復合載體夯擴樁承載性狀分析

付新照　崔昊　張厚琦

（1.安陽化學工業集團有限公司，河南安陽　455133；2.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州　450001；3.河南正弘置業有限公司，河南鄭州　450001）

復合載體夯擴樁承載性狀分析

付新照1崔昊2張厚琦3

（1.安陽化學工業集團有限公司，河南安陽455133；2.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450001；3.河南正弘置業有限公司，河南鄭州450001）

根據復合載體夯擴樁承載力及沉降計算理論，針對具體工程實例中的樁基檢測試驗對該樁型的承載及沉降特性進行分析，認為樁端載體的存在使得相同條件下復合載體夯擴樁的承載力提高了50%～200%，且樁端土體的不同對該樁型的沉降影響很大。之后采用ABAQUS有限元軟件對單樁的承載力進行模擬計算分析，并與現場試驗結果進行對比，證明了模型的可行性，在樁長較短的情況下可以將側摩阻力作為承載力設計的安全儲備。

復合載體夯擴樁；承載性狀；沉降；試驗研究；數值分析

復合載體夯擴樁是隨著夯擴樁的廣泛應用而逐步發展起來的一種樁型，其發展經歷了3個階段，第一個階段是沉管擴底灌注樁階段，第二個階段是等能量等變形夯擴擠密樁和夯擴超短異型樁階段，第三個階段就是復合載體夯擴樁階段［1］。復合載體夯擴樁先采用細長錘夯擊成孔，然后將護筒沉到設計標高，再用細長錘夯擊護筒到一定深度，最后分批向孔內投入填充料和干硬性混凝土，反復夯實、擠密，在樁端形成載體后放置鋼筋籠，灌注混凝土、成樁［2-4］。該工藝通過外加填料和夯擊對深層土體擠密形成載體，其核心是基于深層土體的密實理論，有效地回避了位于淺層的軟弱松散土體，直接對深層壓縮性很高的土體進行施工作業。

傳統樁基的承載力是由樁側摩阻力和樁端阻力構成的，提高樁基的承載能力主要有增大樁身截面面積、增加樁長、將樁底置于堅固土層等方法。復合載體夯擴樁主要是通過增加樁底有效承載面積以及提高樁端土體強度來達到承載力和沉降要求。其施工中最重要的環節即為成孔后用細長錘夯擊加固土體，再分別加入填充料、干硬混凝土等依次夯擊并成型為類似于多級擴展基礎的復合載體以增加下部持力層的承載能力。當上部荷載作用在樁頂時，通過樁身傳遞到復合載體，并最終將荷載擴散到擴展基礎底部的持力土層。樁身可以等效為傳力的桿件，復合載體等效為傳遞荷載的載體基礎。

本文通過對實際工程項目中的復合載體夯擴樁抽取有代表性的進行單樁豎向靜載荷試驗，對該樁型的承載及沉降特性進行分析，得出以下結論：由于樁端載體的存在使得相同條件下復合載體夯擴樁的承載能力比一般灌注樁提高50%～200%，具有很好的經濟技術效益；樁端土體的不同對于該樁型的沉降有很大影響。隨后本文從實際工程出發，采用ABAQUS有限元軟件對單樁的承載力進行模擬計算分析，并與現場試驗結果進行對比，驗證了復合載體夯擴樁的樁端承載特性，在設計復合載體夯擴樁短樁型承載力時可忽略側摩阻力，樁長大于10m時建議將側摩阻力折減納入承載力計算中。

1　復合載體夯擴樁承載及沉降計算理論

1.1復合載體夯擴樁承載力計算方法

《載體樁設計規程》（JGJ135-2007）［5］中，單樁豎向承載力特征值按下述經驗公式估算：

式（1）中，fa為經深度修正后的載體樁持力層地基承載力特征值；Ae為載體等效計算面積（m2）。

復合載體夯擴樁在計算單樁承載力時，樁側摩阻力一般不予計算和考慮，僅在樁長超過10m時，才考慮樁側摩阻力的影響［6］。fa是經深度修正后的載體樁持力層地基承載力特征值，即等效擴展基礎下地基土承載力特征值。對于地基土承載力的修正深度，并非是樁長本身的修正，而是建筑物基底埋深與樁長深度之和，承載力深度修正計算為：

式（2）中：ηd為地基承載力深度修正系數，按基底下土的類別查規范（GB50007-2002）選用，對不同的土類別和工程性質，ηd取值范圍為1.0～4.4；γm為載體基礎計算深度以上地基土的加權平均重度，地下水位以下取浮重度；d為等效基礎埋置深度。

1.2復合載體夯擴樁沉降計算方法

《載體樁設計規程》（JGJ135-2007）［5］對沉降計算方法采用等代實體基礎并以單向壓縮分層總和法進行計算，沉降計算位置從混凝土樁身下2m開始計算，等代實體面積為載體外邊緣投影面積，邊長可近似取承臺下外圍樁投影形成矩形的邊長加2倍的ΔR，附加壓力近似取混凝土樁身下處附加壓力。

規范中的載體樁基沉降計算公式為：

式（3）中，s為樁基最終沉降量；ψp為沉降計算經驗系數，根據地區沉降觀測資料及經驗確定；ˉp0為對應荷載效應準永久組合時壓縮土層頂部的附加壓力；n為樁基沉降計算范圍內所劃分的土層數；zi，zi-1為載體樁沉降計算面至第i層土、第i-1層土底面的距離；ai，ai-1為載體樁基礎底面或沉降計算面計算點至第i層、第i-1層土底面深度范圍內平均附加應力系數；Esi為樁基沉降計算范圍內第i層土的壓縮模量，取土的自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段計算。

載體樁的沉降計算深度處的附加應力與土自重應力，應符合下式要求：

式（4）中，σc為zn深度的附加應力。

2　復合載體夯擴樁現場試驗研究

2.1單樁豎向抗壓靜載荷檢測試驗

工程為河南省某公司生產基地項目，本工程樁總根數共計487根，載體設計直徑為1 000mm，施工前試打5根樁，并對這5根樁進行單樁靜載荷試驗，以確定是否滿足設計單樁承載力要求。本次試驗中采用的是慢速維持荷載法，壓重平臺反力裝置，單樁靜載荷試驗中加載荷載為3 600kN，分10級加載，每級加載360kN，首次加載720kN，卸載每次卸載2個級別，即720kN。在試驗加載過程中，需隨時讀取分步加載沉降大小及總沉降大小，當出現以下情況時需終止加載：在加載到某一級別時，所測得的沉降位移值大于等于上一步荷載級別的沉降值的5倍，且總沉降量超過60mm；在加載某一級荷載時，樁頂沉降經過24h一直沒有穩定，且沉降量是前一級荷載下沉降量的2倍以上；加載的荷載達到設計最大加載級別；曲線非線性緩慢變化且最終沉降量達到60mm。

在檢測中確定單樁豎向極限承載力的方法主要為位移控制的原則，當Q-s曲線或者s-lgt曲線明顯下滑，顯示破壞狀況時，取其前一級荷載值為極限承載力；曲線非線性緩慢變化時，當沉降量達到60mm時所對應的荷載值取為極限承載力［7］。當計算承載力特征值Ra時，取安全系數為2，極限承載力除以安全系數即為Ra。

2.2靜載荷試驗結果分析

在本次試驗研究中共抽檢進行靜載荷試驗樁根數為21根，分布于場地中四大不同區域，除去極限加載的5根樁以及試驗中數據差異較大的4組，另外12根試驗樁加載到最大荷載均未達到破壞，且Q-s曲線無明顯的拐點和陡降段，為一條完整連續的平緩、勻滑曲線。極限加載試驗中的單樁荷載-沉降（Q-s）曲線、s-lgt關系曲線見圖1。

分析試驗結果可知：在荷載3 600kN時沉降為47.29mm，說明樁承載力特征值Ra≥1 800kN，符合要求。持續加載之后，按s=60mm確定極限荷載為3 812kN，當s超過60mm之后可認為已經達到破壞或失效狀態，但slgt曲線中并未有瞬變階段。這種情況可認為樁端持力層是強度與密實度都較高的土層，樁周土層為相對軟弱的土層，這時樁端阻力所占比例很大，極限荷載下樁端成整體或局部剪切破壞。

圖1　S1#試樁結果（整體或局部剪切破壞）

2.3土層條件影響下沉降對比分析

工程試驗中所有樁型及樁長都相同，只有各樁土層分布厚度、加固土層及樁端持力層有差異，本文主要根據試驗條件分析土層條件影響下復合載體夯擴樁的沉降特性，為其承載機理找出試驗依據［8］。分別選取各試驗區域中較有代表性的試樁各1根，總數4根作對比分析，其荷載-沉降對比曲線如圖2所示。

圖2　試驗Q-s對比曲線

在4組試驗中，荷載小于1 800kN時，沉降差距很微小，但隨著荷載的增大，持力土層與加固土層發揮作用的程度開始顯現差別，以致沉降差異變大。75#與39#樁的沉降量為38.92、26.88mm，明顯要高于1#與322#樁。根據上述沉降對比性質，可看出在工程設計中，場地土層條件不會一成不變，一般樁型對于側摩阻力的依賴較大，故設計時只要選定樁長，其設計承載力值一般相差不大；但對于復合載體夯擴樁來說，一定要根據樁長綜合考慮樁基所在持力土層的最薄弱承載力來進行設計施工，以免造成承載力不足等不利影響。

3　復合載體夯擴樁數值模擬分析

3.1有限單元法模型建立過程

本文中模擬的為單樁靜載荷試驗，采用二維軸對稱模型。其中，樁長7.0m，樁徑500mm，土體半徑為20m，即80倍的樁橫截面半徑，以保證變形充分；復合載體半徑設為1 000mm；將土分為5層，土體厚度為20m，具體各土層分層厚度按照實際試樁地質條件確定；水泥漿與樁長等長度，厚度為30mm；樁體、水泥漿層和土體選取四邊形單元，為精確計算，網格劃分選用結構化網格劃分技術，樁體與水泥漿單元類型選取CAX4（四結點雙線性軸對稱四邊形單元），土體選取CAX4R（減縮積分的四結點雙線性軸對稱四邊形單元），由于復合載體形狀的復雜性，其單元類型選取CAX3（三結點線性軸對稱三角形單元）。

在土體的本構模型選擇中，使用摩爾-庫侖模型計算，樁體及水泥漿看做彈性體，土體是彈塑性體，樁身為C30混凝土實心預制樁，模型材料參數如表1所示。

在模擬時首先加載100kN模擬預壓情況，撤銷后再按試驗步驟正式加載，第一步加載兩級為720kN，然后每加載一級360kN，直至加載至3 600kN，隨后開始卸載，每次卸載2個級別720kN，直至荷載為0。

3.2樁側摩阻力分析

為分析復合載體夯擴樁的承載性狀，現提取4根模擬試驗樁的側摩阻力在不同階段隨深度變化的曲線做出圖3以便分析。對于曲線規律分析可以得出：在樁身上部由于樁側土體受擾動程度較小，故上部樁側摩阻力隨深度大致呈線性增大，下部土體由于夯擊能量作用以及土體擠密運動等會使受力變得復雜，故側摩阻力變化較大；一般樁基達到最大側摩阻力時是在樁身中上部，而對于復合載體夯擴樁來說，由于樁身下部靠近載體的土體也受到不同程度的擠密作用，所以其側摩阻力值也在靠近樁底1m左右達到最大值；在不同土層接觸面處側摩阻力有變化，這是由土層性質決定的，但差值并不大，說明土層變化并不是主要影響因素；研究曲線可以發現在樁端部側摩阻力急劇減小，這是因為載體的體積及形狀不規則，故在加載到一定級別時，隨著沉降的發生樁側與載體結合處會與土稍微脫離產生“陷空面”，樁土有些許的分離而導致側摩阻力發揮度迅速減?。?］；樁側摩阻力的最大值都在35～40kPa，可知相對于3 600kN的荷載是很小的，不足以提供過多承載力，也驗證了復合載體夯擴樁的樁端承載特性。

圖3　試驗樁模擬側摩阻力隨深度變化值

3.3樁身軸力分析

在提取4組模擬試驗樁的樁身軸力時發現其大小相差只有1%，且發展規律相同，所以選取1#樁身軸力曲線做代表對其承載力特點進行分析，曲線如圖4所示。

圖4　模擬樁身各階段軸力沿深度變化曲線

從模擬結果可分析出：在加載720kN的較小荷載時，荷載主要由樁端部載體與土體承受，樁身軸力呈線性緩慢減小，樁底軸力為531kN，反算側摩阻力總大小為189kN，所占荷載比例約為26.3%；當荷載增加時，可看出樁身1～6m的曲線變化趨勢相同，主要變化為樁頂與樁端數值差異較大，其原因可能是在沉降變大之后樁頂擠土導致樁頂應力分散，軸力下降比較快，而樁底由于載體的承載機理及擠土效應造成應力分散，軸力迅速變??；由樁底軸向力反算出各級荷載下總的樁側摩阻力占總承載力百分比得，720、1 440、2 160、2 880 kN和3 600 kN時為26.3%、22.2%、17.3%、15.0%和13.9%。由此可以看出，隨著荷載的增加，樁側摩阻力所占的比例是不斷減小的，最終其比例小于15%，說明在設計復合載體夯擴樁承載力時可以忽略側摩阻力，將其作為安全儲備。

經過對模擬試驗樁的側摩阻力、樁身軸力的分析，在說明復合載體夯擴樁的承載機理及沉降特性的同時，更進一步證明了模型的可靠性，可以作為工程指導運用。

4　結語

本文主要研究了復合載體夯擴樁這一工程應用樁型，首先對其研究現狀、承載及設計理論進行簡要闡述，并分析其工程應用優勢所在，然后根據現場樁基檢測與靜載試驗詳細分析破壞理論與承載、沉降特性，最后對靜載試驗樁進行有限元模擬以證明模型的可靠性。通過試驗數據分析復合載體夯擴樁極限承載破壞情況，可得出其承載能力相較于一般樁型有很大的提高，其破壞一般均為超過最大沉降值形成的整體破壞，承載性狀優勢明顯。通過單樁靜載荷試驗可以得出復合載體夯擴樁對于側摩阻力的依賴性較小，主要靠樁端阻力來提供其承載能力，所以相對于加固土層來說，持力土層的特性是影響其沉降的主要因素［10，11］。經對試驗樁的模擬與試驗進行對比，可證明建立模型的可靠性，并分析驗證了復合載體夯擴樁的樁端承載特性，在設計復合載體夯擴樁短型樁承載力時可以忽略側摩阻力，將其作為安全儲備。

［1］樁基工程手冊編委會.樁基工程手冊［M］.北京：中國建材工業出版社，1995.

［2］劉金礪.樁基工程技術［M］.北京：中國建材工業出版社，1996.

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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，助理工程師，主任工程師，研究方向：建筑施工和地下工程。