载体桩承载特性及其影响因素分析

刘 林 钱申春

(1.江苏省镇江市路桥工程总公司，江苏镇江 212017;2.安徽省公路桥梁工程有限公司，安徽合肥 230031)

0 引言

载体桩又被称为复合载体夯扩桩［1-4］，是在沉管扩底灌注桩和夯扩桩阶段基础上，由北京波森特岩土工程公司提出的一种新型桩。载体桩设计规程中将载体桩定义为由混凝土桩身和载体共同构成的桩，施工时采用柱锤夯击，护筒跟进成孔，达到预定桩底标高后，柱锤夯出护筒一定长度，然后分若干次向护筒内加入填充料，用柱锤反复夯实，达到一定要求后再投入干硬性混凝土，并夯实形成载体，最后浇筑混凝土桩身。

载体桩通常由两部分组成，一部分是桩身混凝土或桩身钢筋混凝土(混凝土强度等级一般不低于C25)，另一部分是桩身底部的载体。其中桩身底部的载体可由干硬性混凝土、夯实的填充料(一般由碎石、碎砖块、碎混凝土块、矿渣等组成)、挤密土体三部分组成。从变形和受力角度考虑，载体从里到外各填充材料的压缩模量、强度常常是逐渐降低的，从而确保桩端底部的应力可以逐渐扩散。载体的形状主要取决于载体外侧土体的密实度、载体底部土体的密实度、载体距离持力层的距离、夯击能的大小等因素，通常可近似为圆弧形(高度与宽度近似相等)、长圆弧形(高度大于宽度)、扁圆弧形(高度小于宽度)等。

为揭示载体桩设计参数变化对桩体承载能力的影响情况，本文以工程实际为支撑，从载体尺寸、桩径尺寸、碎石土密实度、素混凝土强度等方面对桩体的承载能力特性进行分析研究。

1 有限元模型建立

根据屯溪滨江壹号小区建筑场地载体桩的设计资料、工程勘察资料以及现场载荷试验成果，建立了有限元反分析模型，如图1所示。

根据屯溪滨江壹号建筑场地的实际情况，确定项目建设区域的地质土层主要包括砂质粉土、砂质粘土、强风化粉砂岩，计算土层的物理力学指标参见表1。

表1 土层主要物理力学指标汇总表

通过反分析，确定载体桩各区域的物理力学指标和形状指标参见表2，表3。

表2 载体桩及桩间土物理力学参数汇总表

2 桩底部载体尺寸变化对载体桩承载力影响

表3 载体桩形状参数表 m

以上述反分析模型为基础，在保证端头各区域横、竖比例不变的前提下，对素混凝土区域体积减小20%、体积减小10%、体积不变、体积增大10%、体积增大20%、体积增大30%后桩体的变形情况进行仿真模拟，其模拟计算结果见图2。

由图2可以看出，当外部荷载较小时，随着荷载的增加不同桩头尺寸的复合地基承载能力差异不大，可认为桩体处于弹性状态;当外加荷载超过1 100 kPa时，在相同变形情况下，载体尺寸越大，承载能力越高;随着桩部载体尺寸不断减小，p—s曲线明显变缓，载体桩的极限承载力对应的p—s曲线拐点越不明显;当载体尺寸由增大10%变为增大20%时，桩体复合地基的承载能力明显增加，极限承载力随之增大。

图1 载体桩有限元模拟示意图

图2 不同桩部载体尺寸下载体桩的p—s曲线图

3 上部桩径尺寸变化对载体桩承载能力影响

利用反分析模型，对桩体直径减小20%、直径减小10%、直径不变、直径增大10%、直径增大20%、直径增大30%后桩体的承载能力变化情况进行仿真模拟，其模拟计算结果参见图3。

图3 不同桩径尺寸下载体桩的p—s曲线图

由图3可以看出，当外部荷载较小时，随着荷载的增加，不同桩径尺寸的复合地基承载能力差异不大，可认为桩体处于弹性状态;当荷载逐级施加到1 760 kPa时，不同桩径尺寸下的变形速率均有一定程度的增加，桩径大的载体桩承载能力降低尤其明显，且变形随荷载变化趋势近似于一条直线;若减小桩径，会显著降低传递到下部均质土中的自重应力，从而导致传递到地基深部的附加应力值较小，使地基变形降低。

4 素混凝土强度参数变化对载体桩承载能力影响

为揭示素混凝土强度参数变化对载体桩承载能力的影响，对模型中素混凝土强度减小20%、强度减小10%、强度不变、强度增大10%、强度增大20%、强度增大30%后载体桩承载能力的变化情况进行仿真分析，其模拟计算结果参见图4。

由图4可以看出，载体桩端头的素混凝土参数变化对载体桩的承载力影响不大，因为素混凝土强度的初始值较大，施加的荷载值与素混凝土的强度相比，可以忽略不计。因此，当外部荷载较小时，通过提高素混凝土强度来提高载体桩的承载力效果并不明显。

图4 素混凝土强度参数变化时的p—s曲线

5 碎石土密实度变化对载体桩承载能力影响

碎石土的密实度与填料间的摩阻力、嵌挤力密切相关，并会在一定程度上对载体桩的承载能力产生影响，其密实度改变可通过改变夯击能和填料配比来控制。本小节对碎石土密实度减小20%、密实度减小10%、密实度不变、密实度增大10%、密实度增大20%、密实度增大30%后载体桩的承载能力进行仿真分析，模拟计算结果参见图5。

图5 碎石土压实度变化时载体桩的p—s曲线

由图5可见，碎石土区域的压实度发生变化时，载体桩的承载力会有一定程度的变化，但变化幅度不大，如密实度提高30%，桩体复合地基的承载能力提高不足10%，这主要是由于碎石土区作为协调桩和桩间土变形的垫层，其承载能力较下部土体要大得多，当荷载增大到一定限值时，其承载能力程度受下部和桩侧土体的强度影响较大。

6 结语

本文结合工程实际资料，从底部载体尺寸、桩径尺寸、碎石土密实度、素混凝土强度等方面对桩体的承载能力特性进行分析研究，得到以下成果:

1)载体桩桩体底载体尺寸的变化对桩体的承载能力影响较大，对于确定的桩径，当载体桩端头素混凝土的体积为当前设计参数的1.1倍～1.2倍，载体桩复合地基的承载能力会有较大幅度的提高。

2)载体桩桩身直径增大对提高桩体的承载能力影响不大，尤其是当外部荷载较小时，载体桩复合地基的承载能力会有一定幅度的降低。

3)改变素混凝土的强度和碎石土区域的密实度对提高载体桩复合地基的承载能力有一定程度的影响，但由于素混凝土、密实碎石土的强度较下卧土层要大得多，通过改变素混凝土的强度和碎石土区域的密实度来提高载体桩承载能力的效果并不理想。

［1］JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规程［S］.

［2］沈保汉，王继忠.载体桩技术的诞生与发展［J］.工程勘察，2009(1):1-4.

［3］王继忠.载体桩技术的拓展［J］.工程勘察，2009(1):10-14.

［4］杨启安，王继忠.载体桩技术的拓展研究［J］.路基工程，2011(3):68-71.