载体桩单桩竖向承载力学性能研究进展

张学元， 肖成志， 王子寒

(1.河北工业大学 土木与交通学院， 天津 300401； 2.齐齐哈尔大学 建筑与土木工程学院， 黑龙江 齐齐哈尔 161006)

1 研究背景

载体桩(原名复合载体夯扩桩)是我国首创的一种由混凝土桩身及桩身以下载体共同承载的新型桩基础[1]，因其具有承载力高、造价低等显著优势而广泛应用于含素填土、膨胀土、淤泥类土、黄土等特殊工程地质条件下的建筑工程、铁路工程和输变电工程中[2-3]。20余年来，载体桩已在我国20余个省、市、自治区成功应用，适用范围正逐渐扩大，施工工艺也有了新的发展。然而其理论研究还不够完善，在载体等效计算面积取值、单桩抗拔承载力计算及动荷载作用下单桩竖向承载性能等方面的研究还有待深入。本文从载体桩的承载机理、单桩竖向承载性能、桩体沉降等角度对其研究进展进行介绍，并根据研究现状的分析提出相关建议，为其进一步研究提供借鉴参考。

2 载体桩施工工艺及承载机理

单桩竖向承载力的提高对于缩减工期、节约工程造价具有重要意义。增大桩径或桩长虽能够提高桩侧摩阻力，但以桩身材料消耗量、工程造价的较显著增加为代价；扩底灌注桩、夯扩桩虽能增大桩端阻力，但因桩端面积增大有限或夯扩影响区域较小而未体现出较明显的竖向承载优势。为此，在扩底灌注桩、夯扩桩的基础上，通过改进施工设备、施工工艺，增加夯击能和填料，北京波森特岩土工程有限公司于1998年发明了具有增大桩端面积和改善桩端土体承载力双重功效的载体桩[1,4]。

2.1 载体桩施工工艺的演进

载体是载体桩最显著的特征，通过柱锤夯击成孔，孔内分批次加入填料反复夯实，形成桩底以下依次为填料、挤密土体、影响土体的层层外扩承载体，谓之载体。载体桩施工过程如图1所示。最初的填料分为夯实填料和干硬性混凝土填料两种类型。夯实填料能够在挤密土体区域形成良好的透水通道，有利于挤密土体的固结，减少混凝土的用量，从而降低工程造价。实践表明，桩身与载体之间的结合处是载体桩的薄弱界面，其结合程度将影响载体桩承载性能的发挥。杨启安[5]、李世平等[6]针对载体桩施工质量问题进行了分析，结果表明填料控制不当将导致土体隆起、桩身被拉断、桩身与载体结合不良等问题。随着工程实践的探索和研究的深入，现阶段载体填料已统一调整为水泥砂拌合物，以提高载体核心区域的抗压强度。

图1 载体桩施工过程示意图[1]

载体施工完成后，需进行桩身施工。最初桩身仅限于混凝土灌注桩，对于软土地区，由于混凝土尚未凝固，拔管过程中易出现挤土效应，影响成桩质量。郭志勇等[7]对黄土地区载体桩进行了静载荷试验发现试桩承载力低于设计值，分析表明挤土效应引起桩身缩颈，从而出现了加载后桩身的断裂。邓燕等[8]、张培成等[9]探索了PHC(pre-stressed high-strength concrete)管桩作为载体桩桩身在深厚软土地区中的应用，结果表明该桩型能够显著提高载体桩单桩竖向承载力，降低桩基沉降。目前，《载体桩技术标准》(JGJ/T 135—2018)[3]建议在含水量较高的软弱土层中，优先采用预制桩桩身，以减小因挤土效应而对邻桩产生的影响。

载体桩施工过程中通过柱锤下落将重力势能转化为动能，动能以波的形式在土体中传播，促使土颗粒重新排列，从而实现土体的密实。柱锤在填料夯实的过程中，必然会产生一定的振动，若振动强烈，将会对临近建筑产生影响。李力[10]利用全自动面波勘探仪和速度拾震器进行了载体桩施工现场监测。结果表明，锤击所产生的振动呈对数衰减，距离载体桩10 m以外的位置，施工振动一般影响较小。近年来，随着振动沉管、静压、旋挖等成孔工艺的出现，进一步提高了载体桩施工成孔的能力，拓宽了其应用范围[3]。

2.2 载体桩承载机理

载体填料经柱锤的反复夯击，实现了桩端以下3～5 m、横向径长2～3 m区域范围内土体的有效挤密，持力层承载力及其压缩模量得以显著提高[11]。相关研究表明[2-3,12]，竖向荷载主要通过桩端载体进行传递，载体内自上而下压缩模量逐层降低的层层外扩结构，有利于应力的逐层扩散，实现了竖向荷载由桩身压杆传递到桩端载体(可等效为扩展基础)的线→面转化传递路径。其受力等效示意图如图2所示。

图2 载体桩受力等效示意图[12]

根据《载体桩技术标准》(JGJ/T 135—2018)[3]，采用如下方法估算载体桩单桩竖向受压承载力特征值Ra(kN)。

Ra=fa·Ae

(1)

式中：fa为修正后的持力层承载力特征值，kPa；Ae为载体等效计算面积，m2。

载体作为载体桩的主要承载体，其承载能力与桩端土体物理力学性质、Ae紧密相关。

被加固土层的选择：载体所在的土层为被加固土层。最初的载体桩常限于以黏性土、粉土、砂土、碎石土、素填土、杂填土为被加固土层，经过近年来工程实践的不断探索，被加固土层现已扩展到湿陷性黄土、残积土、全风化岩等土层或岩层。

载体等效计算面积的取值：载体施工通常由三击贯入度和填料量所控制。载体桩应用初期，Ae的取值仅考虑了三击贯入度、被加固土层土性这两个主要影响因素，随着工程资料的收集和载体桩施工成孔能力的提高，《载体桩技术标准》(JGJ/T 135—2018)中在Ae取值时除考虑上述两个因素外，还考虑了桩径的影响。同时，对于最初Ae取值偏于保守等问题亦进行了相应调整。

3 载体桩的竖向承载性能

3.1 竖向受压承载性能

桩基竖向受压承载性能包括单桩竖向承载性能和桩身受压承载性能两部分。当桩身受压承载性能满足要求时，单桩竖向承载性能则由桩-土间的侧摩阻力和桩端阻力决定。目前，国内对载体桩的相关研究已开展了20余年，国外主要针对扩底桩进行了相关研究。

(1)理论研究。罗明远等[13]假定载体桩Q-s曲线为双曲线模型，理论求解后取s=60 mm对应的荷载Q60为载体桩单桩竖向极限承载力。Zhao等[14]提供了一种综合考虑桩侧阻力和桩端阻力的载体桩单桩竖向承载力计算方法。周航等[15]将填料的夯实挤密过程简化为球孔扩张力学模型(如图3所示)，分析了载体桩夯扩过程中本构参数对桩周土体强度、剪切模量、挤密扰动区半径的影响。结果表明：随着参数M的增大，孔周2倍球体半径a以内的土体强度和剪切模量不断提高，挤密效应逐渐增强，此范围以外，土体强度和刚度随M的增大而减小，挤密效应逐渐减弱；孔周土体强度和剪切模量随超固结比R的增大而增加，随参数λ增大而减小；挤密扰动区半径随上述本构参数的增加而减少。

图3 载体球孔扩张力学模型[15]

(2)工程测试。粉质黏土地区载体桩复合地基试桩Q-s曲线呈缓变型，无明显破坏特征，其承载性能优于灌注桩[16-17]；对于膨胀等级为中等或中等偏弱的膨胀土地区，载体桩能够减少地基膨胀变形，调整基底压力，经济性能优于人工挖孔墩基础[2]；软弱土地区载体桩竖向极限承载力可达同条件下混凝土灌注桩的2倍以上，其侧摩阻力与外荷载之比最大值未超过20%，以桩端载体承载为主[18]。

Liu等[19]对海洋沉积条件下长轴扩底桩(桩长58 m)和普通长轴桩进行了载荷试验研究，结果显示：同条件下，普通长轴桩桩端阻力值为457 kPa，长轴扩底桩桩端阻力值可达1 800 kPa以上，长轴扩底桩极限侧摩阻力同样高于普通长轴桩。Zhang等[20]研究了孔内深层强夯桩(down-hole dynamic compaction pile)对深厚湿陷性黄土的改善作用，现场测试结果表明：在合理的设计和施工条件下，该技术可以对50 m深度范围内的湿陷性黄土进行夯实处理。Gao等[21]进行的16根底端直径为0.8～3.5 m、桩长为6.1～18 m的大直径人工挖孔扩底桩测试研究显示：扩底端提供的桩端阻力占极限荷载的65%以上，增加扩底端直径较增加桩径对承载力的提高效果更为显著。Kim等[22-23]针对韩国大量使用的PHC管桩及PHC管桩桩端焊接环形钢板的EXT桩(extended end pile)测试分析表明：EXT桩的竖向承载力要高于PHC管桩20%以上，且能够缩减工期，降低工程造价。

(3)数值模拟。有限元分析结果表明，载体桩桩侧摩阻力与全部承载力之比不超过16%[24]，载体直径对载体桩竖向承载性能的影响较显著，载体桩受力形式为端承桩[25-26]；褥垫层可调节载体桩复合地基承载力，但应注意其厚度的合理选取[27]。Kong等[28]运用FLAC3D对扩底楔形桩承载性能进行了模拟研究，结果表明：扩底楔形桩在抗压、抗拉承载性能方面优于楔形桩、普通桩，与扩底桩承载性能相当。

3.2 抗拔承载性能

拉力作用下，传统的直杆桩依靠桩与桩周土间的相对运动而产生侧摩阻力，其抗拔承载力计算可参照单桩竖向受压承载力计算方法，通过对桩周侧摩阻力进行折减而获得[4]。载体的存在使得载体桩抗拔承载性能不同于直杆桩，载体中具有胶凝作用的水泥砂拌合物能够将桩身与载体相连，形成一个锚固于桩端的“混凝土板”，从而增大了桩端抗拔承载力。考虑到载体的锚固作用及其以上一定范围内桩侧摩阻力的增加，《载体桩技术标准》(JGJ/T 135—2018)参照扩底桩抗拔承载力计算方法进行载体桩抗拔承载力计算。

当载体桩群桩呈非整体破坏时，可采用如下方法计算其基桩抗拔极限承载力标准值Tuk(kN)[3]：

Tuk=∑βλiqsikuili

(2)

式中：qsik为第i层土极限侧摩阻力标准值，kPa；ui为桩身抗拔破坏面周长，m；li为第i层土的厚度，m；β为考虑施工挤土后桩侧摩阻力的提高系数，宜取1.05～1.15；λi为侧摩阻力抗拔折减系数。

ui取值如图4所示。图4中D为等效直径，m；d0为填料等效球体直径，m；ΔS为计算半径增量，m，取0.3～0.5 m。

图4 载体桩受拔计算简图[3]

(1)抗拔承载性能表现。工程测试表明：载体桩单桩抗拔承载力显著高于同条件下的直杆桩；设计荷载作用下群桩中的基桩相互影响较小，使得载体桩单桩和群桩上拔变形量较接近[4]。Yang等[29]进行的风化砂岩中扩底短桩现场抗拔载荷试验表明：加载初期，上拔荷载由桩身和扩底端共同承担，当桩身侧摩阻力达到极限后，扩底端继续承担荷载。极限状态时，桩长分别为6、7 m的扩底短桩桩端部分提供的抗拔承载力占比分别为54.9%、34.7%。Xu等[30]开展的粗粒盐渍土中扩底桩(belled pile)室内拉拔试验结果表明：扩底桩荷载-位移曲线呈现软化特性，破坏前桩周地表隆起并呈圆形扩展趋势，破裂面从底部近似线性延伸到顶部，直至发生整体剪切破坏。Qian等[31]进行的黄土边坡(倾角为20°)条件下直形墩、扩底墩抗拔承载性能现场测试研究表明：两种墩体的荷载-桩顶竖向位移、荷载-桩顶水平位移曲线均经历了线性→非线性→线性3个阶段，桩顶竖向位移、水平位移几乎同步增长，极限状态由桩顶水平位移控制；扩底墩能够同时提高桩体的竖向承载力和水平承载力。

(2)抗拔承载性能影响因素。室内模型试验结果表明[32-34]：抗拔承载力主要由扩底端周围斜向延伸到地表范围内土柱体的抗剪强度所决定。随着桩底端埋深的增加或埋深率(桩长与桩底端直径之比)的增大，以扩底端为“底”的土柱体高度增加，其范围内土体体积增大，从而表现出较明显的抗拔承载力的提高；随着直径比(桩顶直径与桩底直径之比)或扩底端倾角的增大，土柱体范围将缩小，抗拔承载力逐渐降低。上述试验结论与Yang等[35]、Majumder等[36-37]模拟结果一致。

嵌岩扩底桩现场抗拔载荷试验表明：增加桩径较增加桩长对抗拔承载力的提高效果显著，其荷载-上拔位移曲线可以采用双曲线模型进行拟合[38]；静载作用下扩底桩抗拔载荷试验Q-s曲线可分为初始线性、中间曲线和末尾线性3个阶段，相应的PFC2D数值模拟显示：一旦荷载-位移曲线进入中间阶段，土体微裂隙将迅速开展贯通；增大桩底端直径与桩顶直径之比或增加埋深可以提高扩底桩的抗拔承载力[39]。

《水利工程代码编制规范》（SL 213—2012）在原有标准《水利工程基础信息代码编制规定》（SL 213—98）基础上，进行了几方面修订：一是将标准名称由“水利工程基础信息代码编制规定”更改为“水利工程代码编制规范”。二是在技术内容上，调整了河流代码的编码规则；调整了堤防代码的编码规则；调整了灌区和水土保持工程的分类码；修改了湖泊代码的编码规则；修改了水文测站代码的编码规则；修改了穿堤建筑物的编码规则；将墒情测站代码、地下水观测井站代码归入水文测站代码；将发电工程代码更改为水力发电工程代码，并修改了编码规则等。

Moayedi等[40]针对松散砂土中的扩底桩和多节钻扩桩(multi-belled pile)进行了模型试验及有限元分析，结果表明：相比于扩底桩，多节钻扩桩抗拔承载力未见明显提高；相比于等截面桩，扩底桩的竖向位移明显减小，外扩端距离地表越近，竖向位移减小效果越弱。Harris等[41]通过扩底桩抗拔模型试验，发现松散砂土中扩底桩抗拔承载力随扩底端下部倾角的增加而降低，而密实砂土中则呈现出随扩底端下部倾角先增加而后降低的变化规律。

(3)抗拔承载力预测。Bui等[42]运用MATLAB中的ANFIS模块，对432个扩底桩样本数据(其中300个样本作为训练数据集，132个样本作为测试数据集)进行了抗拔承载力预测，结果显示ANFIS在扩底桩抗拔承载力预测方面具有良好的可靠性。Moayedi等[43]在考虑扩底端直径、桩径、扩底端倾角、埋深率等主要影响因素的基础上提供了一种优化的人工神经网络预测模型，以用于干燥砂土中扩底桩抗拔承载力的预测。Honda等[44]对密实砂土中扩底桩和多节钻扩桩抗拔试验进行的二维离散元分析表明：上拔荷载作用下，扩大头附近土体首先竖向移动，随着桩土界面相对位移的出现，土体运动由竖直方向向水平方向略有倾斜，上拔位移引起的地表变形仅限于扩大头附近；基于土体运动的上限极限分析，提供了一种扩底桩和多节钻扩桩抗拔承载力预测方法。此外，Kumar等[45]在基于有限元模拟砂土中扩底桩抗拔承载性能的基础上提供了一种扩底桩抗拔承载力预测方程，经与文献数据验证具有较好的拟合优度。

综上所述：载体的锚固作用使得载体桩抗拔承载力明显高于同条件下的直杆桩，其抗拔承载力计算参照扩底桩抗拔承载力计算方法，即在考虑底部区域桩身侧摩阻力提高的前提下，分区段计算桩身抗拔破坏面的周长。目前，载体桩载体影响区段计算深度取值还较宽泛，抗拔破坏面周长范围内所对应面积与载体等效计算面积间的对应关系还有待探索，基于人工神经网络的抗拔承载力预测模型还有待与实际工程对比验证。

4 载体桩的沉降

通过填料夯实、挤密土体，载体桩载体位置处已近似形成一个整体，受力时桩土共同变形，更接近实体深基础的沉降形式。目前，视载体桩为等代实体深基础，采用分层总和法计算其沉降量[3]。

监测结果表明：载体桩复合地基工后沉降很小，不及总沉降的1/10；载体桩下卧层的压缩变形量显著高于加固区的压缩变形量，是其沉降的主要原因[46-47]；桩帽的设置有利于荷载的传递，能够减小载体桩沉降[48-49]。载体桩复合地基沉降预测方法中，双曲线法的预测效果更理想[50]。沉降计算方法分析表明：Mindin法计算载体桩复合地基附加应力值要小于Boussinesq法相应计算值，压缩模量修正后的Mindin法计算载体桩复合地基沉降量与测试值更接近[51]。

陈磊[52]、Li等[53]基于有限元模拟探讨了载体尺寸、桩径对载体桩沉降的影响。结果表明：增大载体能够较显著地减小载体桩沉降，而增大桩径则没有明显的改善。Yao等[54]在考虑桩间应力相互增强效果的基础上，提供了一种扩底桩群桩上拔荷载作用下的位移解析解。结果表明：随着土体弹性模量、桩长和扩底端直径的增加，群桩位移将减小；位移与荷载近似成正比，与桩体横截面面积成反比，这与沉降计算时沉降与附加应力成正比的规律相似。

综上所述，竖向荷载作用下，可按等代实体深基础进行载体桩沉降计算。Mindin解较Boussinesq解更适用于深基础的应力计算，限于Mindin解求解不便，Boussinesq解在工程应用中更广泛。目前载体桩沉降监测数据有限，加强载体桩沉降监测，以验证载体桩沉降量计算时是否需要引入桩基等效沉降系数，以综合考虑两种应力解的影响。

5 目前研究中存在的问题

载体作为载体桩的重要组成部分，是载体桩竖向承载性能不同于其他桩型的主要原因，目前对其研究还不够深入，主要表现在以下两个方面：

(1)多因素影响下载体等效计算面积的确定。相关性分析能够定量地描述变量之间的相关程度，以《载体桩设计规程》(JGJ 135—2007)中4.3.2条文说明中提供的44个工程测试数据为基础，运用SPSS软件分析载体等效计算面积Ae与其影响因素的相关性，结果表明：Ae与fa的皮尔逊相关系数为0.505(P=0.001)，与三击贯入度的皮尔逊相关系数为-0.798(P=0.001)，与桩径的皮尔逊相关系数为0.313(P=0.039<0.05)，与桩长则没有明显的相关性。由此可知：三击贯入度、fa、桩径为Ae的3个主要影响因素。目前《载体桩技术标准》(JGJ/T 135—2018)提供的Ae仅考虑了三击贯入度，被加固土层土性和桩径的影响，尚未考虑持力层土性(影响fa的取值)的影响，当被加固土层与持力层不同时，则不利于Ae的取值。

(2)上拔承载力计算时载体影响区段几何参数的取值。考虑到上拔时载体的锚固作用，目前，载体桩抗拔承载力计算参照扩底桩抗拔承载力计算方法，分区段考虑桩身抗拔破坏面周长(图4)，即载体影响区段抗拔破坏面周长取πD，非影响区段抗拔破坏面周长取πd。由此可见，等效直径D范围内所对应面积与载体等效计算面积、载体增强区段计算深度与桩基沉降验算载体等效加固深度(取为2 m)在取值上是有差异的，不利于同类计算参数的统一。

6 结 论

载体桩因承载力高这一显著特征而得以较广泛地应用。目前，关于载体桩单桩竖向承载性能的研究已开展了一定量的测试研究工作，为了解载体桩承载性能奠定了实践基础，在载体桩承载机理、变形沉降等理论方面的研究还有待加强，主要表现在：

(1)将载体等效为扩展基础的端承桩式受力体系为载体桩受压承载力计算提供了理论计算依据。目前，载体等效计算面积取值时仅考虑了部分影响因素，尚未考虑持力层土性这一主要因素的影响，开展多因素综合确定载体等效计算面积的相关研究还有待进行。

(2)现阶段，载体桩抗拔承载力计算参照扩底桩抗拔承载力计算模型。限于载体为椭球体式桩端承载体，与扩底桩桩端在形状轮廓方面存在较明显差异，上拔荷载作用下二者在桩端增强区段计算深度取值上的差异性有待研究，载体影响区段抗拔破坏面周长πD范围内所对应面积与载体等效计算面积对应关系有待探索；载体桩沉降计算时，是否需要考虑桩基等效沉降系数以进行附加应力计算值的修订有待结合工程测试数据进行验证。

(3)桩身与载体之间的可靠连接是保障载体承载性能充分发挥的一个重要因素，改进现有水泥基填料配比、施工工艺以增强连接界面力学性能的研究有待开展；动荷载作用下载体桩的承载性能及破坏机理有待研究。