湿陷性黄土地区夯扩桩的工作机理及工程实践

肖 军 王跃军(甘肃第三建设集团公司，甘肃 兰州 730030)

1 引 言

夯扩桩是采用混凝土材料，将锤击沉管灌注方法与桩端扩底技术相结合而形成一种新型的大头桩[1~3],是为了寻求提高就地浇制桩的单桩承载力，发展了使桩身或桩尖扩大，以增加桩尖阻力和桩侧摩擦力的方法。有如下突出优点：①将内管底干硬性混凝土薄型土塞代替碎石土塞等材料，可有效起到止淤和短时止水作用，保证混凝土的浇注质量，并减少桩的沉降量；②将内夯管代替沉管灌注桩中的内击锤，内外管同步沉入土中可省去桩靴；③外管提升一段距离可使每次桩端混凝土向四周外挤，形成更为理想的扩大头形状；④桩身混凝土借助于柴油锤力量和内夯管的自重作用压密成型，能避免或减少缩颈和断桩等现象的产生，设计桩径能够保证；⑤可视地层土质条件，调节施工参数、桩长和扩大头直径以提高单桩承载力；⑥施工机械轻便，机动灵活，适应性强；⑦施工速度快、工期短、造价低；⑧无泥浆排放。其适用范围：夯扩桩适用于单桩竖向极限承载力标准值不大于4000kN的工业与民用建筑。其中对单桩竖向极限承载力标准值＞2000kN的，属高承载力夯扩桩工程，在设计与施工时应采取相应措施。夯扩桩成桩的深度可达25m，但长度超过20m的夯扩桩，其施工质量较难控制，经济指标也不理想，一般控制成桩长度宜＜20m。

夯扩灌注桩与一般灌注桩的最大区别在于夯扩体提高了桩端土层承载力以及干硬性混凝土扩大头作用提高桩的端承力。打入式沉管夯扩灌注桩利用内击锤或内夯管与沉管的共同作用，在沉管达到设计持力层深度之后，在管内填入干硬性混凝土进行夯扩，在夯扩能量的作用下迫使混凝土向周围土体挤动，在夯扩底部形成扩大端部分。因为打入式沉管夯扩灌注桩的端承载力与桩底面积成正比，所以桩承载力随底部扩大端的增大而增大，且由于底部混凝土与土体经过夯实挤密形成了更加密实的承载体，使桩端的荷载可以更加均匀的传到下层的设计持力层。

湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔和垂直节理，在一定压力下受水侵湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉，对工程建设危害性大。因此，在饱和黄土层这样特殊地质条件下，更应注重科学地进行桩基的设计和施工。打入式夯扩灌注桩以其鲜明的特点，提高承载力的良好效果得到了广泛的应用。与一般灌注桩相比，由于它的桩端夯扩作用，使得桩端承载力有很大增加，从而可大幅度减小桩长，使得工程造价更低。打入式夯扩灌注桩是近几年刚发展起来的新的桩型，其理论研究滞后于应用，因此，应用过程中还存在一些问题，需要研究和积累，以利于该桩型的进一步发展应用[4~6]。

本文基于球形扩张理论，建立了夯扩桩分析模型，并进行了解析求解。将提出的方法应用于工程实例，解析解和实测值进行了对比分析，结果吻合较好，表明夯扩桩是一种实用的湿陷性黄土地基处理技术，而且具有良好的应用前景。

2 夯扩桩工作机理

2.1 控制方程

夯扩桩是在沉管灌注桩的施工工艺与机械挤扩桩的桩型基础上发展而成的，即在锤击沉管灌注桩施工机具的基础上增加1根内夯管，按一定的施工工艺，采用挤扩的方式(多次夯扩与全复打夯扩等)将桩端现浇混凝土扩成大头形，桩身混凝土在桩锤和内夯管的自重作用下压密成型的一种桩型。夯扩桩实质上是种侧壁摩阻力与端承力共同承载的摩擦支承桩，通过增大桩端面积和挤密地基土使单桩承载力有了很大的提高。饱和黄土中打入式沉管夯扩桩的分析模型可以简化为如图2所示，一般桩端夯扩的情况，会在桩端形成一个球形空腔，以夯体材料为载体向四周土体施加挤压力。

图1 夯扩桩构造图

图2 简化示意图

图3 分析模型

基本假定：

1）土体是均匀的、各向同性的弹塑性体；

2）在某点作用一初始应力p1，体积力不计；

3）土体的屈服符合摩尔-库仑强度准则；

4）桩端形成初始空穴半径为R1的球体。

球形扩张是中心对称问题，平衡方程：

几何方程：

物理方程：

2.2 弹性解答

式中，G为土体剪切模量；C为积分常数，由边界条件确定。

当边界条件 r =R1时，σr= p1可得：

2.3 塑性解答

屈服条件为：

将式（12）代入方程（1）得：

令

求解式（8）可得：

式中，D为积分常数。

由边界条件 r =Ru(孔径)时，

结合式（12）得到夯扩桩的塑性解：

3 工程实践及分析

3.1 工程概况

工程位于兰州市西固区福利路，采用打入式沉管夯扩桩，桩长约为11.65m，设计桩径450mm，扩大头≥900mm，设计单桩承载力特征值为1200KN，混凝土强度为C30抗腐蚀混凝土，扩大头为C40干硬性混凝土夯填成球形，直径大于900mm，桩钢筋为HRB335，每根桩714，箍筋φ6＠300；距桩顶1350处加密φ6＠150。地层岩性特征从上至下为：

1）人工填土层，厚约0.3～2.5m，灰黄～灰黑色，稍湿，稍密，土质不均匀，以粉土为主，含建筑等垃圾。

2）黄土状粉土层，层厚约4.0～6.10m，灰黄～黄褐色，稍密，土质不均匀，局部夹有卵石和粗砂的透镜体。

3）粉土层，层厚约7.9～13.20m，灰黄～黄褐色，饱和，土质较均匀，大孔隙发育，干强度和韧性低，冲洪积成因。

4）卵石层，深灰色～杂色，中密～密实，饱和，分选较差，揭露厚度2.8～6.90m，平均5.27m。

3.2 试验结果分析

3.2 .1 挤密效果分析

图4 桩间土干密度对比

根据试验结果，对桩周围、两桩间和三桩间的挤密效果进行分析，如图4所示。从图中可以得出如下结论：① 对同一种桩型的复合地基而言，复合地基中地基土的干密度桩边大于两桩间，两桩间又大于三桩间；② 对不同地基处理分析发现，三种复合地基中夯扩桩处理复合地基的挤密效果最好，素土挤密桩复合地基的挤密效果最差，灌注桩桩复合地基介于中间。

3.2 .2 桩端阻力和侧阻力分析

图5 桩端阻力

图6 桩侧阻力

从图5、图6曲线关系可见，三种复合地基的桩端摩阻力和侧摩阻力值随测点位置的不同而变化，桩心处最大，1/2桩间最小，由于1/4桩间处受到两侧桩的叠加挤密，所以锥尖阻力值和侧摩阻力值大于1/2桩间处的阻力值；在相同位置处，复合地基桩端阻力值和复合地基侧摩阻力的变化规律是：夯扩桩>灌注桩>素土桩。

3.2 .3 承载力分析

根据记录数据得到的夯扩桩复合地基的P～S曲线，如图7所示，测取夯扩桩复合地基的承载力特征值变形模量。试验最大加载压力800kPa。

3.2 .4 对比分析

图8是试验实测值和理论求解值，由图可以看出，二者变化趋势相同，理论结果大于试验实测值，其偏差不大，结果表明本文提出的计算方法是可行的。

4 结论

通过对夯扩桩的分析及试验研究，可得如下结论：

1）基于球形空穴理论，建立了夯扩桩弹塑性分析模型，并进行了解析求解；

2）现场试验测试了桩端阻力、桩土摩阻力及承载力分布变化规律；

3）将理论求解结果和现场试验实测值进行了对比，结果表明吻合较好，提出的计算方法对湿陷性黄土地区是可行的；

4）采用复合载体夯扩桩进行地基处理，承载力高，造价低，比钢筋混凝土灌注桩造价便宜30%。相同地层的高层建筑采用复合载体夯扩桩进行地基处理越来越得到广泛应用。

图7 夯扩桩静载荷试验P～S曲线

图8 土层侧压力

5）建立的分析模型及试验结果为饱和湿陷性黄土地区夯扩桩的设计、施工和分析提供了理论依据，可为这些地区类似工程提供参考。

[1]刘祖典.黄土力学与工程[M].西安,陕西科学技术出版社,1997.

[2]高国瑞.黄土显微结构分类与湿陷性[J].中国科学,1980,（12）,1203-1208.

[3]陈希哲.土力学地基基础[M].北京:清华大学出版社,1998.

[4]徐芝纶.弹性力学[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5]龚晓南等.地基处理手册[M].北京: 中国建筑工业出版社,2000.

[6]谢定义.黄土力学特性与应用研究的过去、现在与未来[J].地下空间,1999,19（4）,274～283.