李均山 郭 宇

（1.核工業(yè)（天津）工程勘察院有限公司，天津 301800；2.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 401120）

0 引言

大型房屋建筑和市政工程上部荷載較大，對地基基礎(chǔ)承載力和變形有較高的要求。傳統(tǒng)灌注樁、預(yù)制樁因其承載力高、安全性好，而被廣泛應(yīng)用于大型工程中。但在有些特殊情況下，如成孔困難，持力層工程性質(zhì)相對較差或埋深較大的情況下，采用傳統(tǒng)灌注樁、預(yù)制樁經(jīng)濟(jì)性較差。針對上述問題，近年來載體樁作為一種新型的基礎(chǔ)形式在工程中被廣泛運用。

載體樁是對樁身以下土層經(jīng)夯實形成承載體，由樁身和載體構(gòu)成的樁[1]。載體樁承載力高的原因在于樁端土體密實，通過夯實填料擠密土體，從而提高樁基承載力。載體樁從受力機(jī)理上分析，鋼筋混凝土樁身相當(dāng)于傳力構(gòu)件，載體相當(dāng)于擴(kuò)展基礎(chǔ)，上部荷載通過樁身傳遞到載體，再通過載體逐級擴(kuò)散到持力層。載體形成后，通過三擊貫入度來控制載體施工質(zhì)量，以確保載體能夠有效提供承載力[2]。目前，國內(nèi)針對不同的地質(zhì)條件，對于載體樁設(shè)計理論及施工工藝已有較深入的研究[3—6]。

杜明芳等[7]研究載體樁在密實砂土層中的應(yīng)用，結(jié)果表明載體樁在密實砂土中的計算值偏于保守。王建安等[8]通過研究載體樁在隴南粉質(zhì)黏土地區(qū)應(yīng)用，結(jié)果表明載體樁較灌注樁更具經(jīng)濟(jì)性。李輝[9]通過研究某百米高程項目采用載體樁筏基礎(chǔ)，在節(jié)約投資及工期方面取得了良好的效果。張培成等[10]研究了飽和軟土地基載體樁，結(jié)果表明載體樁能夠滿足高承載力要求，并可以在地基中深部有相對硬層的場地中取代預(yù)應(yīng)力管樁。劉學(xué)等[11]對卵石層復(fù)合夯擴(kuò)樁載荷試驗進(jìn)行研究，認(rèn)為承載力由樁身材料控制。

以上文獻(xiàn)主要是研究載體樁在砂土、黏性土中的應(yīng)用，目前國內(nèi)對載體樁在卵石地層中的應(yīng)用研究較少。以奉節(jié)草堂地區(qū)某載體樁工程為例，對卵石層載體樁設(shè)計、施工及加固機(jī)理進(jìn)行分析研究，為該地區(qū)類似工程提供參考。

1 工程概況及場地地質(zhì)條件

1.1 工程概況

奉節(jié)縣草堂鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)某標(biāo)準(zhǔn)廠房建設(shè)工程，采用框架結(jié)構(gòu)，長84 m，寬24 m，層數(shù)為4 層，建筑高度20.40 m，柱距9.0～13.50 m。本工程采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深6.0～12.0 m。

1.2 場地地質(zhì)條件

勘察報告顯示，場地位于草堂河河谷及階地，現(xiàn)狀場地已進(jìn)行整平，地形較平緩。場地南側(cè)靠近草堂河區(qū)域存在穩(wěn)定地下水，埋深約5.0～8.0 m。場地地層分布及各巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1、圖1。

圖1 場地典型地質(zhì)剖面圖

表1 場地地層及物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察報告建議，卵石及中等風(fēng)化泥灰?guī)r均勻性較好，可用作樁端持力層；碎石土、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r均勻性差，不宜用作樁端持力層。

2 載體樁設(shè)計與施工

2.1 載體樁設(shè)計方案

草堂鎮(zhèn)地處渝東北，以山地地貌為主，基巖埋深深淺不一，常規(guī)的基礎(chǔ)設(shè)計思路是將基礎(chǔ)置于基巖之上。針對本工程地質(zhì)條件，若采用淺基礎(chǔ)，以卵石層作為持力層，則承載力不足，且沉降不易控制。若采用灌注樁置于基巖，則卵石層成孔困難，需采取護(hù)壁措施，且下伏基巖巖質(zhì)較軟、埋深大；經(jīng)計算，平均樁長須大于25.0 m，樁徑大于1.2 m 才能滿足承載力要求，經(jīng)濟(jì)性差?？紤]上述兩種方案缺點后，綜合現(xiàn)場試樁情況，考慮采用以卵石層為持力層的載體樁基礎(chǔ)方案。由于載體樁施工時，利用柱錘沖擊樁端土體，對樁端卵石層進(jìn)行加固，使土體趨于密實，承載力提高，且卵石埋深一般小于10.0 m，樁長得以控制，工程安全性及經(jīng)濟(jì)性均可得到保證。

本工程樁基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級，載體樁設(shè)計樁徑500 mm，單樁承載力特征值1500 kN，樁身混凝土強(qiáng)度為C30。樁端以卵石層作為持力層，最小樁身長度不小于5.0 m。根據(jù)《載體樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 135—2018），載體樁豎向承載力按式（1）、式（2）計算。

式中：Ra為載體樁豎向承載力特征值，kN；fa為經(jīng)深度修正后的載體樁持力層地基承載力特征值，kPa；Ae為載體等效計算面積，m2，宜按地區(qū)經(jīng)驗確定，無地區(qū)經(jīng)驗且樁徑為450～550 mm 時可按《載體樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 135—2018）表4.2.3 選取，當(dāng)樁徑為500～800 mm 時，表中Ae值應(yīng)乘以1.1～1.3，樁徑小時取小值，樁徑大時取大值；fak為載體樁持力層地基承載力特征值，kPa；ηd為承載力深度修正系數(shù)；γm為載體樁持力層以上土體加權(quán)平均重度，kN/m3，水位以下取有效重度；d為載體樁持力層埋深，m。

經(jīng)計算fa=320+4.4×19.0×(5.0－0.5)=696.2 kPa。查《載體樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 135—2018）表4.2.3，中密卵石所對應(yīng)的等效計算面積為4.0 m2，系數(shù)取1.1，Ae計算值4.4 m2。計算單樁承載力特征值Ra=696.2×4.4=3063.3 kN，滿足設(shè)計要求。

根據(jù)不同荷載大小，樁中心距為1.6～2.0 m，承臺下共采用五種布樁形式（見圖2）。

圖2 不同荷載的載體樁布置形式

設(shè)計樁機(jī)錘重35 kN，最大沖擊能為3000 kN·m，施工時應(yīng)嚴(yán)格控制落距不小于6.0 m，夯填干硬性混凝土0.5 m3，最后三擊貫入度控制在10 cm 以內(nèi)。載體樁樁身設(shè)計圖見圖3。

圖3 載體樁樁身結(jié)構(gòu)圖

2.2 沉降計算

載體樁沉降計算按等代實體深基礎(chǔ)壓縮分層總和法計算，計算公式見式（3）。

式中：s為樁基最終沉降量，mm；p0為樁端平面的附加壓力，kPa；ψp為沉降經(jīng)驗系數(shù)；zi、zi-1為樁端到第i層、第i-1層 土底面的距離，m；n為樁端平面以下壓縮層范圍內(nèi)土層總數(shù)；Esi為 樁端平面下第i層土在自重壓力至自重壓力加附加壓力作用段的壓縮模量，MPa。

本工程各計算參數(shù)取值如下，p0為將承臺下載體樁考慮為等代實體深基礎(chǔ)樁端附加壓力值，單柱荷載取1500 kN，p0計 算值為80 kPa；ψp取0.30；Es按表1取值；沉降計算深度為樁端至中等風(fēng)化基巖之上的巖土層段，最大沉降計算深度取30.0 m，最小沉降計算深度按樁端置于基巖，取0.0 m。計算最終沉降差為6.50 mm。

本工程結(jié)構(gòu)沉降變形要求沉降差小于0.002l0（l0為相鄰柱距），即沉降差小于27.0 mm。沉降差計算值小于規(guī)范沉降變形允許值27 mm，滿足要求。

2.3 載體樁施工

載體樁施工采用柱錘夯擊、護(hù)筒跟進(jìn)成孔，達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，柱錘夯出護(hù)筒一定深度，再分批向孔內(nèi)投入填充料，用柱錘反復(fù)夯實，達(dá)到設(shè)計要求后再填入干硬性混凝土夯實，形成載體，最后再施工混凝土樁身（見圖4）。

圖4 載體樁施工過程

柱錘采用直徑為355 mm，質(zhì)量為3500 kg，落距不小于6.0 m。柱錘夯擊分三次，第一次為錘夯樁底卵石土體，第二次為夯實投入的級配碎石，第三次為夯實填入的混凝土。

施工過程中，由于卵石地層中局部存在孤石，粒徑約40.0～110.0 cm，導(dǎo)致柱錘夯擊過程中受阻。解決方法是逐樁進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探，準(zhǔn)確查明孤石分布位置，柱錘下沉至孤石位置時，采用潛孔錘進(jìn)行破碎處理，然后進(jìn)行載體樁施工。以實際三擊貫入度控制載體施工質(zhì)量，本工程貫入度控制在10 cm 以內(nèi)。

3 檢測成果及加固機(jī)理分析

3.1 荷載試驗檢測分析

載體樁施工完成后，采用低應(yīng)變法檢測樁身完整性，除極少數(shù)樁為II 類樁外，其余均為I 類樁，滿足規(guī)范要求。為檢測載體樁豎向承載力，抽取3 根樁進(jìn)行靜載試驗，靜載試驗采用壓重平臺加載方式，慢速維持荷載法，最大加載值為3000 kN。試驗結(jié)果匯總見表2。

表2 載體樁豎向靜壓試驗結(jié)果

根據(jù)靜載試驗記錄繪制Q-s曲線（見圖5）。

圖5 載體樁荷載-沉降（Q-s）關(guān)系曲線

由圖5 可看出，單樁極限承載力不小于3000 kN，仍未達(dá)到荷載終止加載條件，滿足設(shè)計要求的1500 kN單樁承載力特征值。Q-s曲線呈緩變型，說明由于樁端載體的擠密與加固作用，載體樁的受力形式更接近于端承樁。達(dá)到最大荷載時，Q-s曲線仍接近直線，表明土體大部分沉降仍處于彈性壓縮階段，未進(jìn)入塑性破壞階段。三根試樁最大荷載所對應(yīng)的沉降值分別為8.66 mm、15.33 mm、7.31 mm，比規(guī)范規(guī)定的極限承載力所對應(yīng)27 mm 沉降值小得多，表明載體樁對孔底持力層的夯擊加固和應(yīng)力擴(kuò)散效果顯著。

3.2 建筑沉降觀測

為了解載體樁在卵石地層沉降發(fā)展情況，廠房施工及運營期間進(jìn)行了沉降觀測。沉降觀測在建筑的4 個角點及長邊中部共設(shè)置6 個沉降觀測點，觀測周期為2 年（基礎(chǔ)完工至交付使用后1 年），沉降觀測曲線如圖6 所示。

圖6 廠房沉降發(fā)展曲線

通過沉降發(fā)展曲線可知，主體結(jié)構(gòu)完工6 個月后，沉降基本趨于穩(wěn)定，最大沉降量為5.21 mm，小于沉降計算值6.50 mm，后期沉降較小，表明載體樁的使用情況良好。

3.3 加固機(jī)理分析

河床天然沉積卵石是由不同粒徑固體顆粒組成，粒徑由大到小分別為卵石、礫石、砂土，它們自然沉積相互接觸形成土體骨架，骨架之間充填空氣或水分。載體樁施工過程中柱錘下落沖擊土體，空氣被擠出，應(yīng)力擴(kuò)散使土中固體顆粒向四周產(chǎn)生位移，土體原有的顆粒排列更加緊密（見圖7），固體顆粒之間的咬合強(qiáng)度得以提高，土體抗剪強(qiáng)度提高，隨著不斷向孔內(nèi)夯填干硬性混凝土，達(dá)到設(shè)計要求的三擊貫入度之后在樁端形成復(fù)合載體，載體形成過程中對下部一定影響深度范圍內(nèi)的土體也予以加密，有利于載體樁沉降控制。

圖7 卵石層中載體樁加固機(jī)理示意圖

綜上所述，載體樁能在卵石中有效形成載體，柱錘夯擊能由于應(yīng)力擴(kuò)散使樁端卵石骨架顆粒集中，土體趨于密實，使樁端承載力大幅提高，有效控制沉降，表明該種基礎(chǔ)形式在奉節(jié)草堂地區(qū)卵石層是適用的。

4 結(jié)論

（1）工程實踐表明，在奉節(jié)草堂地區(qū)采用以卵石層為持力層的載體樁具有較好的適用性，打破了山地工程中以基巖作為樁端持力層的固有觀念，取得了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。

（2）以卵石作為持力層的載體樁靜載試驗Q-s曲線一般呈緩變型，表明載體樁在卵石地層中的受力形式更接近于端承樁。靜載試驗與沉降觀測表明載體樁承載性能良好，滿足工程設(shè)計要求。卵石地層加固機(jī)理是應(yīng)力擴(kuò)散使固體顆粒趨于緊密，加固范圍土體抗剪強(qiáng)度提高。

（3）卵石地層中載體樁的適用性與卵石的成分和級配密切相關(guān)，施工前應(yīng)先進(jìn)行試樁，施工中宜采用超前地質(zhì)鉆探，遇大顆粒孤石可采用潛孔錘進(jìn)行破碎。