載體樁承載特性及其影響因素分析

劉 林 錢申春

(1.江蘇省鎮江市路橋工程總公司，江蘇鎮江 212017;2.安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽合肥 230031)

0 引言

載體樁又被稱為復合載體夯擴樁［1-4］，是在沉管擴底灌注樁和夯擴樁階段基礎上，由北京波森特巖土工程公司提出的一種新型樁。載體樁設計規程中將載體樁定義為由混凝土樁身和載體共同構成的樁，施工時采用柱錘夯擊，護筒跟進成孔，達到預定樁底標高后，柱錘夯出護筒一定長度，然后分若干次向護筒內加入填充料，用柱錘反復夯實，達到一定要求后再投入干硬性混凝土，并夯實形成載體，最后澆筑混凝土樁身。

載體樁通常由兩部分組成，一部分是樁身混凝土或樁身鋼筋混凝土(混凝土強度等級一般不低于C25)，另一部分是樁身底部的載體。其中樁身底部的載體可由干硬性混凝土、夯實的填充料(一般由碎石、碎磚塊、碎混凝土塊、礦渣等組成)、擠密土體三部分組成。從變形和受力角度考慮，載體從里到外各填充材料的壓縮模量、強度常常是逐漸降低的，從而確保樁端底部的應力可以逐漸擴散。載體的形狀主要取決于載體外側土體的密實度、載體底部土體的密實度、載體距離持力層的距離、夯擊能的大小等因素，通常可近似為圓弧形(高度與寬度近似相等)、長圓弧形(高度大于寬度)、扁圓弧形(高度小于寬度)等。

為揭示載體樁設計參數變化對樁體承載能力的影響情況，本文以工程實際為支撐，從載體尺寸、樁徑尺寸、碎石土密實度、素混凝土強度等方面對樁體的承載能力特性進行分析研究。

1 有限元模型建立

根據屯溪濱江壹號小區建筑場地載體樁的設計資料、工程勘察資料以及現場載荷試驗成果，建立了有限元反分析模型，如圖1所示。

根據屯溪濱江壹號建筑場地的實際情況，確定項目建設區域的地質土層主要包括砂質粉土、砂質粘土、強風化粉砂巖，計算土層的物理力學指標參見表1。

表1 土層主要物理力學指標匯總表

通過反分析，確定載體樁各區域的物理力學指標和形狀指標參見表2，表3。

表2 載體樁及樁間土物理力學參數匯總表

2 樁底部載體尺寸變化對載體樁承載力影響

表3 載體樁形狀參數表 m

以上述反分析模型為基礎，在保證端頭各區域橫、豎比例不變的前提下，對素混凝土區域體積減小20%、體積減小10%、體積不變、體積增大10%、體積增大20%、體積增大30%后樁體的變形情況進行仿真模擬，其模擬計算結果見圖2。

由圖2可以看出，當外部荷載較小時，隨著荷載的增加不同樁頭尺寸的復合地基承載能力差異不大，可認為樁體處于彈性狀態;當外加荷載超過1 100 kPa時，在相同變形情況下，載體尺寸越大，承載能力越高;隨著樁部載體尺寸不斷減小，p—s曲線明顯變緩，載體樁的極限承載力對應的p—s曲線拐點越不明顯;當載體尺寸由增大10%變為增大20%時，樁體復合地基的承載能力明顯增加，極限承載力隨之增大。

圖1 載體樁有限元模擬示意圖

圖2 不同樁部載體尺寸下載體樁的p—s曲線圖

3 上部樁徑尺寸變化對載體樁承載能力影響

利用反分析模型，對樁體直徑減小20%、直徑減小10%、直徑不變、直徑增大10%、直徑增大20%、直徑增大30%后樁體的承載能力變化情況進行仿真模擬，其模擬計算結果參見圖3。

圖3 不同樁徑尺寸下載體樁的p—s曲線圖

由圖3可以看出，當外部荷載較小時，隨著荷載的增加，不同樁徑尺寸的復合地基承載能力差異不大，可認為樁體處于彈性狀態;當荷載逐級施加到1 760 kPa時，不同樁徑尺寸下的變形速率均有一定程度的增加，樁徑大的載體樁承載能力降低尤其明顯，且變形隨荷載變化趨勢近似于一條直線;若減小樁徑，會顯著降低傳遞到下部均質土中的自重應力，從而導致傳遞到地基深部的附加應力值較小，使地基變形降低。

4 素混凝土強度參數變化對載體樁承載能力影響

為揭示素混凝土強度參數變化對載體樁承載能力的影響，對模型中素混凝土強度減小20%、強度減小10%、強度不變、強度增大10%、強度增大20%、強度增大30%后載體樁承載能力的變化情況進行仿真分析，其模擬計算結果參見圖4。

由圖4可以看出，載體樁端頭的素混凝土參數變化對載體樁的承載力影響不大，因為素混凝土強度的初始值較大，施加的荷載值與素混凝土的強度相比，可以忽略不計。因此，當外部荷載較小時，通過提高素混凝土強度來提高載體樁的承載力效果并不明顯。

圖4 素混凝土強度參數變化時的p—s曲線

5 碎石土密實度變化對載體樁承載能力影響

碎石土的密實度與填料間的摩阻力、嵌擠力密切相關，并會在一定程度上對載體樁的承載能力產生影響，其密實度改變可通過改變夯擊能和填料配比來控制。本小節對碎石土密實度減小20%、密實度減小10%、密實度不變、密實度增大10%、密實度增大20%、密實度增大30%后載體樁的承載能力進行仿真分析，模擬計算結果參見圖5。

圖5 碎石土壓實度變化時載體樁的p—s曲線

由圖5可見，碎石土區域的壓實度發生變化時，載體樁的承載力會有一定程度的變化，但變化幅度不大，如密實度提高30%，樁體復合地基的承載能力提高不足10%，這主要是由于碎石土區作為協調樁和樁間土變形的墊層，其承載能力較下部土體要大得多，當荷載增大到一定限值時，其承載能力程度受下部和樁側土體的強度影響較大。

6 結語

本文結合工程實際資料，從底部載體尺寸、樁徑尺寸、碎石土密實度、素混凝土強度等方面對樁體的承載能力特性進行分析研究，得到以下成果:

1)載體樁樁體底載體尺寸的變化對樁體的承載能力影響較大，對于確定的樁徑，當載體樁端頭素混凝土的體積為當前設計參數的1.1倍～1.2倍，載體樁復合地基的承載能力會有較大幅度的提高。

2)載體樁樁身直徑增大對提高樁體的承載能力影響不大，尤其是當外部荷載較小時，載體樁復合地基的承載能力會有一定幅度的降低。

3)改變素混凝土的強度和碎石土區域的密實度對提高載體樁復合地基的承載能力有一定程度的影響，但由于素混凝土、密實碎石土的強度較下臥土層要大得多，通過改變素混凝土的強度和碎石土區域的密實度來提高載體樁承載能力的效果并不理想。

［1］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規程［S］.

［2］沈保漢，王繼忠.載體樁技術的誕生與發展［J］.工程勘察，2009(1):1-4.

［3］王繼忠.載體樁技術的拓展［J］.工程勘察，2009(1):10-14.

［4］楊啟安，王繼忠.載體樁技術的拓展研究［J］.路基工程，2011(3):68-71.