載體樁作為單樁承載基礎(chǔ)在工程中的應(yīng)用

張國(guó)然

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西太原 030006）

0 引言

載體樁是由混凝土、夯實(shí)填充料、擠密土體3部分構(gòu)成的承載體。載體樁的技術(shù)原理為側(cè)限約束下的土體密實(shí)，即在一定深度下，通過柱錘的勢(shì)能沖切土層形成孔洞，并迅速填料作為介質(zhì)進(jìn)行夯實(shí)，擠壓土體中的水和空氣，實(shí)現(xiàn)土體的最優(yōu)密實(shí)，形成擴(kuò)展基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)力的擴(kuò)散。當(dāng)作為復(fù)合地基加固處理時(shí)，樁身一般不配筋，混凝土強(qiáng)度不低于C25；作為單樁承載時(shí)，樁身正截面配筋率取0.20%～0.65%，混凝土強(qiáng)度不低于C30［1］。載體樁填充料可采用水泥砂、干硬性混凝土、碎石、磚渣等。黏性土地層中載體影響區(qū)域深度3～5 m，直徑2～3 m。載體樁構(gòu)成示意見圖1。

圖1 載體樁構(gòu)成示意圖

載體樁是一種在工程中應(yīng)用較成熟的復(fù)合地基處理方法，尤其在房屋建筑中，因其施工成本低、加固效果好、能適應(yīng)多種地質(zhì)條件，應(yīng)用較廣泛。但其在鐵路工程中應(yīng)用實(shí)例較少，缺乏施工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［2-4］。針對(duì)京沈客專京冀段14 標(biāo)動(dòng)車走行線特大橋現(xiàn)澆簡(jiǎn)支箱梁支架地基處理工程項(xiàng)目，采用科學(xué)的試驗(yàn)方法，得出詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了載體樁在鐵路工程中應(yīng)用實(shí)踐的空白。

1 工藝試驗(yàn)

1.1 工程簡(jiǎn)介

京沈客專京冀段14 標(biāo)動(dòng)車走行線特大橋現(xiàn)澆簡(jiǎn)支箱梁共計(jì)34 孔，采用鋼管貝雷梁支架結(jié)構(gòu)，單樁基礎(chǔ)容許承載力不小于1 250 kN。采用載體樁為鋼管立柱基礎(chǔ)，現(xiàn)澆簡(jiǎn)支箱梁支架結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 現(xiàn)澆簡(jiǎn)支箱梁支架結(jié)構(gòu)示意圖

橋址區(qū)位于北京市朝陽區(qū)東五環(huán)，地層可劃分為第四系全新統(tǒng)（Q4）、上更新統(tǒng)（Q3），地層成因類型主要為沖洪積，地下水埋深1.9～4.3 m。橋址區(qū)典型地質(zhì)斷面見表1。

表1 橋址區(qū)典型地質(zhì)斷面

1.2 試驗(yàn)?zāi)康募皡?shù)

根據(jù)載體樁受力原理，混凝土樁身僅為傳力桿件，載體樁的承載能力取決于樁端載體的持力層及載體填料質(zhì)量［5-6］。根據(jù)工程所處地區(qū)地質(zhì)構(gòu)成，結(jié)合設(shè)備施工能力，持力層選在承載力相對(duì)較大的粉質(zhì)黏土層。

在選定持力層的情況下，填料質(zhì)量是控制載體承載能力的關(guān)鍵因素。為了確定最優(yōu)填料種類，進(jìn)行2組對(duì)比試驗(yàn)。第1 組采用水泥級(jí)配碎石，第2 組采用水泥砂拌合物，具體試驗(yàn)參數(shù)如下：

（1）樁長(zhǎng)：載體樁樁長(zhǎng)約10.0 m（含2.0 m 載體），樁端持力層為粉質(zhì)黏土層。

（2）樁徑：φ=500 mm。

（3）配筋：主筋6C14，箍筋A(yù)8@200（頂部2.5 m A8@100），保護(hù)層厚度5 cm。

（4）樁身混凝土強(qiáng)度：C35。

（5）填料指標(biāo)：第1 組（S1#—S3#樁）填充料為水泥級(jí)配碎石，m水泥∶m砂∶m碎石=300∶746∶1 077，碎石粒徑5～40 mm；第2組（S4#—S6#樁）填充料為水泥砂拌合物，m水泥∶m砂=1∶2；三擊貫入度均不大于10 cm。

（6）單樁承載力特征值1 250 kN，極限承載力2 500 kN。

施工機(jī)械采用ZTZ-4 型液壓步履式載體樁機(jī)，柱錘直徑400 mm、長(zhǎng)度6 m、質(zhì)量3.5 t；護(hù)筒直徑480 mm、壁厚1 cm、長(zhǎng)度11 m。

1.3 施工工藝流程

載體樁施工工藝流程為：平整場(chǎng)地→樁機(jī)就位→錘擊成孔→夯填水泥砂拌合物（水泥級(jí)配碎石）→實(shí)測(cè)貫入度→夯平孔底→提出重錘→安放鋼筋籠→灌注混凝土→提出護(hù)筒、振搗混凝土。

2 試驗(yàn)檢測(cè)

2.1 樁身完整性檢測(cè)

載體樁施工完成7 d 后，開挖鑿除樁頂50 cm 超灌部分混凝土，采用低應(yīng)變反射波法檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，6根試驗(yàn)樁均為Ⅰ類樁。

2.2 單樁承載力檢測(cè)

2.2.1 檢測(cè)方法

載體樁單樁承載力檢測(cè)采用慢速維持荷載（堆載）法。采用油壓千斤頂，通過反力裝置，對(duì)沉壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)的復(fù)合土層進(jìn)行逐級(jí)加載和卸載，根據(jù)每級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的沉降量，繪制荷載-沉降量曲線（Q-s曲線）判定地基承載力和變形參數(shù)。

試驗(yàn)加載分8 級(jí)進(jìn)行，最終控制荷載為2 500 kN，第1 級(jí)加載值為分級(jí)荷載的2 倍，其余每級(jí)加荷量為預(yù)估極限荷載的1/8～1/10。

2.2.2 終止加載條件

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，終止加載：

（1）某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前1級(jí)荷載作用下沉降量的5倍，且總沉降大于60 mm；

（2）某級(jí)荷載作用下，樁的沉降量大于前1級(jí)荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定；

（3） 達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大加載量（極限荷載2 500 kN）。

2.2.3 檢測(cè)結(jié)果

臨時(shí)支架基礎(chǔ)載體樁靜荷載試驗(yàn)Q-s 曲線見圖3。由圖3（a）可知，S1#—S3#樁Q-s 曲線平穩(wěn)，各級(jí)沉降均勻，在最大加載力2 500 kN 作用下，樁頂最大沉降量為35.8 mm，卸載回彈曲線也平穩(wěn)，最大殘余位移量為24.3 mm；由圖3（b）可知，S4#—S6#樁Q-s 曲線出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，在加載力1 200～1 600 kN作用下，樁頂急劇沉降，達(dá)到終止加載條件，單樁承載力試驗(yàn)不合格。

2.3 檢測(cè)結(jié)果分析

2.3.1 樁身強(qiáng)度

在加載前對(duì)S4#—S6#樁進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)（見圖4）。可見，加載前S4#—S6#樁樁身完整。

當(dāng)加載至5～6級(jí)時(shí)，各樁均出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，可能原因?yàn)闃渡斫Y(jié)構(gòu)破壞或載體承載能力不足。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)S4#—S6#樁進(jìn)行開挖檢查，并進(jìn)行第2 次樁身完整性檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，S4#—S6#樁樁頭及樁身無結(jié)構(gòu)性破壞，結(jié)合S1#—S3#樁試驗(yàn)結(jié)果，判定樁身C35 混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)承載力要求，S4#—S6#樁沉降原因?yàn)檩d體承載力不足。

2.3.2 持力層

在施工過程中，S1#—S6#樁三擊貫入度均滿足小于10 cm 的技術(shù)指標(biāo)，確定在該工藝下，可選定粉質(zhì)黏土層加固土體。S1#—S3#樁卸載回彈曲線，反映了粉質(zhì)黏土層回彈力較低的特征。

圖3 臨時(shí)支架基礎(chǔ)載體樁靜荷載試驗(yàn)Q-s曲線

圖4 加載前S4#—S6#樁樁身完整性檢測(cè)波形

導(dǎo)致載體承載力不足的原因如下：

（1）填充料固結(jié)強(qiáng)度低，加載過程中樁端應(yīng)力過大，致使載體破壞變形，樁身沉入載體；

（2）水泥砂內(nèi)摩擦角小，填料錘擊過程中對(duì)持力層擾動(dòng)過大，造成剪切破壞，承載能力降低。

2.3.3 填料種類

水泥級(jí)配碎石相比于水泥砂，顆粒粒徑更大，在填料錘擊過程中，增大與樁底土體的有效接觸面積，當(dāng)重復(fù)提錘、夯擊動(dòng)作時(shí)，減小對(duì)下層土體的擾動(dòng)。高固結(jié)強(qiáng)度，保證承載體具有更大的等效截面面積。2組對(duì)比試驗(yàn)表明，采用水泥級(jí)配碎石填充料時(shí)載體整體承載能力遠(yuǎn)高于水泥砂填料，且滿足單樁承載力不小于1 250 kN、極限承載力不小于2 500 kN的要求。

3 載體樁施工優(yōu)缺點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 優(yōu)缺點(diǎn)

在支架基礎(chǔ)方案比選時(shí)，綜合對(duì)比鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)（碎石、磚渣換填）、鋼管樁、鉆孔樁、渣土樁和載體樁方案。經(jīng)過分析，鉆孔樁和載體樁在方案可行性、施工組織可操作性、經(jīng)濟(jì)效益等方面較合理，現(xiàn)僅列舉此2 種方案。載體樁與鉆孔樁優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2。

表2 載體樁與鉆孔樁優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

載體樁因其樁長(zhǎng)短、工效高、配套工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在不考慮縮短工期產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益情況下，相比于鉆孔樁，在本項(xiàng)目施工中直接降低成本達(dá)51.9%。

4 結(jié)論與建議

目前項(xiàng)目載體樁已施工完成70 根，施工質(zhì)量全部合格，后續(xù)支架預(yù)壓時(shí)樁頂最大沉降量?jī)H2 mm，載體樁施工取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，具有在同類工程中推廣應(yīng)用的價(jià)值。但是，受施工條件限制，對(duì)載體樁的試驗(yàn)與探索尚不全面，需在后期施工中不斷總結(jié)完善，建議如下：

（1）根據(jù)載體樁的受力特點(diǎn)，持力層承載力越高、可加固性越強(qiáng)，樁承載能力越大。當(dāng)持力層為砂或礫石時(shí)，對(duì)應(yīng)填料種類是否可以進(jìn)一步優(yōu)化。

（2）地下水對(duì)載體樁的影響程度尚不能完全判定。在工程實(shí)施中，主要影響為成樁后至混凝土灌注前，少量泥漿由護(hù)筒底滲入到孔內(nèi)，存在泥漿裹附在樁底混凝土內(nèi)、導(dǎo)致樁身缺陷的隱患。采取措施為夯擊填充料前，先夯入部分磚渣封底，切斷地下水滲流路徑，實(shí)施效果表明，灌注完成后樁頂仍有偶發(fā)性的泥漿出現(xiàn)，需要在后續(xù)施工中進(jìn)行改進(jìn)。

（3）地質(zhì)條件較差（如濕陷性黃土、地震液化層等）時(shí)，載體樁應(yīng)用有待深入探討。