复合载体夯扩桩的特点及施工实例

2014-11-26张月清

山西建筑 2014年29期

张月清

(山西省地勘局二一七地质队，山西大同 037008)

0 引言

随着经济的快速发展，城市中各类建筑拔地而起，基础部分的投资占了整个建筑物投资的较大比例。因此，在确保安全、满足建筑物承载力及变形要求的前提下，合理选择基础形式是节约成本、降低造价、缩短工期的重要手段。近年来，由于建筑施工能力及技术水平的不断提高，桩基础在建筑结构领域被广泛采用，并随着技术的革新，时代的发展，桩基础的类型也在不断增多。目前大同地区常用的桩型有:高强预应力管桩，人工挖孔灌注桩，长螺旋钻孔灌注桩，泥浆护壁钻孔灌注桩，内夯沉管灌注桩(即夯扩桩)，以及上述各种桩型的改进，如扩底，注浆等。复合载体夯扩桩是近年发展起来的一种具有特色施工工艺的桩型，源于内夯沉管灌注桩，又在其基础上进行了改进。从受力和施工工艺来看，复合载体夯扩桩避开浅部软弱的松散土层，通过对土性比较好的下部稳定层位进行加固，使经过处理的复合载体形成了扩展基础。

1 基本原理、优缺点

1.1 基本原理

复合载体夯扩桩(以下简称载体桩)是由干硬性混凝土及填充料等经细长锤夯扩形成的复合载体和钢筋混凝土桩身组成。它具有挤密地基及扩大桩端面积的双重作用。载体桩构造见图1。它的核心是以土体的密实理论为基础，通过加入填料和夯击对深层土体进行挤密，形成复合载体扩展基础。

图1 载体桩构造图

载体桩是在夯扩桩基础上进行了技术改进，但是他们的受力却是完全不同的。夯扩桩的承载力是由桩的极限侧阻力和桩的极限端阻力构成，而载体桩桩头实际是一个密实的混合体，其承载特性是扩散受力，它的本质是一种扩展基础。桩身起传递荷载的媒介作用，复合载体兼具传递及扩散功能，最终将上部荷载转移到承载力较高的持力层土体。因此，若采用承台梁和载体桩则可以等效为条形基础受力;若是独立承台，可等效为独立柱基受力;若是采用满堂红布置载体桩，其功能相当于筏板基础。示意图见图2。

图2 载体桩示意图

1.2 优缺点

载体桩作为一种新工艺具有以下优点:

1)无须基坑开挖和降水，减少了工程量。由于载体桩的核心是以土体的密实理论为基础，使用填料和夯击来实现下层土体挤密，因此无须开挖，大大减少了工程量。2)单桩承载力大幅提高。载体桩的承载力是同一条件下相同桩径、相同桩长普通混凝土灌注桩的3倍～5倍。3)可以通过调整施工参数来调节单桩承载力。在同一施工场地，根据不同的设计要求，在不改变桩径、桩长的情况下就可以通过调整充填料的数量、三击贯入度等参数来调节单桩承载力。4)减少建筑物的不均匀沉降。5)施工所用机械易得、轻便，移动方便、灵活，实际操作容易。6)施工速度快。7)该技术可消耗大量建筑垃圾和工业废料，施工中不需要泥浆护壁，既能废物利用，又能保护环境。8)适用范围广，经济效益好，工程造价低。

只要在一定深度下存在承载力较好的稳定土层，如可塑状态的粉质粘土层，稍密～中密状态的粉土、砂层等，理论上都可以使用载体桩，尤其是浅部存在软弱土层，如湿陷性黄土层、液化土层及较厚素填土层，该技术优势明显。

任何一种桩型都有其适用范围，载体桩在施工中也有一定局限性，它的主要缺点有:

1)当上部软弱土层中存在硬夹层时，普通锤击跟管困难，必须采用螺旋钻配合施工。2)会产生挤土效应。当施工进度偏快时，先施工好的桩还没有完全硬化时，由于挤土效应会被后施工的桩挤压而偏位，甚至造成浮桩、断桩。3)在对填料进行夯击时会产生振感，不宜在人口密集区使用。4)地下水位较高时，施工中应注意封水，止水。

2 工程实例

2.1 工程概况及地质条件

某住宅小区位于大同县周士庄镇南部，包括住宅楼12栋，均为7层，砖混结构，基础埋深2.0 m，场地地貌单元属大同盆地东北部山前倾斜平原区。本次勘察钻孔最大深度20.0 m，勘察深度内未见地下水，场地地下水位埋藏深度大于20 m。揭露土层主要为第四系上更新统冲洪积(Qal+pl3)湿陷性粉土、粉土和砂类土，表层为现代人工堆积(Qml4)填土。

场地土自上而下分为4层:①杂填土(Qml4):黄褐色，稍密，稍湿，由粉土、生活垃圾、建筑垃圾等组成，结构或成分不均匀，填龄超过5年。②素填土(Qml4):浅黄色，褐黄色，稍密，稍湿，主要由粉土组成，含少量煤屑及砂砾石，结构或成分较均匀，局部含杂填土，填龄超过5年，属中压缩性土。③湿陷性粉土(Qal+pl3):褐黄色，稍密，稍湿，无光泽反应，无摇振反应，含铁、锰质氧化物，局部含砂量大或夹③-1细砂层，中压缩性土。③-1细砂(Qal+pl3):褐黄色，中密，稍湿，局部为中砂。④粉质粘土(Qal+pl3):黄褐色，硬塑，稍有光滑，干强度中等，韧性中等，含铁锰质氧化物，局部相变为粉土，中压缩性土。

2.2 地基方案分析

拟建建筑物为不均匀地基，拟建场地为自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级Ⅱ级。拟建建筑物基底持力层为①杂填土、②素填土，按规范GB 50025-2004，经深宽修正后其承载力特征值分别为100 kPa，129 kPa，其基底压力为140 kPa ～196 kPa，不满足上部荷载要求。天然地基不满足要求，应针对消除地基土湿陷性、减缓地基土的不均匀及提高地基强度进行地基处理。可以采用灰土挤密桩、人工挖孔桩和复合载体夯扩桩进行地基处理。

灰土挤密桩，桩孔直径300 mm～450 mm，桩孔按等边三角形布置，桩孔间中心距可为桩孔直径2.0倍，桩孔在基底下深度不宜小于6 m～7 m。桩孔内用3∶7灰土分层回填夯实，压实系数不应小于0.96，桩间土经挤密后的平均挤密系数不应小于0.93，对灰土挤密桩处理后的复合地基应通过多桩复合地基载荷试验确定其承载力特征值。当复合地基满足设计要求时，可采用灰土挤密桩复合地基作持力层。对基础悬空部分要用3∶7灰土分层堆填压实至设计基底标高，压实系数不得小于0.95，堆填宽度每边应超出基础外缘1 m。

人工挖孔桩基础，以④粉质粘土作持力层，桩全断面进入持力层不小于1.5d(d为桩径)，各土层桩极限侧阻力特征值(qsi)和桩极限端阻力特征值(qp)分别按表1取值。

表1 桩的侧阻力特征值(qsi)和桩端阻力特征值(qp)一览表

其中，Ra为复合载体夯扩桩的单桩竖向承载力特征值，kPa;Up为桩的周长，m;qsia为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa;li为桩长范围内第i层土的厚度，m;qpa为复合载体下地基土经深度修正后的地基土承载力特征值，kPa;Ae为等效计算面积，m2。

qsia是影响普通桩基单桩承载力的重要因素，但是由于载体桩是扩展基础受力，大量的计算和施工经验表明，它的qsia很小，基础的主要变形和受力依赖于等效基础下的受力和变形，因此取:

qpa按现行基地规范计算:

其中，ηd为地基承载力修正系数;γm为载体基础计算深度以上地基土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3;d为等效基础埋置深度。

等效面积Ae根据规程JGJ/T 135-2001中给出的不同土性中三击贯入度分别为10 cm，20 cm，30 cm对应的桩径为410 mm的复合载体夯扩桩桩端的等效面积查表取值。

根据以上计算公式，取桩径410 mm，桩长8 m，布桩间距1.8 m，以④粉质粘土作为复合载体基础的持力层，地基承载力特征值170 kPa，单桩承载力特征值550 kN，基础埋深2.0 m。载体底部地基土承载力经深宽修正后的fk=210 kPa。三击贯入度为15 cm，等效底面积Ae=1.8 m2，单桩承载力 Ra=669 kN＞550 kN，满足设计要求。

复合载体夯扩桩的单桩竖向承载力特征值计算公式: