載體樁作為單樁承載基礎在工程中的應用

張國然

（中鐵十七局集團有限公司，山西太原 030006）

0 引言

載體樁是由混凝土、夯實填充料、擠密土體3部分構成的承載體。載體樁的技術原理為側限約束下的土體密實，即在一定深度下，通過柱錘的勢能沖切土層形成孔洞，并迅速填料作為介質進行夯實，擠壓土體中的水和空氣，實現土體的最優密實，形成擴展基礎，實現力的擴散。當作為復合地基加固處理時，樁身一般不配筋，混凝土強度不低于C25；作為單樁承載時，樁身正截面配筋率取0.20%～0.65%，混凝土強度不低于C30［1］。載體樁填充料可采用水泥砂、干硬性混凝土、碎石、磚渣等。黏性土地層中載體影響區域深度3～5 m，直徑2～3 m。載體樁構成示意見圖1。

圖1 載體樁構成示意圖

載體樁是一種在工程中應用較成熟的復合地基處理方法，尤其在房屋建筑中，因其施工成本低、加固效果好、能適應多種地質條件，應用較廣泛。但其在鐵路工程中應用實例較少，缺乏施工基礎數據［2-4］。針對京沈客專京冀段14 標動車走行線特大橋現澆簡支箱梁支架地基處理工程項目，采用科學的試驗方法，得出詳實的基礎數據，填補了載體樁在鐵路工程中應用實踐的空白。

1 工藝試驗

1.1 工程簡介

京沈客專京冀段14 標動車走行線特大橋現澆簡支箱梁共計34 孔，采用鋼管貝雷梁支架結構，單樁基礎容許承載力不小于1 250 kN。采用載體樁為鋼管立柱基礎，現澆簡支箱梁支架結構示意見圖2。

圖2 現澆簡支箱梁支架結構示意圖

橋址區位于北京市朝陽區東五環，地層可劃分為第四系全新統（Q4）、上更新統（Q3），地層成因類型主要為沖洪積，地下水埋深1.9～4.3 m。橋址區典型地質斷面見表1。

表1 橋址區典型地質斷面

1.2 試驗目的及參數

根據載體樁受力原理，混凝土樁身僅為傳力桿件，載體樁的承載能力取決于樁端載體的持力層及載體填料質量［5-6］。根據工程所處地區地質構成，結合設備施工能力，持力層選在承載力相對較大的粉質黏土層。

在選定持力層的情況下，填料質量是控制載體承載能力的關鍵因素。為了確定最優填料種類，進行2組對比試驗。第1 組采用水泥級配碎石，第2 組采用水泥砂拌合物，具體試驗參數如下：

（1）樁長：載體樁樁長約10.0 m（含2.0 m 載體），樁端持力層為粉質黏土層。

（2）樁徑：φ=500 mm。

（3）配筋：主筋6C14，箍筋A8@200（頂部2.5 m A8@100），保護層厚度5 cm。

（4）樁身混凝土強度：C35。

（5）填料指標：第1 組（S1#—S3#樁）填充料為水泥級配碎石，m水泥∶m砂∶m碎石=300∶746∶1 077，碎石粒徑5～40 mm；第2組（S4#—S6#樁）填充料為水泥砂拌合物，m水泥∶m砂=1∶2；三擊貫入度均不大于10 cm。

（6）單樁承載力特征值1 250 kN，極限承載力2 500 kN。

施工機械采用ZTZ-4 型液壓步履式載體樁機，柱錘直徑400 mm、長度6 m、質量3.5 t；護筒直徑480 mm、壁厚1 cm、長度11 m。

1.3 施工工藝流程

載體樁施工工藝流程為：平整場地→樁機就位→錘擊成孔→夯填水泥砂拌合物（水泥級配碎石）→實測貫入度→夯平孔底→提出重錘→安放鋼筋籠→灌注混凝土→提出護筒、振搗混凝土。

2 試驗檢測

2.1 樁身完整性檢測

載體樁施工完成7 d 后，開挖鑿除樁頂50 cm 超灌部分混凝土，采用低應變反射波法檢測。經檢測，6根試驗樁均為Ⅰ類樁。

2.2 單樁承載力檢測

2.2.1 檢測方法

載體樁單樁承載力檢測采用慢速維持荷載（堆載）法。采用油壓千斤頂，通過反力裝置，對沉壓板下應力主要影響范圍內的復合土層進行逐級加載和卸載，根據每級荷載對應的沉降量，繪制荷載-沉降量曲線（Q-s曲線）判定地基承載力和變形參數。

試驗加載分8 級進行，最終控制荷載為2 500 kN，第1 級加載值為分級荷載的2 倍，其余每級加荷量為預估極限荷載的1/8～1/10。

2.2.2 終止加載條件

當出現下列情況之一時，終止加載：

（1）某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前1級荷載作用下沉降量的5倍，且總沉降大于60 mm；

（2）某級荷載作用下，樁的沉降量大于前1級荷載作用下沉降量的2倍，且經24 h尚未達到相對穩定；

（3） 達到設計要求的最大加載量（極限荷載2 500 kN）。

2.2.3 檢測結果

臨時支架基礎載體樁靜荷載試驗Q-s 曲線見圖3。由圖3（a）可知，S1#—S3#樁Q-s 曲線平穩，各級沉降均勻，在最大加載力2 500 kN 作用下，樁頂最大沉降量為35.8 mm，卸載回彈曲線也平穩，最大殘余位移量為24.3 mm；由圖3（b）可知，S4#—S6#樁Q-s 曲線出現陡降現象，在加載力1 200～1 600 kN作用下，樁頂急劇沉降，達到終止加載條件，單樁承載力試驗不合格。

2.3 檢測結果分析

2.3.1 樁身強度

在加載前對S4#—S6#樁進行樁身完整性檢測（見圖4）?？梢姡虞d前S4#—S6#樁樁身完整。

當加載至5～6級時，各樁均出現陡降現象，可能原因為樁身結構破壞或載體承載能力不足。在現場對S4#—S6#樁進行開挖檢查，并進行第2 次樁身完整性檢測。檢測結果表明，S4#—S6#樁樁頭及樁身無結構性破壞，結合S1#—S3#樁試驗結果，判定樁身C35 混凝土強度滿足設計承載力要求，S4#—S6#樁沉降原因為載體承載力不足。

2.3.2 持力層

在施工過程中，S1#—S6#樁三擊貫入度均滿足小于10 cm 的技術指標，確定在該工藝下，可選定粉質黏土層加固土體。S1#—S3#樁卸載回彈曲線，反映了粉質黏土層回彈力較低的特征。

圖3 臨時支架基礎載體樁靜荷載試驗Q-s曲線

圖4 加載前S4#—S6#樁樁身完整性檢測波形

導致載體承載力不足的原因如下：

（1）填充料固結強度低，加載過程中樁端應力過大，致使載體破壞變形，樁身沉入載體；

（2）水泥砂內摩擦角小，填料錘擊過程中對持力層擾動過大，造成剪切破壞，承載能力降低。

2.3.3 填料種類

水泥級配碎石相比于水泥砂，顆粒粒徑更大，在填料錘擊過程中，增大與樁底土體的有效接觸面積，當重復提錘、夯擊動作時，減小對下層土體的擾動。高固結強度，保證承載體具有更大的等效截面面積。2組對比試驗表明，采用水泥級配碎石填充料時載體整體承載能力遠高于水泥砂填料，且滿足單樁承載力不小于1 250 kN、極限承載力不小于2 500 kN的要求。

3 載體樁施工優缺點和經濟效益分析

3.1 優缺點

在支架基礎方案比選時，綜合對比鋼筋混凝土擴大基礎（碎石、磚渣換填）、鋼管樁、鉆孔樁、渣土樁和載體樁方案。經過分析，鉆孔樁和載體樁在方案可行性、施工組織可操作性、經濟效益等方面較合理，現僅列舉此2 種方案。載體樁與鉆孔樁優缺點對比見表2。

表2 載體樁與鉆孔樁優缺點對比

3.2 經濟效益

載體樁因其樁長短、工效高、配套工藝簡單的特點，在不考慮縮短工期產生的經濟效益情況下，相比于鉆孔樁，在本項目施工中直接降低成本達51.9%。

4 結論與建議

目前項目載體樁已施工完成70 根，施工質量全部合格，后續支架預壓時樁頂最大沉降量僅2 mm，載體樁施工取得較好的技術經濟效益，具有在同類工程中推廣應用的價值。但是，受施工條件限制，對載體樁的試驗與探索尚不全面，需在后期施工中不斷總結完善，建議如下：

（1）根據載體樁的受力特點，持力層承載力越高、可加固性越強，樁承載能力越大。當持力層為砂或礫石時，對應填料種類是否可以進一步優化。

（2）地下水對載體樁的影響程度尚不能完全判定。在工程實施中，主要影響為成樁后至混凝土灌注前，少量泥漿由護筒底滲入到孔內，存在泥漿裹附在樁底混凝土內、導致樁身缺陷的隱患。采取措施為夯擊填充料前，先夯入部分磚渣封底，切斷地下水滲流路徑，實施效果表明，灌注完成后樁頂仍有偶發性的泥漿出現，需要在后續施工中進行改進。

（3）地質條件較差（如濕陷性黃土、地震液化層等）時，載體樁應用有待深入探討。