复合载体夯扩桩承载性状分析

付新照　崔昊　张厚琦

（1.安阳化学工业集团有限公司，河南安阳　455133；2.郑州大学土木工程学院，河南郑州　450001；3.河南正弘置业有限公司，河南郑州　450001）

复合载体夯扩桩承载性状分析

付新照1崔昊2张厚琦3

（1.安阳化学工业集团有限公司，河南安阳455133；2.郑州大学土木工程学院，河南郑州450001；3.河南正弘置业有限公司，河南郑州450001）

根据复合载体夯扩桩承载力及沉降计算理论，针对具体工程实例中的桩基检测试验对该桩型的承载及沉降特性进行分析，认为桩端载体的存在使得相同条件下复合载体夯扩桩的承载力提高了50%～200%，且桩端土体的不同对该桩型的沉降影响很大。之后采用ABAQUS有限元软件对单桩的承载力进行模拟计算分析，并与现场试验结果进行对比，证明了模型的可行性，在桩长较短的情况下可以将侧摩阻力作为承载力设计的安全储备。

复合载体夯扩桩；承载性状；沉降；试验研究；数值分析

复合载体夯扩桩是随着夯扩桩的广泛应用而逐步发展起来的一种桩型，其发展经历了3个阶段，第一个阶段是沉管扩底灌注桩阶段，第二个阶段是等能量等变形夯扩挤密桩和夯扩超短异型桩阶段，第三个阶段就是复合载体夯扩桩阶段［1］。复合载体夯扩桩先采用细长锤夯击成孔，然后将护筒沉到设计标高，再用细长锤夯击护筒到一定深度，最后分批向孔内投入填充料和干硬性混凝土，反复夯实、挤密，在桩端形成载体后放置钢筋笼，灌注混凝土、成桩［2-4］。该工艺通过外加填料和夯击对深层土体挤密形成载体，其核心是基于深层土体的密实理论，有效地回避了位于浅层的软弱松散土体，直接对深层压缩性很高的土体进行施工作业。

传统桩基的承载力是由桩侧摩阻力和桩端阻力构成的，提高桩基的承载能力主要有增大桩身截面面积、增加桩长、将桩底置于坚固土层等方法。复合载体夯扩桩主要是通过增加桩底有效承载面积以及提高桩端土体强度来达到承载力和沉降要求。其施工中最重要的环节即为成孔后用细长锤夯击加固土体，再分别加入填充料、干硬混凝土等依次夯击并成型为类似于多级扩展基础的复合载体以增加下部持力层的承载能力。当上部荷载作用在桩顶时，通过桩身传递到复合载体，并最终将荷载扩散到扩展基础底部的持力土层。桩身可以等效为传力的杆件，复合载体等效为传递荷载的载体基础。

本文通过对实际工程项目中的复合载体夯扩桩抽取有代表性的进行单桩竖向静载荷试验，对该桩型的承载及沉降特性进行分析，得出以下结论：由于桩端载体的存在使得相同条件下复合载体夯扩桩的承载能力比一般灌注桩提高50%～200%，具有很好的经济技术效益；桩端土体的不同对于该桩型的沉降有很大影响。随后本文从实际工程出发，采用ABAQUS有限元软件对单桩的承载力进行模拟计算分析，并与现场试验结果进行对比，验证了复合载体夯扩桩的桩端承载特性，在设计复合载体夯扩桩短桩型承载力时可忽略侧摩阻力，桩长大于10m时建议将侧摩阻力折减纳入承载力计算中。

1　复合载体夯扩桩承载及沉降计算理论

1.1复合载体夯扩桩承载力计算方法

《载体桩设计规程》（JGJ135-2007）［5］中，单桩竖向承载力特征值按下述经验公式估算：

式（1）中，fa为经深度修正后的载体桩持力层地基承载力特征值；Ae为载体等效计算面积（m2）。

复合载体夯扩桩在计算单桩承载力时，桩侧摩阻力一般不予计算和考虑，仅在桩长超过10m时，才考虑桩侧摩阻力的影响［6］。fa是经深度修正后的载体桩持力层地基承载力特征值，即等效扩展基础下地基土承载力特征值。对于地基土承载力的修正深度，并非是桩长本身的修正，而是建筑物基底埋深与桩长深度之和，承载力深度修正计算为：

式（2）中：ηd为地基承载力深度修正系数，按基底下土的类别查规范（GB50007-2002）选用，对不同的土类别和工程性质，ηd取值范围为1.0～4.4；γm为载体基础计算深度以上地基土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；d为等效基础埋置深度。

1.2复合载体夯扩桩沉降计算方法

《载体桩设计规程》（JGJ135-2007）［5］对沉降计算方法采用等代实体基础并以单向压缩分层总和法进行计算，沉降计算位置从混凝土桩身下2m开始计算，等代实体面积为载体外边缘投影面积，边长可近似取承台下外围桩投影形成矩形的边长加2倍的ΔR，附加压力近似取混凝土桩身下处附加压力。

规范中的载体桩基沉降计算公式为：

式（3）中，s为桩基最终沉降量；ψp为沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定；¯p0为对应荷载效应准永久组合时压缩土层顶部的附加压力；n为桩基沉降计算范围内所划分的土层数；zi，zi-1为载体桩沉降计算面至第i层土、第i-1层土底面的距离；ai，ai-1为载体桩基础底面或沉降计算面计算点至第i层、第i-1层土底面深度范围内平均附加应力系数；Esi为桩基沉降计算范围内第i层土的压缩模量，取土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算。

载体桩的沉降计算深度处的附加应力与土自重应力，应符合下式要求：

式（4）中，σc为zn深度的附加应力。

2　复合载体夯扩桩现场试验研究

2.1单桩竖向抗压静载荷检测试验

工程为河南省某公司生产基地项目，本工程桩总根数共计487根，载体设计直径为1 000mm，施工前试打5根桩，并对这5根桩进行单桩静载荷试验，以确定是否满足设计单桩承载力要求。本次试验中采用的是慢速维持荷载法，压重平台反力装置，单桩静载荷试验中加载荷载为3 600kN，分10级加载，每级加载360kN，首次加载720kN，卸载每次卸载2个级别，即720kN。在试验加载过程中，需随时读取分步加载沉降大小及总沉降大小，当出现以下情况时需终止加载：在加载到某一级别时，所测得的沉降位移值大于等于上一步荷载级别的沉降值的5倍，且总沉降量超过60mm；在加载某一级荷载时，桩顶沉降经过24h一直没有稳定，且沉降量是前一级荷载下沉降量的2倍以上；加载的荷载达到设计最大加载级别；曲线非线性缓慢变化且最终沉降量达到60mm。

在检测中确定单桩竖向极限承载力的方法主要为位移控制的原则，当Q-s曲线或者s-lgt曲线明显下滑，显示破坏状况时，取其前一级荷载值为极限承载力；曲线非线性缓慢变化时，当沉降量达到60mm时所对应的荷载值取为极限承载力［7］。当计算承载力特征值Ra时，取安全系数为2，极限承载力除以安全系数即为Ra。

2.2静载荷试验结果分析

在本次试验研究中共抽检进行静载荷试验桩根数为21根，分布于场地中四大不同区域，除去极限加载的5根桩以及试验中数据差异较大的4组，另外12根试验桩加载到最大荷载均未达到破坏，且Q-s曲线无明显的拐点和陡降段，为一条完整连续的平缓、匀滑曲线。极限加载试验中的单桩荷载-沉降（Q-s）曲线、s-lgt关系曲线见图1。

分析试验结果可知：在荷载3 600kN时沉降为47.29mm，说明桩承载力特征值Ra≥1 800kN，符合要求。持续加载之后，按s=60mm确定极限荷载为3 812kN，当s超过60mm之后可认为已经达到破坏或失效状态，但slgt曲线中并未有瞬变阶段。这种情况可认为桩端持力层是强度与密实度都较高的土层，桩周土层为相对软弱的土层，这时桩端阻力所占比例很大，极限荷载下桩端成整体或局部剪切破坏。

图1　S1#试桩结果（整体或局部剪切破坏）

2.3土层条件影响下沉降对比分析

工程试验中所有桩型及桩长都相同，只有各桩土层分布厚度、加固土层及桩端持力层有差异，本文主要根据试验条件分析土层条件影响下复合载体夯扩桩的沉降特性，为其承载机理找出试验依据［8］。分别选取各试验区域中较有代表性的试桩各1根，总数4根作对比分析，其荷载-沉降对比曲线如图2所示。

图2　试验Q-s对比曲线

在4组试验中，荷载小于1 800kN时，沉降差距很微小，但随着荷载的增大，持力土层与加固土层发挥作用的程度开始显现差别，以致沉降差异变大。75#与39#桩的沉降量为38.92、26.88mm，明显要高于1#与322#桩。根据上述沉降对比性质，可看出在工程设计中，场地土层条件不会一成不变，一般桩型对于侧摩阻力的依赖较大，故设计时只要选定桩长，其设计承载力值一般相差不大；但对于复合载体夯扩桩来说，一定要根据桩长综合考虑桩基所在持力土层的最薄弱承载力来进行设计施工，以免造成承载力不足等不利影响。

3　复合载体夯扩桩数值模拟分析

3.1有限单元法模型建立过程

本文中模拟的为单桩静载荷试验，采用二维轴对称模型。其中，桩长7.0m，桩径500mm，土体半径为20m，即80倍的桩横截面半径，以保证变形充分；复合载体半径设为1 000mm；将土分为5层，土体厚度为20m，具体各土层分层厚度按照实际试桩地质条件确定；水泥浆与桩长等长度，厚度为30mm；桩体、水泥浆层和土体选取四边形单元，为精确计算，网格划分选用结构化网格划分技术，桩体与水泥浆单元类型选取CAX4（四结点双线性轴对称四边形单元），土体选取CAX4R（减缩积分的四结点双线性轴对称四边形单元），由于复合载体形状的复杂性，其单元类型选取CAX3（三结点线性轴对称三角形单元）。

在土体的本构模型选择中，使用摩尔-库仑模型计算，桩体及水泥浆看做弹性体，土体是弹塑性体，桩身为C30混凝土实心预制桩，模型材料参数如表1所示。

在模拟时首先加载100kN模拟预压情况，撤销后再按试验步骤正式加载，第一步加载两级为720kN，然后每加载一级360kN，直至加载至3 600kN，随后开始卸载，每次卸载2个级别720kN，直至荷载为0。

3.2桩侧摩阻力分析

为分析复合载体夯扩桩的承载性状，现提取4根模拟试验桩的侧摩阻力在不同阶段随深度变化的曲线做出图3以便分析。对于曲线规律分析可以得出：在桩身上部由于桩侧土体受扰动程度较小，故上部桩侧摩阻力随深度大致呈线性增大，下部土体由于夯击能量作用以及土体挤密运动等会使受力变得复杂，故侧摩阻力变化较大；一般桩基达到最大侧摩阻力时是在桩身中上部，而对于复合载体夯扩桩来说，由于桩身下部靠近载体的土体也受到不同程度的挤密作用，所以其侧摩阻力值也在靠近桩底1m左右达到最大值；在不同土层接触面处侧摩阻力有变化，这是由土层性质决定的，但差值并不大，说明土层变化并不是主要影响因素；研究曲线可以发现在桩端部侧摩阻力急剧减小，这是因为载体的体积及形状不规则，故在加载到一定级别时，随着沉降的发生桩侧与载体结合处会与土稍微脱离产生“陷空面”，桩土有些许的分离而导致侧摩阻力发挥度迅速减小［9］；桩侧摩阻力的最大值都在35～40kPa，可知相对于3 600kN的荷载是很小的，不足以提供过多承载力，也验证了复合载体夯扩桩的桩端承载特性。

图3　试验桩模拟侧摩阻力随深度变化值

3.3桩身轴力分析

在提取4组模拟试验桩的桩身轴力时发现其大小相差只有1%，且发展规律相同，所以选取1#桩身轴力曲线做代表对其承载力特点进行分析，曲线如图4所示。

图4　模拟桩身各阶段轴力沿深度变化曲线

从模拟结果可分析出：在加载720kN的较小荷载时，荷载主要由桩端部载体与土体承受，桩身轴力呈线性缓慢减小，桩底轴力为531kN，反算侧摩阻力总大小为189kN，所占荷载比例约为26.3%；当荷载增加时，可看出桩身1～6m的曲线变化趋势相同，主要变化为桩顶与桩端数值差异较大，其原因可能是在沉降变大之后桩顶挤土导致桩顶应力分散，轴力下降比较快，而桩底由于载体的承载机理及挤土效应造成应力分散，轴力迅速变小；由桩底轴向力反算出各级荷载下总的桩侧摩阻力占总承载力百分比得，720、1 440、2 160、2 880 kN和3 600 kN时为26.3%、22.2%、17.3%、15.0%和13.9%。由此可以看出，随着荷载的增加，桩侧摩阻力所占的比例是不断减小的，最终其比例小于15%，说明在设计复合载体夯扩桩承载力时可以忽略侧摩阻力，将其作为安全储备。

经过对模拟试验桩的侧摩阻力、桩身轴力的分析，在说明复合载体夯扩桩的承载机理及沉降特性的同时，更进一步证明了模型的可靠性，可以作为工程指导运用。

4　结语

本文主要研究了复合载体夯扩桩这一工程应用桩型，首先对其研究现状、承载及设计理论进行简要阐述，并分析其工程应用优势所在，然后根据现场桩基检测与静载试验详细分析破坏理论与承载、沉降特性，最后对静载试验桩进行有限元模拟以证明模型的可靠性。通过试验数据分析复合载体夯扩桩极限承载破坏情况，可得出其承载能力相较于一般桩型有很大的提高，其破坏一般均为超过最大沉降值形成的整体破坏，承载性状优势明显。通过单桩静载荷试验可以得出复合载体夯扩桩对于侧摩阻力的依赖性较小，主要靠桩端阻力来提供其承载能力，所以相对于加固土层来说，持力土层的特性是影响其沉降的主要因素［10，11］。经对试验桩的模拟与试验进行对比，可证明建立模型的可靠性，并分析验证了复合载体夯扩桩的桩端承载特性，在设计复合载体夯扩桩短型桩承载力时可以忽略侧摩阻力，将其作为安全储备。

［1］桩基工程手册编委会.桩基工程手册［M］.北京：中国建材工业出版社，1995.

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Analysis on Bearing Properties of Ram Compactionpiles

Fu Xinzhao1Cui Hao2Zhang Houqi3
（1.Anyang Chemical Industry Group Co.Ltd.，Anyang Henan 455133；2.School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001；3.Henan Zhenghong Property Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450001）

According to the theory of bearing capacity and settlement calculation of composite carrier pile，the bear⁃ing and settlement characteristics of pile foundation were analyzed according to the test of pile foundation in concrete engineering cases，which made the carrier pile bearing capacity under the same conditions ram compactionpiles in⁃creased by 50%～200%，and the settlement of the pile was influenced greatly by the difference of the pile end soil. Then，bearing capacity and behaviour of a single pile was analysed using the finite element software ABAQUS，the analysis were compared with the field test results.It was proved that the model was feasible，under the condition of short pile length，the side frictional resistance could be used as the safety reserve of the bearing capacity design.

ram compactionpiles；bearing capacity；settlement；experimental study；numerical analysis

TU472.3

A

1003-5168（2016）08-0095-05

2016-07-23

付新照（1987-），男，本科，助理工程师，主任工程师，研究方向：建筑施工和地下工程。