载体桩在奉节草堂地区卵石地层中的应用研究

2023-06-12李均山

岩土工程技术 2023年3期

李均山郭宇

（1.核工业（天津）工程勘察院有限公司，天津 301800；2.重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队，重庆 401120）

0 引言

大型房屋建筑和市政工程上部荷载较大，对地基基础承载力和变形有较高的要求。传统灌注桩、预制桩因其承载力高、安全性好，而被广泛应用于大型工程中。但在有些特殊情况下，如成孔困难，持力层工程性质相对较差或埋深较大的情况下，采用传统灌注桩、预制桩经济性较差。针对上述问题，近年来载体桩作为一种新型的基础形式在工程中被广泛运用。

载体桩是对桩身以下土层经夯实形成承载体，由桩身和载体构成的桩[1]。载体桩承载力高的原因在于桩端土体密实，通过夯实填料挤密土体，从而提高桩基承载力。载体桩从受力机理上分析，钢筋混凝土桩身相当于传力构件，载体相当于扩展基础，上部荷载通过桩身传递到载体，再通过载体逐级扩散到持力层。载体形成后，通过三击贯入度来控制载体施工质量，以确保载体能够有效提供承载力[2]。目前，国内针对不同的地质条件，对于载体桩设计理论及施工工艺已有较深入的研究[3—6]。

杜明芳等[7]研究载体桩在密实砂土层中的应用，结果表明载体桩在密实砂土中的计算值偏于保守。王建安等[8]通过研究载体桩在陇南粉质黏土地区应用，结果表明载体桩较灌注桩更具经济性。李辉[9]通过研究某百米高程项目采用载体桩筏基础，在节约投资及工期方面取得了良好的效果。张培成等[10]研究了饱和软土地基载体桩，结果表明载体桩能够满足高承载力要求，并可以在地基中深部有相对硬层的场地中取代预应力管桩。刘学等[11]对卵石层复合夯扩桩载荷试验进行研究，认为承载力由桩身材料控制。

以上文献主要是研究载体桩在砂土、黏性土中的应用，目前国内对载体桩在卵石地层中的应用研究较少。以奉节草堂地区某载体桩工程为例，对卵石层载体桩设计、施工及加固机理进行分析研究，为该地区类似工程提供参考。

1 工程概况及场地地质条件

1.1 工程概况

奉节县草堂镇工业园区某标准厂房建设工程，采用框架结构，长84 m，宽24 m，层数为4 层，建筑高度20.40 m，柱距9.0～13.50 m。本工程采用桩基础，基础埋深6.0～12.0 m。

1.2 场地地质条件

勘察报告显示，场地位于草堂河河谷及阶地，现状场地已进行整平，地形较平缓。场地南侧靠近草堂河区域存在稳定地下水，埋深约5.0～8.0 m。场地地层分布及各岩土层物理力学参数见表1、图1。

图1 场地典型地质剖面图

表1 场地地层及物理力学参数

根据岩土工程勘察报告建议，卵石及中等风化泥灰岩均匀性较好，可用作桩端持力层；碎石土、强风化泥灰岩均匀性差，不宜用作桩端持力层。

2 载体桩设计与施工

2.1 载体桩设计方案

草堂镇地处渝东北，以山地地貌为主，基岩埋深深浅不一，常规的基础设计思路是将基础置于基岩之上。针对本工程地质条件，若采用浅基础，以卵石层作为持力层，则承载力不足，且沉降不易控制。若采用灌注桩置于基岩，则卵石层成孔困难，需采取护壁措施，且下伏基岩岩质较软、埋深大；经计算，平均桩长须大于25.0 m，桩径大于1.2 m 才能满足承载力要求，经济性差。考虑上述两种方案缺点后，综合现场试桩情况，考虑采用以卵石层为持力层的载体桩基础方案。由于载体桩施工时，利用柱锤冲击桩端土体，对桩端卵石层进行加固，使土体趋于密实，承载力提高，且卵石埋深一般小于10.0 m，桩长得以控制，工程安全性及经济性均可得到保证。

本工程桩基础设计等级为乙级，载体桩设计桩径500 mm，单桩承载力特征值1500 kN，桩身混凝土强度为C30。桩端以卵石层作为持力层，最小桩身长度不小于5.0 m。根据《载体桩技术标准》（JGJ/T 135—2018），载体桩竖向承载力按式（1）、式（2）计算。

式中：Ra为载体桩竖向承载力特征值，kN；fa为经深度修正后的载体桩持力层地基承载力特征值，kPa；Ae为载体等效计算面积，m2，宜按地区经验确定，无地区经验且桩径为450～550 mm 时可按《载体桩技术标准》（JGJ/T 135—2018）表4.2.3 选取，当桩径为500～800 mm 时，表中Ae值应乘以1.1～1.3，桩径小时取小值，桩径大时取大值；fak为载体桩持力层地基承载力特征值，kPa；ηd为承载力深度修正系数；γm为载体桩持力层以上土体加权平均重度，kN/m3，水位以下取有效重度；d为载体桩持力层埋深，m。

经计算fa=320+4.4×19.0×(5.0－0.5)=696.2 kPa。查《载体桩技术标准》（JGJ/T 135—2018）表4.2.3，中密卵石所对应的等效计算面积为4.0 m2，系数取1.1，Ae计算值4.4 m2。计算单桩承载力特征值Ra=696.2×4.4=3063.3 kN，满足设计要求。

根据不同荷载大小，桩中心距为1.6～2.0 m，承台下共采用五种布桩形式（见图2）。

图2 不同荷载的载体桩布置形式

设计桩机锤重35 kN，最大冲击能为3000 kN·m，施工时应严格控制落距不小于6.0 m，夯填干硬性混凝土0.5 m3，最后三击贯入度控制在10 cm 以内。载体桩桩身设计图见图3。

图3 载体桩桩身结构图

2.2 沉降计算

载体桩沉降计算按等代实体深基础压缩分层总和法计算，计算公式见式（3）。

式中：s为桩基最终沉降量，mm；p0为桩端平面的附加压力，kPa；ψp为沉降经验系数；zi、zi-1为桩端到第i层、第i-1层土底面的距离，m；n为桩端平面以下压缩层范围内土层总数；Esi为桩端平面下第i层土在自重压力至自重压力加附加压力作用段的压缩模量，MPa。

本工程各计算参数取值如下，p0为将承台下载体桩考虑为等代实体深基础桩端附加压力值，单柱荷载取1500 kN，p0计算值为80 kPa；ψp取0.30；Es按表1取值；沉降计算深度为桩端至中等风化基岩之上的岩土层段，最大沉降计算深度取30.0 m，最小沉降计算深度按桩端置于基岩，取0.0 m。计算最终沉降差为6.50 mm。

本工程结构沉降变形要求沉降差小于0.002l0（l0为相邻柱距），即沉降差小于27.0 mm。沉降差计算值小于规范沉降变形允许值27 mm，满足要求。

2.3 载体桩施工

载体桩施工采用柱锤夯击、护筒跟进成孔，达到设计标高后，柱锤夯出护筒一定深度，再分批向孔内投入填充料，用柱锤反复夯实，达到设计要求后再填入干硬性混凝土夯实，形成载体，最后再施工混凝土桩身（见图4）。

图4 载体桩施工过程

柱锤采用直径为355 mm，质量为3500 kg，落距不小于6.0 m。柱锤夯击分三次，第一次为锤夯桩底卵石土体，第二次为夯实投入的级配碎石，第三次为夯实填入的混凝土。

施工过程中，由于卵石地层中局部存在孤石，粒径约40.0～110.0 cm，导致柱锤夯击过程中受阻。解决方法是逐桩进行超前地质钻探，准确查明孤石分布位置，柱锤下沉至孤石位置时，采用潜孔锤进行破碎处理，然后进行载体桩施工。以实际三击贯入度控制载体施工质量，本工程贯入度控制在10 cm 以内。

3 检测成果及加固机理分析

3.1 荷载试验检测分析

载体桩施工完成后，采用低应变法检测桩身完整性，除极少数桩为II 类桩外，其余均为I 类桩，满足规范要求。为检测载体桩竖向承载力，抽取3 根桩进行静载试验，静载试验采用压重平台加载方式，慢速维持荷载法，最大加载值为3000 kN。试验结果汇总见表2。

表2 载体桩竖向静压试验结果

根据静载试验记录绘制Q-s曲线（见图5）。

图5 载体桩荷载-沉降（Q-s）关系曲线

由图5 可看出，单桩极限承载力不小于3000 kN，仍未达到荷载终止加载条件，满足设计要求的1500 kN单桩承载力特征值。Q-s曲线呈缓变型，说明由于桩端载体的挤密与加固作用，载体桩的受力形式更接近于端承桩。达到最大荷载时，Q-s曲线仍接近直线，表明土体大部分沉降仍处于弹性压缩阶段，未进入塑性破坏阶段。三根试桩最大荷载所对应的沉降值分别为8.66 mm、15.33 mm、7.31 mm，比规范规定的极限承载力所对应27 mm 沉降值小得多，表明载体桩对孔底持力层的夯击加固和应力扩散效果显著。

3.2 建筑沉降观测

为了解载体桩在卵石地层沉降发展情况，厂房施工及运营期间进行了沉降观测。沉降观测在建筑的4 个角点及长边中部共设置6 个沉降观测点，观测周期为2 年（基础完工至交付使用后1 年），沉降观测曲线如图6 所示。

图6 厂房沉降发展曲线

通过沉降发展曲线可知，主体结构完工6 个月后，沉降基本趋于稳定，最大沉降量为5.21 mm，小于沉降计算值6.50 mm，后期沉降较小，表明载体桩的使用情况良好。

3.3 加固机理分析

河床天然沉积卵石是由不同粒径固体颗粒组成，粒径由大到小分别为卵石、砾石、砂土，它们自然沉积相互接触形成土体骨架，骨架之间充填空气或水分。载体桩施工过程中柱锤下落冲击土体，空气被挤出，应力扩散使土中固体颗粒向四周产生位移，土体原有的颗粒排列更加紧密（见图7），固体颗粒之间的咬合强度得以提高，土体抗剪强度提高，随着不断向孔内夯填干硬性混凝土，达到设计要求的三击贯入度之后在桩端形成复合载体，载体形成过程中对下部一定影响深度范围内的土体也予以加密，有利于载体桩沉降控制。