載體樁設計過程中參數敏感性的模擬分析

邢 鋒 （南通天一置業有限公司，江蘇 南通 226001）

1 研究背景

隨著近年來我國城市更新與開發的速度越來越快，各種大規模的公建及住宅項目應運而生，特別是各個城市在城市地標建筑打造上不遺余力，建筑造型凸顯城市特色。工程規模不斷擴大，樓面荷載不斷增加，傳統的天然地基方案顯然無法滿足該類型項目的需求，且地基變形及承載力達不到工程設計的要求。為了減小地基變形并增加承載性能，提出新的樁基或地基處理方案勢在必行。樁基礎即通過樁身將上部荷載傳遞至深層土體中，通過樁身與樁周土的摩擦力、樁端的端阻力形成抗力來承擔上部荷載。一般情況下，當上部荷載較大或地質條件較差時，樁基方案是首選的基礎方案[1-2]。

工程建設過程中，應用較多的樁基有鉆孔灌注樁及預制混凝土管樁。鉆孔灌注樁適用于絕大部分的土層，基本不受地質條件的影響，在我國是應用最為廣泛的樁基型式之一，但鉆孔灌注樁施工成本高、周期長、環境污染大，導致其往往非基礎工程的首選方案。在南通地區，地質條件以中軟土為主，上部較硬土層主要為中密～密實的粉砂土，因此本地區的基礎首選方案為預制混凝土管樁。預制混凝土管樁施工成本較灌注樁而言，成本底、施工速度快、可預制且環境污染小，在本地區應用比較合適。但對開發商而言，如何有效較低施工成本成為其關心的首要問題，上部結構的優化已接近極限，基礎方案的優化成為當前的主要議題，而載體樁的出現有效地解決了這一部分的問題。

載體樁是將樁基礎與地基處理結合起來形成的一種深層地基處理技術，由樁身及載體兩部組成，樁身主要用來傳遞荷載，載體用來擴散荷載，樁端持力層主要用來承擔荷載。相同長度的載體樁與預制管樁，載體樁可提供更高的承載力并減小沉降以滿足規范及設計要求。在載體樁的設計過程中，一般只關注單樁承載力的大小，對樁徑、樁間距、載體尺寸及樁端持力層的研究較少[3]，本文依托南通市某新建廠房的載體樁設計，采用PLAXIS 軟件對不同樁徑、樁間距、載體尺寸及樁端持力層進行建模計算，分析樁徑、樁間距、載體尺寸、樁端持力層對載體樁沉降的影響。

2 研究概述

2.1 載體樁概述

載體樁由樁身及載體構成，載體是經重錘夯實形成的承載體，載體填料由混凝土、填料、壓實土和影響土體或者單獨由水泥砂拌合物構成。通過重錘夯實土體，并填充干硬混凝土料，達到設計三擊貫入度的要求，使樁端形成加固體，由內向外依次為干硬混凝土、填料、壓實土及影響土體，如圖1 所示。根據國內外學者的研究成果[4]，在相同條件下，載體樁的承載力特質值是同長度、同樁徑灌注樁或管樁承載力的2～5倍[5]。

圖1 載體樁構成示例圖

深層土體的夯實擠密過程是載體樁技術的主要創新點，當上部荷載通過樁身傳遞至被加固載體時，由于載體主要由混凝土、夯實料及擠密土層組成，壓縮模量由內向外依次遞減，應力逐漸擴散并減少。當傳遞至持力層時，應力小于持力層地基承載力，從而滿足地基承載力的要求，應力擴散原理是載體樁的受力機理。

2.2 模擬方案概述

載體樁是一種較新的樁基技術，且近些年來開發出了越來越多的新技術。載體樁承載力設計時主要關注方向分為兩個方面，即經深度修正后的持力層承載力特征值和等效計算面積[6]。

深度修正后的持力層特征值主要涉及到載體樁的設計深度及持力層，而等效計算面積主要受三擊貫入度及持力層土性的影響，總結起來就是載體深度、三擊貫入度及持力層三個方面為載體樁承載力設計的主要影響因素，而對設計樁徑、載體尺寸、樁間距的關注較少。在承載力滿足設計要求的同時，沉降量是主要的關注對象，基于此，研究在相同上部荷載作用下樁基沉降對設計參數的敏感性是非常有必要的。筆者采用PLAXIS軟件對設計參數進行建模分析，模型試驗對比方案如表1所示。

表1 模型試驗對比方案

3 參數敏感性的模擬分析

載體樁的樁徑、載體尺寸、樁間距及樁長的影響往往是樁基設計過程中容易忽略的問題。筆者以南通市某工業廠房載體樁設計過程為例，采用PLAXIS軟件進行建模，分別模擬各設計參數的敏感性，場地內的各土層的物理力學參數及PLAXIS程序材料參數見表2。

表2 場地內的各土層的物理力學參數及PLAXIS程序材料參數

根據地質勘察報告的推薦，本工程擬采用層6（粉砂）作為載體樁樁端持力層，單樁承載力特征值Ra=1200 kN，主要考慮兩個方面，首先，層6（粉砂）承載力特質值大，是較為合適的持力層；其次，深度適中，層6 頂標高位于自然底面下11.0～12.0 m，層厚大于3.0 m，機械施工較方便。為對比不同持力層對載體樁沉降的敏感性，筆者認為場地內層5（粉砂夾砂質粉土）亦為較為合適的載體樁持力層。

3.1 樁徑的影響

其他設計參數不變，以層6（粉砂）為樁端持力層，建立載體樁樁徑分別為400 mm 及500 mm 的模型，并在樁頂上部施加點荷載來模擬樁基承載力特征值，Ra=1200 kN。Y 方向的位移云圖及位移等值線如圖2所示。

圖2 樁徑400及500mm時Y方向的位移云圖及位移等值線

根據PLAXIS 計算結果可得，樁徑400mm 時樁端處Y 方向最大位移為2.884 mm，而樁徑500 mm 時樁端處Y方向最大位移為2.616 mm。故樁徑對載體樁位移影響較小，基本可以忽略樁徑的影響，但對于單樁承載力較大的載體樁，宜根據荷載要求采用相應的樁徑。

3.2 載體尺寸的影響

根據施工經驗，對于樁徑300～500 mm 的載體樁，載體施工填量約為900塊磚，干混凝土填量體積約為1.8 m3。根據文獻[7]的研究成果，按照規范計算及理想體積不變原則，載體樁載體的尺寸一般為0.8～1.20 m。載體直徑0.8 m、1.0 m 及1.2 m 的Y 方向位移云圖及位移等值線如圖3所示。

圖3 載體直徑0.8m、1.0m及1.2m的Y方向位移云圖及位移等值線

根據數值模擬結果顯示，載體直徑對載體樁的沉降量有一定的影響，直徑為0.8 m、1.0 m 及1.2 m 的載體對應的沉降分別為3.025 mm、2.815 mm 及2.773 mm，載體直徑越小，沉降量越大。采用1stOpt 軟件對模擬結果進行線性及非線性擬合，載體直徑（d，單位m）與沉降量（S，單位mm）基本上呈冪指數關系，即S=2.86×d-0.22（R2=0.92）。

3.3 樁間距的影響

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）[8]對沉管夯擴或鉆孔擠擴樁而言，在飽和非黏性土中，當排數不少于3排且樁數不少于9 根的摩擦型樁基時，基樁的最小中心距應大于2.2D（擴大端設計直徑）和4.0d（圓樁設計直徑或方樁設計邊長），其他情況時應大于2.0D 和3.5d。對本文內樁基設計而言，承臺下樁基數量為3～4 根，顯然應滿足基樁的最小中心距大于2×1.0=2.0 m 和3.5×0.45=1.575 m。因此，為模擬樁間距對載體樁的影響，分別建立樁間距2.0 m及3.0 m 的計算模型。Y 方向位移云圖及位移等值線如圖4所示。

圖4 樁間距2.0m及3.0m時Y方向位移云圖及位移等值線

根據圖4 可知，當樁間距為2.0 m時，載體底最大位移為3.508 mm；當樁間距為3.0 m 時，載體底最大位移為3.188 mm；樁間距越小，載體樁沉降量越大。對比相同情況下（樁徑450 mm、載體直徑1.0 m）單樁沉降量2.815 mm，在周邊樁基的附加應力疊加影響下，樁基沉降量增大。因此，確保基樁最小中心距滿足規范要求是十分必要的。

3.4 持力層（樁長）的影響

對比不同持力層（樁長）情況下載體樁的沉降量，在本工程中選擇層5（粉砂夾砂質粉土）作為備選持力層，經試算，載體樁單樁承載力特征值為950 kN。Ra=950 kN 時，不同持力層載體樁Y 方向位移云圖及位移等值線如圖5所示。

圖5 不同持力層載體樁Y方向位移云圖及位移等值線

根據模擬結果顯示，當以層6（粉砂）作為載體樁樁端持力層時，載體底沉降量最大為1.938 mm；當以層5（粉砂夾砂質粉土）作為載體樁樁端持力層時，載體底沉降量最大為2.235 mm；持力層為粉砂夾砂質粉土時沉降量更大。且從Y方向的位移云圖可以發現，短樁對周邊土層的擾動較長樁范圍更大。由于層5埋深較淺，且樁端持力層承載力較層6而言較弱，雖然也是較為理想的載體樁樁端持力層，但針對單樁承載力較高的載體樁而言，建議持力層選擇為埋深較深、土層承載力高且厚度大的土層。此時，在相同荷載作用下可有效控制樁底沉降量。其次，考慮到城市中心地下空間的開發利用，若周邊地塊開挖降水，降水引起的附加應力對已完工的載體樁沉降亦有一定的影響，當載體埋深較深時，可減小降水引起的附加應力對載體樁的影響。

4 結論

通過對某工業廠房載體樁的設計工作，采用PLAXIS軟件建立樁土相互作用的模型，通過改變載體樁設計過程中的參數，對樁徑、載體尺寸、樁間距及持力層進行了模擬計算，分析各設計參數對載體樁沉降的影響，得出如下結論：

①樁徑對載體樁的沉降影響較小，但對于高單樁承載力特征值的載體樁而言，建議采用相適宜的樁徑；

②載體尺寸對沉降有一定的影響，相同條件下，載體尺寸越小，沉降量越大，載體尺寸與沉降量呈冪指數關系；

③在周邊樁基附件應力疊加效用的作用下，樁間距越小，載體樁沉降量越大，且在載體樁設計時，應滿足基樁最小中心距的要求；

④樁長越長、載體處持力層承載力越高，對控制載體樁沉降有益，載體樁設計時應選擇深度適中、承載力高的土層作為樁端持力層。