diào)整施工工藝，控制樁身質(zhì)量：①采用柱錘夯擊成孔時(shí)護(hù)筒跟進(jìn)，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，柱錘夯出護(hù)筒底一定深度，再分批向孔內(nèi)投入填充料，反復(fù)夯實(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再填入干性混凝土，并充分夯擊，形成載體，施工混凝土樁身時(shí)，嚴(yán)格控制混凝土塌落度和灌注速度，確保灌注質(zhì)量，避免出現(xiàn)樁身質(zhì)量缺陷[13]；②施工中控制相鄰樁的上浮量，混凝土終凝后的相鄰樁的上浮量控制在15 mm左右，混凝土處于流動(dòng)狀態(tài)的相鄰樁的上浮量控制在40 mm左右；③在滿(mǎn)足上浮量控制要求的前提下，以三擊貫入度控制載體樁的填料量。

5 結(jié)論

載體樁是通過(guò)載體發(fā)揮作用，作為傳力桿件的樁體也非常重要，通過(guò)該項(xiàng)目載體樁應(yīng)用情況的分析，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：①載體樁受相鄰樁施工影響較大，且不同土質(zhì)對(duì)擠密效應(yīng)的敏感度不同，為避免相鄰樁的相互影響，不同土質(zhì)的持力層其最小樁間距應(yīng)有不同的要求；②載體樁樁身質(zhì)量是影響其發(fā)揮作用的重要環(huán)節(jié)，樁身混凝土澆筑和振搗應(yīng)滿(mǎn)足均勻性和密實(shí)性的要求，保證樁身質(zhì)量完整性良好；③對(duì)于樁身沒(méi)有質(zhì)量缺陷而樁頂沉降超標(biāo)的樁，采用復(fù)壓方式處理可以達(dá)到一定效果，但復(fù)壓前應(yīng)綜合考慮各種因素，謹(jǐn)慎采用，避免復(fù)壓過(guò)程中破壞樁身質(zhì)量。