載體樁承載特性及其影響因素分析

劉 林 錢申春

(1.江蘇省鎮(zhèn)江市路橋工程總公司，江蘇鎮(zhèn)江 212017;2.安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽合肥 230031)

0 引言

載體樁又被稱為復(fù)合載體夯擴(kuò)樁［1-4］，是在沉管擴(kuò)底灌注樁和夯擴(kuò)樁階段基礎(chǔ)上，由北京波森特巖土工程公司提出的一種新型樁。載體樁設(shè)計(jì)規(guī)程中將載體樁定義為由混凝土樁身和載體共同構(gòu)成的樁，施工時(shí)采用柱錘夯擊，護(hù)筒跟進(jìn)成孔，達(dá)到預(yù)定樁底標(biāo)高后，柱錘夯出護(hù)筒一定長度，然后分若干次向護(hù)筒內(nèi)加入填充料，用柱錘反復(fù)夯實(shí)，達(dá)到一定要求后再投入干硬性混凝土，并夯實(shí)形成載體，最后澆筑混凝土樁身。

載體樁通常由兩部分組成，一部分是樁身混凝土或樁身鋼筋混凝土(混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般不低于C25)，另一部分是樁身底部的載體。其中樁身底部的載體可由干硬性混凝土、夯實(shí)的填充料(一般由碎石、碎磚塊、碎混凝土塊、礦渣等組成)、擠密土體三部分組成。從變形和受力角度考慮，載體從里到外各填充材料的壓縮模量、強(qiáng)度常常是逐漸降低的，從而確保樁端底部的應(yīng)力可以逐漸擴(kuò)散。載體的形狀主要取決于載體外側(cè)土體的密實(shí)度、載體底部土體的密實(shí)度、載體距離持力層的距離、夯擊能的大小等因素，通常可近似為圓弧形(高度與寬度近似相等)、長圓弧形(高度大于寬度)、扁圓弧形(高度小于寬度)等。

為揭示載體樁設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)樁體承載能力的影響情況，本文以工程實(shí)際為支撐，從載體尺寸、樁徑尺寸、碎石土密實(shí)度、素混凝土強(qiáng)度等方面對(duì)樁體的承載能力特性進(jìn)行分析研究。

1 有限元模型建立

根據(jù)屯溪濱江壹號(hào)小區(qū)建筑場地載體樁的設(shè)計(jì)資料、工程勘察資料以及現(xiàn)場載荷試驗(yàn)成果，建立了有限元反分析模型，如圖1所示。

根據(jù)屯溪濱江壹號(hào)建筑場地的實(shí)際情況，確定項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)土層主要包括砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，計(jì)算土層的物理力學(xué)指標(biāo)參見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)匯總表

通過反分析，確定載體樁各區(qū)域的物理力學(xué)指標(biāo)和形狀指標(biāo)參見表2，表3。

表2 載體樁及樁間土物理力學(xué)參數(shù)匯總表

2 樁底部載體尺寸變化對(duì)載體樁承載力影響

表3 載體樁形狀參數(shù)表 m

以上述反分析模型為基礎(chǔ)，在保證端頭各區(qū)域橫、豎比例不變的前提下，對(duì)素混凝土區(qū)域體積減小20%、體積減小10%、體積不變、體積增大10%、體積增大20%、體積增大30%后樁體的變形情況進(jìn)行仿真模擬，其模擬計(jì)算結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，當(dāng)外部荷載較小時(shí)，隨著荷載的增加不同樁頭尺寸的復(fù)合地基承載能力差異不大，可認(rèn)為樁體處于彈性狀態(tài);當(dāng)外加荷載超過1 100 kPa時(shí)，在相同變形情況下，載體尺寸越大，承載能力越高;隨著樁部載體尺寸不斷減小，p—s曲線明顯變緩，載體樁的極限承載力對(duì)應(yīng)的p—s曲線拐點(diǎn)越不明顯;當(dāng)載體尺寸由增大10%變?yōu)樵龃?0%時(shí)，樁體復(fù)合地基的承載能力明顯增加，極限承載力隨之增大。

圖1 載體樁有限元模擬示意圖

圖2 不同樁部載體尺寸下載體樁的p—s曲線圖

3 上部樁徑尺寸變化對(duì)載體樁承載能力影響

利用反分析模型，對(duì)樁體直徑減小20%、直徑減小10%、直徑不變、直徑增大10%、直徑增大20%、直徑增大30%后樁體的承載能力變化情況進(jìn)行仿真模擬，其模擬計(jì)算結(jié)果參見圖3。

圖3 不同樁徑尺寸下載體樁的p—s曲線圖

由圖3可以看出，當(dāng)外部荷載較小時(shí)，隨著荷載的增加，不同樁徑尺寸的復(fù)合地基承載能力差異不大，可認(rèn)為樁體處于彈性狀態(tài);當(dāng)荷載逐級(jí)施加到1 760 kPa時(shí)，不同樁徑尺寸下的變形速率均有一定程度的增加，樁徑大的載體樁承載能力降低尤其明顯，且變形隨荷載變化趨勢(shì)近似于一條直線;若減小樁徑，會(huì)顯著降低傳遞到下部均質(zhì)土中的自重應(yīng)力，從而導(dǎo)致傳遞到地基深部的附加應(yīng)力值較小，使地基變形降低。

4 素混凝土強(qiáng)度參數(shù)變化對(duì)載體樁承載能力影響

為揭示素混凝土強(qiáng)度參數(shù)變化對(duì)載體樁承載能力的影響，對(duì)模型中素混凝土強(qiáng)度減小20%、強(qiáng)度減小10%、強(qiáng)度不變、強(qiáng)度增大10%、強(qiáng)度增大20%、強(qiáng)度增大30%后載體樁承載能力的變化情況進(jìn)行仿真分析，其模擬計(jì)算結(jié)果參見圖4。

由圖4可以看出，載體樁端頭的素混凝土參數(shù)變化對(duì)載體樁的承載力影響不大，因?yàn)樗鼗炷翉?qiáng)度的初始值較大，施加的荷載值與素混凝土的強(qiáng)度相比，可以忽略不計(jì)。因此，當(dāng)外部荷載較小時(shí)，通過提高素混凝土強(qiáng)度來提高載體樁的承載力效果并不明顯。

圖4 素混凝土強(qiáng)度參數(shù)變化時(shí)的p—s曲線

5 碎石土密實(shí)度變化對(duì)載體樁承載能力影響

碎石土的密實(shí)度與填料間的摩阻力、嵌擠力密切相關(guān)，并會(huì)在一定程度上對(duì)載體樁的承載能力產(chǎn)生影響，其密實(shí)度改變可通過改變夯擊能和填料配比來控制。本小節(jié)對(duì)碎石土密實(shí)度減小20%、密實(shí)度減小10%、密實(shí)度不變、密實(shí)度增大10%、密實(shí)度增大20%、密實(shí)度增大30%后載體樁的承載能力進(jìn)行仿真分析，模擬計(jì)算結(jié)果參見圖5。

圖5 碎石土壓實(shí)度變化時(shí)載體樁的p—s曲線

由圖5可見，碎石土區(qū)域的壓實(shí)度發(fā)生變化時(shí)，載體樁的承載力會(huì)有一定程度的變化，但變化幅度不大，如密實(shí)度提高30%，樁體復(fù)合地基的承載能力提高不足10%，這主要是由于碎石土區(qū)作為協(xié)調(diào)樁和樁間土變形的墊層，其承載能力較下部土體要大得多，當(dāng)荷載增大到一定限值時(shí)，其承載能力程度受下部和樁側(cè)土體的強(qiáng)度影響較大。

6 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)際資料，從底部載體尺寸、樁徑尺寸、碎石土密實(shí)度、素混凝土強(qiáng)度等方面對(duì)樁體的承載能力特性進(jìn)行分析研究，得到以下成果:

1)載體樁樁體底載體尺寸的變化對(duì)樁體的承載能力影響較大，對(duì)于確定的樁徑，當(dāng)載體樁端頭素混凝土的體積為當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)的1.1倍～1.2倍，載體樁復(fù)合地基的承載能力會(huì)有較大幅度的提高。

2)載體樁樁身直徑增大對(duì)提高樁體的承載能力影響不大，尤其是當(dāng)外部荷載較小時(shí)，載體樁復(fù)合地基的承載能力會(huì)有一定幅度的降低。

3)改變素混凝土的強(qiáng)度和碎石土區(qū)域的密實(shí)度對(duì)提高載體樁復(fù)合地基的承載能力有一定程度的影響，但由于素混凝土、密實(shí)碎石土的強(qiáng)度較下臥土層要大得多，通過改變素混凝土的強(qiáng)度和碎石土區(qū)域的密實(shí)度來提高載體樁承載能力的效果并不理想。

［1］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］沈保漢，王繼忠.載體樁技術(shù)的誕生與發(fā)展［J］.工程勘察，2009(1):1-4.

［3］王繼忠.載體樁技術(shù)的拓展［J］.工程勘察，2009(1):10-14.

［4］楊啟安，王繼忠.載體樁技術(shù)的拓展研究［J］.路基工程，2011(3):68-71.