載體樁應用中的問題分析

趙建糧，王剛，郭媛，王爍

(1.河南省地質礦產勘查開發局第二地質環境調查院，鄭州 450053；2.河北地質大學，石家莊 450000)

0 引言

載體樁又稱復合載體夯擴樁，是由混凝土樁身和載體構成的樁。載體是樁身以下經夯實形成的承載體，分為填料載體和無填料載體[1]。載體具有擠密地基，擴大樁端面積的雙重作用，可以有效提高單樁承載力。郭志勇等認為載體樁因其擠土功效而使單樁極限承載力要比采用傳統的人工挖孔擴底樁提高約15%，比非擴底的人工挖孔或鉆孔灌注樁的單樁極限承載力提高約30%以上[2]；杜明芳等通過載體樁基礎單樁靜載荷試驗和載體樁復合地基靜載荷試驗，分別對兩種方案承載力計算值和試驗值進行了對比，對樁側摩阻力的影響進行了分析，認為載體樁在達到極限荷載時沉降隨荷載的變化呈陡降型，載體樁基礎和載體樁復合地基在密實砂土持力層中承載力的計算值均偏于保守[3]。

近年來，載體樁因造價低、單樁承載力高等優點被廣泛應用，受地質條件、施工工藝等因素影響也出現過一些問題。本文以鄭州西部某載體樁工程應用為例，根據巖土工程條件和經濟性對比進行樁基選型，論述載體樁檢測與復壓處理前后所遇到的問題，結合樁的作用原理對問題原因進行系統性分析，針對問題提出了處理措施的觀點，為本地區及周邊載體樁的應用提供參考。

1 工程概況

某新建廠房位于鄭州市西部的高新技術開發區，主廠房為地上1層的框架結構，獨立承臺基礎型式，基礎埋深2.0 m，設計單柱荷載值2300 kN。

1.1 場地地質條件

工程場地地貌單元屬于山前微傾斜平原[4]，地層以第四系全新統和上更新統的粉土為主，自上而下分別為：第①1層，雜填土(Q4ml)，雜色，稍濕，松散，以碎石、碎磚、混凝土塊等建筑垃圾為主，平均層厚2.31 m；第①層，粉土(Q4al)，褐黃色，稍濕，中密，中等壓縮性土層，平均層厚1.25 m；第②層，粉土(Q3al)，黃褐色，稍濕，密實，中等壓縮性土層，平均層厚3.63 m；第③層，粉土(Q3al)褐黃色，稍濕，密實，中等壓縮性土層，平均層厚1.52 m；第④層，粉土(Q3al)，黃褐色，稍濕，密實，中等壓縮性土層，平均層厚1.90 m；第⑤層，粉土(Q3al)，褐黃色，稍濕，密實，中等壓縮性土層，平均層厚4.06 m；第⑥層，粉土(Q3al)，褐黃色，稍濕，密實，中等壓縮性土層，平均層厚2.43 m；第⑦層，粉質黏土(Q3al)，棕黃色，可塑—硬塑，中等壓縮性土層，平均層厚3.09 m。

場地地下水類型為第四系孔隙潛水，水位埋深在35.0 m以下。

1.2 巖土工程參數與樁基選型

根據勘察資料，淺部地基土以第四系的粉土為主，承載力特征值都在120 kPa以上，各土層的物理力學性質指標和巖土工程參數見表1。場地地下水埋深較大，對設計和施工影響不大。主廠房設計采用樁+承臺的基礎型式，可選用鉆孔灌注樁、CFG樁及載體樁。除雜填土外，場地土層分布均勻，附近項目多采用CFG樁復合地基，CFG樁各土層的設計參數見表2。

表1 土層物理力學性質指標與巖土工程參數Table 1 Physical and mechanical properties of soil layer and geotechnical engineering parameters

表2 CFG樁復合地基設計參數Table 2 Design parameters of CFG pile composite foundation

鉆孔灌注樁造價高，且施工中產生的泥漿排放受防治污染管控影響較大，一般不被采用，CFG樁和載體樁施工都不產生泥漿。以樁徑450 mm、樁長10.0 m的CFG樁和樁徑430 mm、樁長10.0 m的載體樁為研究對象，進行單樁豎向承載力的分析對比。通過JGJ 94-2008中公式5.3.5可以計算出CFG樁的單樁豎向承載力[5]。根據附近場地載體樁的三擊貫入度經驗值，計算出載體等效計算面積Ae，通過JGJ/T 135-2018中公式4.2.3-1可計算出載體樁的單樁豎向承載力[1]，計算結果見表3。相同樁長和樁徑相差不大的載體樁和CFG樁單樁豎向承載力特征值分別為433.4 kPa和1140.0 kPa，載體樁單樁豎向承載力是CFG樁單樁豎向承載力的2.63倍。采用載體樁可以大幅度減少工程量，而且可以消化現場的部分磚塊、混凝土碎塊等建筑垃圾。從工程造價、工期、施工條件等方面綜合對比，最終決定承臺下樁基采用載體樁。根據設計施工圖，載體樁樁徑430 mm，樁長9.0 m、10.0 m，且樁端進入第⑤層粉土≥500 mm，樁身混凝土強度等級C30。施工要求最后三擊貫入度≤10 cm，單樁豎向承載力特征值≥1100 kN。

表3 CFG樁與載體樁單樁豎向承載力對比Table 3 Comparison of vertical bearing capacity of single pile between CFG pile and pile with ram-compacted bearing sphere

2 應用中遇到的問題

2.1 測樁發現的問題

為檢驗工程效果，載體樁施工56根后按照JGJ 106-2014相關要求進行樁基質量檢測[6]。先采用低應變法對樁身完整性進行檢測，檢測結果：I類樁(完整樁)8根，占比14.29%；II類樁(基本完整樁)38根，占比67.86%；Ⅲ類樁(缺陷樁)7根，占比12.50%；Ⅳ類樁(嚴重缺陷樁)3根，占比5.35%。后隨機抽取3根樁，采用靜載荷試驗法檢測單樁豎向承載力，檢測結果差異性較大[7]，測樁曲線如圖1。其中0152號試樁檢測結果滿足要求，荷載值加到了設計值2200 kN，樁頂最大沉降量為8.02 mm，卸荷后最大回彈量4.82 mm，回彈率60.1%。0138號試樁荷載值也加到了設計值2200 kN，樁頂最大沉降量8.61 mm，卸荷后最大回彈量3.98 mm，回彈率46.2%。0142號樁檢測過程中，荷載值加至1325 kN時，樁頂沉降為8.21 mm，當加載值至1540 kN時，樁頂沉降迅速增加，最大值63.83 mm。卸荷后回彈量僅2.98 mm，回彈率僅4.7%，樁頂沉降超過規范要求，加載值未達到設計要求。

圖1 樁基荷載試驗Q-s曲線Fig.1 Q-s curve of pile foundation load test

2.2 復壓處理及遇到的問題

現場分析認為樁頂沉降值大是由于相鄰樁施工影響造成，即后期樁基施工造成之前施工樁周邊的土體隆起，以致樁頂沉降量超標，單樁承載力應該問題不大。處理措施是在全部樁基施工完成且樁身混凝土達到強度后，對樁逐個進行復壓處理，復壓的壓力控制值為單樁豎向承載力極限值2200 kN。

復壓處理前后分別采用低應變法檢測了樁身完整性，并各隨機抽取3根樁采用靜載荷試驗法檢測單樁豎向承載力。通過兩次樁基檢測結果(見表4、表5)對比可以看出，除0142號樁等少數樁外，樁身完整性和單樁豎向承載力的指標都沒有明顯提高，反而出現一定程度的下降，沒有達到預期的處理效果[8]。

表4 復壓處理前后低應變測樁結果Table 4 Comparison of pile low-strain integrity testing results before and after pressure treatment

表5 復壓處理前后靜載荷試驗測樁結果Table 5 Comparison of pile static load test results before and after pressure treatment

3 問題原因分析

3.1 載體樁的作用機理

從受力上分析，載體樁是一種擴展基礎。上部結構的豎向荷載通過樁體傳遞到載體后，應力在干硬性混凝土、填充料和擠密土體中逐級擴散，形成多級的擴展基礎，最終將荷載傳遞到持力層中。由于載體樁的樁長較短，且樁端為擴大頭，樁身只相當于傳力桿，載體相當于無筋擴展基礎。從載體的干硬混凝土、夯實填充料到擠密土體，其壓縮模量逐漸降低，應力逐漸擴散。載體樁發揮作用的核心是載體質量和樁端土體的擠密作用。不同于CFG樁的承載力是依靠增加樁長，利用樁和樁間土的共同作用將荷載傳遞到深層地基土中[9]。載體樁的載體質量和作用效果是提高其承載力的重中之重，而且載體下方必須要有好的持力層；其次，樁身質量也非常重要。

3.2 樁頂沉降原因分析

一般來說，可能造成載體樁產生過大豎向沉降的原因包括3方面：①樁身或樁底干硬混凝土破壞產生豎向位移；②填充料不密實，受壓縮后變形造成沉降；③載體下方的擠密土體受壓縮產生變形。

首先，本工程載體樁樁身混凝土強度等級為C30，鋼筋籠通長配置，加密區長度2.2 m。經計算，樁體在有良好樁周土側限的情況下可以承受1745.0 kN以上，加荷載值在1540 kN時樁體不會發生破壞現象，樁體壓縮值也不會超過10 mm。載體下方是中密狀態的粉土層，受設計荷載狀態下不會產生超過20 mm的沉降，而且不會產生驟然的變化。

3.3 地質條件分析

本工程基礎埋深2.0 m，地表有厚2.34 m的雜填土，其他土層以中密和密實狀態的粉土為主[10]。載體樁選取的樁端持力層為第⑤層粉土，密實狀態，承載力特征值160 kPa。樁側分別為第①層粉土、第②層粉土、第③層粉土及第④層粉土，承載力特征值分別為120 kPa、180 kPa、140 kPa和190 kPa。樁端持力層下方是第⑥層粉土和第⑦層粉質黏土，承載力特征值均為200 kPa，壓縮系數a1-2分別為0.11 MPa-1、0.20 MPa-1，均屬于中壓縮性土層。這種地質結構和巖土條件，滿足載體樁的適用條件。

3.4 測樁結果分析

根據載體樁復壓處理前后兩次低應變檢測結果分析，0142號樁等少數樁頂沉降值過大是由于相鄰樁施工造成的土體隆起引起，大部分樁的問題是由于樁身質量缺陷造成。樁身的質量缺陷基本上都分布在6.5 m以上的部位，7.0 m以下基本沒有質量缺陷。而且3.0 m以上樁身質量缺陷較多，輕微缺陷占到總數的80.37%，明顯質量缺陷占到總數的79.17%，嚴重質量缺陷占到總數的50%。通過復壓處理前后樁身質量缺陷對比(見表6)可以看出，復壓處理后樁身質量缺陷明顯增加。也就是說，復壓處理對樁身起到了一定程度的破壞作用，導致樁身質量明顯缺陷、嚴重缺陷大幅度增加，III類樁、IV類樁的數量分別提高了40.0%和60.0%。只有0142號等少數樁經過復壓處理后，樁頂沉降大幅度降低，單樁承載力極限承載力由1540 kN 提高到了2200 kN。多數樁的樁身質量問題在復壓處理后愈發嚴重，測樁評定等級降低。

表6 復壓處理前后樁身質量缺陷統計對比Table 6 Statistical comparison of pile quality defects before and after pressure treatment

4 針對性措施

根據本工程載體樁應用中所出現的問題，綜合分析原因后分類制定防控和應對措施[11]。針對因樁周土體隆起造成樁頂沉降值超標的樁，應根據樁端持力層土質情況，合理調整樁間距及施工順序，必要時采用螺旋鉆機成孔，以減少后續施工對鄰樁的影響。對于樁身不存在質量缺陷的樁，雖然通過復壓方式處理對降低樁頂沉降量有一定效果，但也應盡量不采用這種處理方式，避免復壓對樁體造成破壞。在周圍距離建筑物較近時，錘擊法擠擴成孔還應采取適當的減振、隔振措施，控制施工對環境造成的不良影響。施工前，應根據規范要求施工試樁，檢測結果滿足設計要求后再進行工程樁施工[12]。

應從以下幾個方面調整施工工藝，控制樁身質量：①采用柱錘夯擊成孔時護筒跟進，達到設計標高后，柱錘夯出護筒底一定深度，再分批向孔內投入填充料，反復夯實，達到設計要求后再填入干性混凝土，并充分夯擊，形成載體，施工混凝土樁身時，嚴格控制混凝土塌落度和灌注速度，確保灌注質量，避免出現樁身質量缺陷[13]；②施工中控制相鄰樁的上浮量，混凝土終凝后的相鄰樁的上浮量控制在15 mm左右，混凝土處于流動狀態的相鄰樁的上浮量控制在40 mm左右；③在滿足上浮量控制要求的前提下，以三擊貫入度控制載體樁的填料量。

5 結論

載體樁是通過載體發揮作用，作為傳力桿件的樁體也非常重要，通過該項目載體樁應用情況的分析，得到以下幾點認識：①載體樁受相鄰樁施工影響較大，且不同土質對擠密效應的敏感度不同，為避免相鄰樁的相互影響，不同土質的持力層其最小樁間距應有不同的要求；②載體樁樁身質量是影響其發揮作用的重要環節，樁身混凝土澆筑和振搗應滿足均勻性和密實性的要求，保證樁身質量完整性良好；③對于樁身沒有質量缺陷而樁頂沉降超標的樁，采用復壓方式處理可以達到一定效果，但復壓前應綜合考慮各種因素，謹慎采用，避免復壓過程中破壞樁身質量。