载体桩作为单桩承载基础在工程中的应用

张国然

（中铁十七局集团有限公司，山西太原 030006）

0 引言

载体桩是由混凝土、夯实填充料、挤密土体3部分构成的承载体。载体桩的技术原理为侧限约束下的土体密实，即在一定深度下，通过柱锤的势能冲切土层形成孔洞，并迅速填料作为介质进行夯实，挤压土体中的水和空气，实现土体的最优密实，形成扩展基础，实现力的扩散。当作为复合地基加固处理时，桩身一般不配筋，混凝土强度不低于C25；作为单桩承载时，桩身正截面配筋率取0.20%～0.65%，混凝土强度不低于C30［1］。载体桩填充料可采用水泥砂、干硬性混凝土、碎石、砖渣等。黏性土地层中载体影响区域深度3～5 m，直径2～3 m。载体桩构成示意见图1。

图1 载体桩构成示意图

载体桩是一种在工程中应用较成熟的复合地基处理方法，尤其在房屋建筑中，因其施工成本低、加固效果好、能适应多种地质条件，应用较广泛。但其在铁路工程中应用实例较少，缺乏施工基础数据［2-4］。针对京沈客专京冀段14 标动车走行线特大桥现浇简支箱梁支架地基处理工程项目，采用科学的试验方法，得出详实的基础数据，填补了载体桩在铁路工程中应用实践的空白。

1 工艺试验

1.1 工程简介

京沈客专京冀段14 标动车走行线特大桥现浇简支箱梁共计34 孔，采用钢管贝雷梁支架结构，单桩基础容许承载力不小于1 250 kN。采用载体桩为钢管立柱基础，现浇简支箱梁支架结构示意见图2。

图2 现浇简支箱梁支架结构示意图

桥址区位于北京市朝阳区东五环，地层可划分为第四系全新统（Q4）、上更新统（Q3），地层成因类型主要为冲洪积，地下水埋深1.9～4.3 m。桥址区典型地质断面见表1。

表1 桥址区典型地质断面

1.2 试验目的及参数

根据载体桩受力原理，混凝土桩身仅为传力杆件，载体桩的承载能力取决于桩端载体的持力层及载体填料质量［5-6］。根据工程所处地区地质构成，结合设备施工能力，持力层选在承载力相对较大的粉质黏土层。

在选定持力层的情况下，填料质量是控制载体承载能力的关键因素。为了确定最优填料种类，进行2组对比试验。第1 组采用水泥级配碎石，第2 组采用水泥砂拌合物，具体试验参数如下：

（1）桩长：载体桩桩长约10.0 m（含2.0 m 载体），桩端持力层为粉质黏土层。

（2）桩径：φ=500 mm。

（3）配筋：主筋6C14，箍筋A8@200（顶部2.5 m A8@100），保护层厚度5 cm。

（4）桩身混凝土强度：C35。

（5）填料指标：第1 组（S1#—S3#桩）填充料为水泥级配碎石，m水泥∶m砂∶m碎石=300∶746∶1 077，碎石粒径5～40 mm；第2组（S4#—S6#桩）填充料为水泥砂拌合物，m水泥∶m砂=1∶2；三击贯入度均不大于10 cm。

（6）单桩承载力特征值1 250 kN，极限承载力2 500 kN。

施工机械采用ZTZ-4 型液压步履式载体桩机，柱锤直径400 mm、长度6 m、质量3.5 t；护筒直径480 mm、壁厚1 cm、长度11 m。

1.3 施工工艺流程

载体桩施工工艺流程为：平整场地→桩机就位→锤击成孔→夯填水泥砂拌合物（水泥级配碎石）→实测贯入度→夯平孔底→提出重锤→安放钢筋笼→灌注混凝土→提出护筒、振捣混凝土。

2 试验检测

2.1 桩身完整性检测

载体桩施工完成7 d 后，开挖凿除桩顶50 cm 超灌部分混凝土，采用低应变反射波法检测。经检测，6根试验桩均为Ⅰ类桩。

2.2 单桩承载力检测

2.2.1 检测方法

载体桩单桩承载力检测采用慢速维持荷载（堆载）法。采用油压千斤顶，通过反力装置，对沉压板下应力主要影响范围内的复合土层进行逐级加载和卸载，根据每级荷载对应的沉降量，绘制荷载-沉降量曲线（Q-s曲线）判定地基承载力和变形参数。

试验加载分8 级进行，最终控制荷载为2 500 kN，第1 级加载值为分级荷载的2 倍，其余每级加荷量为预估极限荷载的1/8～1/10。

2.2.2 终止加载条件

当出现下列情况之一时，终止加载：

（1）某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前1级荷载作用下沉降量的5倍，且总沉降大于60 mm；

（2）某级荷载作用下，桩的沉降量大于前1级荷载作用下沉降量的2倍，且经24 h尚未达到相对稳定；

（3） 达到设计要求的最大加载量（极限荷载2 500 kN）。

2.2.3 检测结果

临时支架基础载体桩静荷载试验Q-s 曲线见图3。由图3（a）可知，S1#—S3#桩Q-s 曲线平稳，各级沉降均匀，在最大加载力2 500 kN 作用下，桩顶最大沉降量为35.8 mm，卸载回弹曲线也平稳，最大残余位移量为24.3 mm；由图3（b）可知，S4#—S6#桩Q-s 曲线出现陡降现象，在加载力1 200～1 600 kN作用下，桩顶急剧沉降，达到终止加载条件，单桩承载力试验不合格。

2.3 检测结果分析

2.3.1 桩身强度

在加载前对S4#—S6#桩进行桩身完整性检测（见图4）。可见，加载前S4#—S6#桩桩身完整。

当加载至5～6级时，各桩均出现陡降现象，可能原因为桩身结构破坏或载体承载能力不足。在现场对S4#—S6#桩进行开挖检查，并进行第2 次桩身完整性检测。检测结果表明，S4#—S6#桩桩头及桩身无结构性破坏，结合S1#—S3#桩试验结果，判定桩身C35 混凝土强度满足设计承载力要求，S4#—S6#桩沉降原因为载体承载力不足。

2.3.2 持力层

在施工过程中，S1#—S6#桩三击贯入度均满足小于10 cm 的技术指标，确定在该工艺下，可选定粉质黏土层加固土体。S1#—S3#桩卸载回弹曲线，反映了粉质黏土层回弹力较低的特征。

图3 临时支架基础载体桩静荷载试验Q-s曲线

图4 加载前S4#—S6#桩桩身完整性检测波形

导致载体承载力不足的原因如下：

（1）填充料固结强度低，加载过程中桩端应力过大，致使载体破坏变形，桩身沉入载体；

（2）水泥砂内摩擦角小，填料锤击过程中对持力层扰动过大，造成剪切破坏，承载能力降低。

2.3.3 填料种类

水泥级配碎石相比于水泥砂，颗粒粒径更大，在填料锤击过程中，增大与桩底土体的有效接触面积，当重复提锤、夯击动作时，减小对下层土体的扰动。高固结强度，保证承载体具有更大的等效截面面积。2组对比试验表明，采用水泥级配碎石填充料时载体整体承载能力远高于水泥砂填料，且满足单桩承载力不小于1 250 kN、极限承载力不小于2 500 kN的要求。

3 载体桩施工优缺点和经济效益分析

3.1 优缺点

在支架基础方案比选时，综合对比钢筋混凝土扩大基础（碎石、砖渣换填）、钢管桩、钻孔桩、渣土桩和载体桩方案。经过分析，钻孔桩和载体桩在方案可行性、施工组织可操作性、经济效益等方面较合理，现仅列举此2 种方案。载体桩与钻孔桩优缺点对比见表2。

表2 载体桩与钻孔桩优缺点对比

3.2 经济效益

载体桩因其桩长短、工效高、配套工艺简单的特点，在不考虑缩短工期产生的经济效益情况下，相比于钻孔桩，在本项目施工中直接降低成本达51.9%。

4 结论与建议

目前项目载体桩已施工完成70 根，施工质量全部合格，后续支架预压时桩顶最大沉降量仅2 mm，载体桩施工取得较好的技术经济效益，具有在同类工程中推广应用的价值。但是，受施工条件限制，对载体桩的试验与探索尚不全面，需在后期施工中不断总结完善，建议如下：

（1）根据载体桩的受力特点，持力层承载力越高、可加固性越强，桩承载能力越大。当持力层为砂或砾石时，对应填料种类是否可以进一步优化。

（2）地下水对载体桩的影响程度尚不能完全判定。在工程实施中，主要影响为成桩后至混凝土灌注前，少量泥浆由护筒底渗入到孔内，存在泥浆裹附在桩底混凝土内、导致桩身缺陷的隐患。采取措施为夯击填充料前，先夯入部分砖渣封底，切断地下水渗流路径，实施效果表明，灌注完成后桩顶仍有偶发性的泥浆出现，需要在后续施工中进行改进。

（3）地质条件较差（如湿陷性黄土、地震液化层等）时，载体桩应用有待深入探讨。