基于饱和软土地基大承载力载体桩试验研究

张培成，孙玉文，张殿树，王继忠

(1.河北水利电力学院交通工程学院，河北省沧州市重庆路1号 061001； 2.沧州市建设工程质量检测中心，河北省沧州市迎宾大道建业大厦 061001； 3.北京波森特岩土工程有限公司，北京市昌平区天通苑北街道太平家园 102300； 4.沧州市基桩工程技术研究中心，河北省沧州市重庆路1号 061001)

随着我国现代化建设的快速发展和稳步推进，我国东部沿海地区的各类重大工程项目建设方兴未艾。各类建筑物的体量越来越庞大、体型结构越来越复杂，建筑荷载分布极端不均匀、荷载集中且数值巨大，建筑物的基础多采用桩基础形式，设计要求的单桩竖向承载力越来越大，这类建设项目已屡见不鲜。在饱和软土地基上建设这样的各类工程项目，提高基桩的单桩竖向承载力成为永恒的课题。

近些年来，大直径的预应力混凝土管桩、预应力混凝土竹节桩、扩径(变径)桩等大量应用于各类工程的建设中。由于沿海地区饱和软土地基有上(浅)部软弱而下(深)部相对比较坚硬的特点，致使上述桩型的应用效果并不尽如人意，常常出现在浅部土层中送桩不能连续、顺利施工，到了深部土层中又出现送桩困难、不能到位(设计位置)、地面以上余下的桩头高低不一、参差林立的现象；单桩竖向承载力忽高忽低，不能满足设计要求的现象也时有发生；为了达到设计要求的桩长，施工中就不得不过分地施打，会造成桩头破碎、桩身竖向破裂等质量缺陷，抑或存在不可预测、不可控制的质量隐患。

文中结合沧州某住宅建筑场地的工程实例进行了对比研究，并就提高单桩竖向承载力的机理做了一些探讨。采用载体桩施工工法很好地解决了上述问题，既大幅提高了承载力、确保了施工质量，又具有很好的技术优势和经济性。

1 场地地基条件

1.1 研究场地的工程地质条件

1.2 研究场地的工程特性

表1 研究场地地基土层承载力特征值fak及压缩模量Es1-2建议值

图1 典型地质剖面图

2 两种桩型的试验对比研究

2.1 预应力混凝土管桩试验方案

第一种方案采用通常的预应力混凝土管桩方案，在自然地坪进行管桩试验单桩竖向抗压静载试验。普通桩在理论上简化成半无限体中的一维杆，其受力分析如图2所示。其极限承载力由两部分组成，一部分是桩的总侧摩阻力，由各层土的极限侧摩阻力与桩身在该土层中的桩周面积之乘积的累计值构成；另一部分是桩端阻力，即桩底横截面面积与桩端土层的极限端阻力之乘积。上述两项之和即为桩的极限承载力。由此可见，欲提高基桩的单桩竖向承载力，除了必须选择符合一定要求的桩端持力层以外，只能通过扩大桩的直径或者增加桩长才能达到提高承载力的目的，这在技术上是可行的，但在实际应用中可能会存在施工难度大、施工质量无保证、不能充分发挥建筑材料应有的性能、基础投资增大，造成不必要的材料浪费、经济上不合理等问题。

图2 普通桩基受力分析示意图

预应力混凝土管桩方案中，1G～4G号试桩用桩型号为PHC-500-AB-125，试桩设计桩长24.0m，因桩端进入第⑥层粉砂层，压桩困难，实际施工桩长23.0m，均未达到设计桩长；为获得更大承载力，5G～7G号试桩设计桩长增加到41.0m，用桩型号仍采用PHC-500-AB-125，因穿透粉砂层困难，故采用长螺旋钻引孔后，再用静压法进行施工，即使这样，仍未达到设计桩长，实际施工桩长分别为：40.0m、37.5m和28.0m。固结期后分别对6根试验桩进行静载荷试验，试验结果如表2所示。

表2 采用预应力混凝土管桩方案试桩结果

从表2可见，由于场地地层条件特点，造成成桩困难，不能完成设计桩长的施工，且单桩竖向承载力高低不一，差异较大，同时并不与桩长成线性关系，对应沉降变形也变化较大，不能满足设计要求。

2.2 载体+预应力混凝土管桩试验方案

第二个方案采用载体+预应力混凝土管桩试桩方案。载体桩在地基土层中并非一维杆，在理论上被简化成深埋在地基土中的扩展基础，其简化图及受力分析如图3所示。其承载力也由两部分组成，一部分是桩的总侧摩阻力特征值，由各层土的侧阻力特征值与桩身在该土层的桩周面积之乘积的累计值构成；另一部分则是被加固土层经深度修正后的地基承载力特征值与载体的等效计算面积之乘积。上述两项之和即为载体桩的单桩竖向承载力特征值Ra[1]。由此可见，要想提高载体桩的承载力，只要在被加固土层中通过适度地填料夯实操作，增大“载体的等效计算面积”值即可。

图3 载体桩受力分析示意图Fig.3 Stress analysis diagram of common pile with ram-compacted bearing sphere

和普通桩相比，桩的侧摩阻力的承载机理和计算方法是基本相同的，不同的是桩端部的受力是截然不同的。普通基桩其端部受力集中在桩端横截面面积范围内，承载面积小、受力集中，要想获得大的承载力，必须嵌固到坚硬土层上，对嵌固土层的要求很高。而载体桩的端部受力是呈现曲面分布的，承载面积是由填料夯实体+被挤密土体+挤密影响土体组成的复合载体的曲面面积，桩端底部应力在复合载体中经过层层扩散作用，已将桩端的集中力逐层分散到天然地基能够承受的程度。因此，通过适度地控制填料夯实操作，可以大幅度地提高载体桩的单桩竖向承载力[2]；载体桩对持力层(被加固土层)的要求也不像普通桩基那样高，只要求被加固土层的物理力学性质较好、且具有可挤密性即可[3]。

在与第一方案同场地、相近位置做试桩，采用载体桩工艺先施工载体，载体位置选在第⑥层粉砂层，载体完成后，未按传统的载体桩灌注工艺成桩，而是植入预应力混凝土管桩，形成新型载体桩。方案二中试桩桩身先是采用型号为PHC-500-AB-100管桩，设计桩长为25.0m，依据场地土层的实际分布情况，实际施工有效桩长分别为24.0m、22.0m、24.0m。其静载荷试验结果如表3所示。

由于桩身强度局限性及载体质量控制指标偏低，单桩承载力未能达到预期效果，后对施工工艺进行改进，提高三击贯入度控制指标，不大于10cm，将管桩改为PHC-500-AB-125，又在同一场地做了三根试桩，成桩完成后，对桩芯用C45混凝土进行填充，7天后进行静载荷试验，其结果如表4及图4所示。

表3 载体+预应力混凝土管桩方案试桩结果

注：5Z～7Z号试桩的桩身采用管型为PHC-500-AB-100，由于壁厚为100mm，故在最大荷载达到4275kN时，5Z和7Z号试桩的桩顶混凝土破坏。

表4 载体+预应力混凝土管桩方案改进试验结果

图4 三根试验桩的Q～S曲线

从表4及图2可见，采用载体+预应力混凝土管桩方案，以第⑥层粉砂层作为被加固对象(如图1所示的载体桩)，经过反复地进行填料夯扩，自⑥粉砂层层顶以下一定范围内，形成了一个具有一定形状、由夯击密实的填料与夯扩挤密土体及挤密影响土体组成的复合载体，该复合载体连同其下部的土体作为桩的持力层，改变了桩端的受力机理、提高了⑥粉砂层的承载形状、扩大了桩端承载面积，因此，提高了基桩的单桩竖向承载力；在填料夯扩过程中，由于对夯填密实度进行了控制，因此，也减少了基桩的沉降量及差异沉降量，保证各基桩之间承载性状的稳定性和一致性。

分析两种试验方案的结果，载体桩的单桩竖向承载力特征值是预应力管桩的1.36～1.95倍，也就一根载体桩相当于1.5～2根预应力管桩的承载力；在有效桩长仅为18m的情况下，又大幅度地减少了用桩量，由此可见，其经济优势是显著的。

3 结论

针对饱和软土地基的工程特点，大承载力载体桩技术是发展方向。它可任意按照建筑荷载(大小和分布)的不同需求，通过合理选择被加固土层、采用适宜的施工工艺和施工控制参数，来达到提高载体桩单桩承载力的目的。本试验成果验证了改进工艺下的载体桩，在饱和软土地基中能够完成大承载力的要求，并可以在地基中深部有相对硬层的场地中取代现在流行的预应力管桩，具有施工工艺简单多样、施工参数可控、施工质量稳定、各基桩之间的承载性状具有很好的稳定性和一致性的特点，且成桩过程中，桩身不受任何的损伤，无潜在质量隐患，单桩承载力高、用桩量少，节省造价。所以饱和软土地基大承载力载体桩技术具有广阔的应用前景。