張培成，孫玉文，張殿樹，王繼忠

(1.河北水利電力學院交通工程學院，河北省滄州市重慶路1號 061001； 2.滄州市建設工程質(zhì)量檢測中心，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研究中心，河北省滄州市重慶路1號 061001)

隨著我國現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展和穩(wěn)步推進，我國東部沿海地區(qū)的各類重大工程項目建設方興未艾。各類建筑物的體量越來越龐大、體型結構越來越復雜，建筑荷載分布極端不均勻、荷載集中且數(shù)值巨大，建筑物的基礎多采用樁基礎形式，設計要求的單樁豎向承載力越來越大，這類建設項目已屢見不鮮。在飽和軟土地基上建設這樣的各類工程項目，提高基樁的單樁豎向承載力成為永恒的課題。

近些年來，大直徑的預應力混凝土管樁、預應力混凝土竹節(jié)樁、擴徑(變徑)樁等大量應用于各類工程的建設中。由于沿海地區(qū)飽和軟土地基有上(淺)部軟弱而下(深)部相對比較堅硬的特點，致使上述樁型的應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(設計位置)、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，不能滿足設計要求的現(xiàn)象也時有發(fā)生；為了達到設計要求的樁長，施工中就不得不過分地施打，會造成樁頭破碎、樁身豎向破裂等質(zhì)量缺陷，抑或存在不可預測、不可控制的質(zhì)量隱患。

文中結合滄州某住宅建筑場地的工程實例進行了對比研究，并就提高單樁豎向承載力的機理做了一些探討。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，又具有很好的技術優(yōu)勢和經(jīng)濟性。

1 場地地基條件

1.1 研究場地的工程地質(zhì)條件

1.2 研究場地的工程特性

表1 研究場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 兩種樁型的試驗對比研究

2.1 預應力混凝土管樁試驗方案

第一種方案采用通常的預應力混凝土管樁方案，在自然地坪進行管樁試驗單樁豎向抗壓靜載試驗。普通樁在理論上簡化成半無限體中的一維桿，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值構成；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，只能通過擴大樁的直徑或者增加樁長才能達到提高承載力的目的，這在技術上是可行的，但在實際應用中可能會存在施工難度大、施工質(zhì)量無保證、不能充分發(fā)揮建筑材料應有的性能、基礎投資增大，造成不必要的材料浪費、經(jīng)濟上不合理等問題。

圖2 普通樁基受力分析示意圖

預應力混凝土管樁方案中，1G～4G號試樁用樁型號為PHC-500-AB-125，試樁設計樁長24.0m，因樁端進入第⑥層粉砂層，壓樁困難，實際施工樁長23.0m，均未達到設計樁長；為獲得更大承載力，5G～7G號試樁設計樁長增加到41.0m，用樁型號仍采用PHC-500-AB-125，因穿透粉砂層困難，故采用長螺旋鉆引孔后，再用靜壓法進行施工，即使這樣，仍未達到設計樁長，實際施工樁長分別為：40.0m、37.5m和28.0m。固結期后分別對6根試驗樁進行靜載荷試驗，試驗結果如表2所示。

表2 采用預應力混凝土管樁方案試樁結果

從表2可見，由于場地地層條件特點，造成成樁困難，不能完成設計樁長的施工，且單樁豎向承載力高低不一，差異較大，同時并不與樁長成線性關系，對應沉降變形也變化較大，不能滿足設計要求。

2.2 載體+預應力混凝土管樁試驗方案

第二個方案采用載體+預應力混凝土管樁試樁方案。載體樁在地基土層中并非一維桿，在理論上被簡化成深埋在地基土中的擴展基礎，其簡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值構成；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算面積之乘積。上述兩項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適度地填料夯實操作，增大“載體的等效計算面積”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)摩阻力的承載機理和計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，必須嵌固到堅硬土層上，對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體+被擠密土體+擠密影響土體組成的復合載體的曲面面積，樁端底部應力在復合載體中經(jīng)過層層擴散作用，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，通過適度地控制填料夯實操作，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性質(zhì)較好、且具有可擠密性即可[3]。

在與第一方案同場地、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，而是植入預應力混凝土管樁，形成新型載體樁。方案二中試樁樁身先是采用型號為PHC-500-AB-100管樁，設計樁長為25.0m，依據(jù)場地土層的實際分布情況，實際施工有效樁長分別為24.0m、22.0m、24.0m。其靜載荷試驗結果如表3所示。

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

表3 載體+預應力混凝土管樁方案試樁結果

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

表4 載體+預應力混凝土管樁方案改進試驗結果

圖4 三根試驗樁的Q～S曲線

從表4及圖2可見，采用載體+預應力混凝土管樁方案，以第⑥層粉砂層作為被加固對象(如圖1所示的載體樁)，經(jīng)過反復地進行填料夯擴，自⑥粉砂層層頂以下一定范圍內(nèi)，形成了一個具有一定形狀、由夯擊密實的填料與夯擴擠密土體及擠密影響土體組成的復合載體，該復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理、提高了⑥粉砂層的承載形狀、擴大了樁端承載面積，因此，提高了基樁的單樁豎向承載力；在填料夯擴過程中，由于對夯填密實度進行了控制，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。

分析兩種試驗方案的結果，載體樁的單樁豎向承載力特征值是預應力管樁的1.36～1.95倍，也就一根載體樁相當于1.5～2根預應力管樁的承載力；在有效樁長僅為18m的情況下，又大幅度地減少了用樁量，由此可見，其經(jīng)濟優(yōu)勢是顯著的。

3 結論

針對飽和軟土地基的工程特點，大承載力載體樁技術是發(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)，來達到提高載體樁單樁承載力的目的。本試驗成果驗證了改進工藝下的載體樁，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硬層的場地中取代現(xiàn)在流行的預應力管樁，具有施工工藝簡單多樣、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，且成樁過程中，樁身不受任何的損傷，無潛在質(zhì)量隱患，單樁承載力高、用樁量少，節(jié)省造價。所以飽和軟土地基大承載力載體樁技術具有廣闊的應用前景。