载体桩在陕南粉质黏土地区的适用性研究

王建安 张慧海 陈 琳 任猛涛 张旭升

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043;2.陕西省安康市兴华建设集团房地产开发公司，陕西安康 725099)

0 引言

近年来，我国大多地级市的城市建设规模在日益增大，大型市政、民建工程日益增多，建构筑物规模和高度不断刷新纪录，同时也对地基基础承载力和施工工艺提出了更高要求。灌注桩在高荷载建筑的基础型式中使用率较高，安全性较好，但建设成本相对偏高。刚性桩复合地基建设成本较低，但在有限的桩长条件下，往往很难达到较高的承载力水平，在承载力要求不断提高，建筑垃圾亟待解决的背景下，一种新型的桩基施工技术—载体桩被广泛研究应用[1-5]。

载体桩技术具有挤密桩端土体和扩大桩端受力面积的双重积极效应，又能适量消化建筑垃圾，所以具有较高的应用价值。国内诸多学者就其承载特性，在不同地层中进行了大量的试验研究[1-3]。例如杜明芳等在郑州东部的砂土持力层中，开展了载体桩的承载力性能研究[1];张慧海等研究了载体桩在西安黄土地区的承载力特征，总结了影响该工艺成桩质量的关键因素[2]。在陕西南部的粉质黏土地区，相关研究成果较少;此外，对于相同试验场地，灌注桩和载体桩复合地基的承载力和建设成本对比分析研究鲜有报道。

针对上述问题，本文拟在陕南粉质黏土地区开展灌注桩和载体桩复合地基的现场静载试验研究，并结合经验理论计算方法，从承载力和建设成本两个方面，对两种地基基础方案的优劣进行对比分析。以期对陕南粉质黏土地区的类似工程建设提供有益参考和建议。

1 工程概况及场地地质条件

1.1 工程概况

试验场地位于陕西省安康市陈家沟村东部，场地总体上呈现东南高、西北低，起伏较大，最高点高程为320.5 m，最低点为295.58 m，相对高差24.92m。试验依托的民建工程拟建住宅楼10栋，楼层高度变化较大，高度分布范围为54～99 m，上部拟采用剪力墙结构，设1～2层地下室，基础埋深6.7 m。地基基础型式根据楼层高度拟分别采用灌注桩和载体桩复合基地两种。

1.2 场地工程地质条件

场地地貌单元属于汉江南岸二级洪积台地，整个台地为洪积平原经后期侵蚀改造而成，物质由上更新统粉质黏土、角砾和中更新统的粉质黏土、粉细砂和卵石组成，其下是志留系千枚岩。场地勘察深度范围内未见地下水，水文地质条件较简单。根据现场钻探、原位试验和室内试验，试验场地各土层的物理力学性质见表1。

表1 地基土主要物理力学性质指标

2 地基基础设计方案

楼层在23层及以下的住宅楼(地下1层)，采用载体桩复合地基型式，26层及以上的住宅楼(地下2层)，基础型式采用灌注桩。两类地基基础型式的桩位均采用等边三角形布置，平面位置见图1、图2。

图1 灌注桩平面布置图（单位:mm）

图2 载体桩平面布置图（单位:mm）

钢筋混凝土灌注桩的设计桩径为800 mm，桩间距为2.4 m，有效桩长为28.0 m，桩顶标高为-6.7 m，桩身混凝土强度等级为C30。载体桩桩身混凝土强度等级为C30，桩径450 mm，桩间距1.8m，有效桩长约为10.0 m，设计桩顶标高为-8.1 m，试桩的桩身剖面示意图见图3、图4。

图3 灌注桩桩身剖面示意图

图4 载体桩桩身剖面示意图

灌注桩和载体桩在成桩施工过程中严格按照《载体桩设计规程》[6]和《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[7]的要求执行，施工用料量等施工记录见表2。

表2 施工记录表

3 桩身质量及静载试验

3.1 成孔质量检测及桩身完整性检测

在进行单桩竖向静荷载试验之前，先后进行了成孔质量检测和桩身质量检测。其中成孔质量检测成果显示：最小孔径偏差＜-0.1d且＜-50 mm;桩孔垂直度偏差均小于1%;沉渣厚度为6.0～9.0 cm，小于10 cm。试桩桩身完整性检测均采用低应变动力检测方法，其中单桩静载试验的试桩桩身混凝土波速介于3050～4101 m/s，平均值约为3555.07 m/s，均为Ⅰ类桩。载体桩桩身混凝土波速为3190～4260 m/s，平均值为3551 m/s，均为Ⅰ类桩。成孔质量和桩身完整性均满足《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 99—2008)[8]的验收要求。

3.2 单桩竖向抗压静载试验

本次试验采用慢速维持荷载法，以堆重平台提供反力，加载设备为一台1000 t油压千斤顶。试验预估极限荷载为7000 k N，加荷共分9级，第一级加载到1400 k N，以后每级以700 k N的压力递增。试验结果见表3。

表3 钢筋混凝土灌注桩单桩载荷试验结果

3.3 载体桩复合地基静载荷试验

本试验承压板采用刚性圆板，面积为2.804 m2，板底铺设150 mm厚的砾砂层，承压板中心和试桩中心保持一致，并与荷载作用点相重合。试验采用慢速维持荷载法，加荷共分9级，首次加荷188 kPa，以后每级以94 kPa的压力递增，试验终止荷载为940 kPa。试验结果见表4。灌注桩和载体桩复合地基载荷试验按照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 94—2008)[8]进行。

表4 载体桩复合地基静载荷试验结果

3.4 桩身强度验算

根据灌注桩和载体桩复合地基承载力的试验结果，可计算得出，灌注桩和载体桩单桩竖向力设计值分别为4242 k N和1393 k N(计算过程中抗力分项系数取1.65);混凝土桩身强度计算时，灌注桩工作条件系数φc取0.6，由于载体桩桩长较小、水位以上施工以及混凝土强度等级低于C35，所以载体桩工作条件系数φc取0.7，计算得出的灌注桩和载体桩的桩身混凝土强度分别为4313 k N和1592 k N，均大于两者的单桩竖向力设计值，满足验算要求。

4 承载力结果分析

4.1 荷载-沉降变形分析

根据静载荷试验详测记录，绘制荷载--沉降(Q--s)曲线见图5—图6。分析图5和图6试验结果得到如下结论：

1)单桩竖向抗压承载力试验的Q--s曲线和载体桩复合地基静载试验的p--s曲线变化规律相近，均为缓变型;但灌注桩的Q--s曲线中间段出现明显的上凸规律，而载体桩的p--s曲线基本呈现近直线发展规律;

2)同类地基基础的三组载荷试验数据差异很小，变化趋势一致，由于试验未加载至桩体破坏，所以没有明显的陡降段;

3)灌注桩的单桩竖向抗压的极限承载力大于7000 k N，特征值大于3500 k N;载体桩复合地基承载力特征值大于470 kPa;

4)23层(加1层地下室)住宅楼基底荷载约为375 kPa，小于载体桩复合地基承载力特征值470 kPa，地基处理设计方案满足荷载要求，且有大于25%的安全储备;

5)等边三角形分布的灌注桩，单桩分担基底压力的等效面积为4.99 m2(两个等边三角形面积之和)，单位面积承载力特征值换算为3500 k N/4.99 m2=701.4 kPa;26层(加2层地下室)住宅楼基底荷载约为450 kPa，小于701.4 kPa，地基处理设计方案满足荷载要求，且有大于55%的安全储备。

图5 灌注桩荷载--沉降关系曲线图

图6 复合地基荷载--沉降关系曲线图

综上分析，两种地基基础型式的设计方案均偏于保守，特别是灌注桩安全储备较大。此外，根据上述对比分析得出，载体桩复合地基承载力特征值470 kPa亦能够满足26层(加2层地下室)住宅楼对地基承载的要求。初步推测应该是载体桩经验计算值的偏差，导致方案偏保守。

4.2 载体桩承载力计算值和试验值对比分析

依据《载体桩设计规程》(JGJ 135—2007)[6]规定，当载体桩作为复合地基中的增强体时，载体桩复合地基的设计可以参照CFG(水泥粉煤灰碎石桩)的有关规定。则依据相关规范[6-10]，承载力特征值按照下式(1)和式(2)确定：

式中：λ——单桩承载力发挥系数，无经验值可取0.8～0.9;

fskp——复合地基承载力特征值，kPa;

m——面积置换率;

AP——桩端面积，m2;

β——桩间土承载力折减系数，无经验值时取0.9～1.0;

fsk——处理后桩间土承载力特征值，kPa，根据场地土体类型，取天然地基承载力特征值(即粉质黏土190 kPa);

Ra——单桩竖向承载力特征值，k N。

式中：up——桩的周长，m;

n——桩所在范围内划分的土层数;

qsi、qp——桩周第i层上的侧阻力、桩端端阻力特征值，kPa，参照标准《建筑地基基础设计规范》[9]有关规定确定;

αP——桩端端阻力发挥系数，可取1.0;

li——第i层土的厚度，m。

各参数具体取值见表5，计算求得FH01、FH02、FH03点的地基承载力特征值均为392 kPa。现场静载试验结果显示，载体桩复合地基的在承载力特征值大于470 kPa，高出计算值20%以上。上述结果说明：

(1)当载体桩桩长较长，且作为复合地基增强体时，按照CFG(水泥粉煤灰碎石桩)的有关规定进行计算，虽已考虑桩侧阻力影响，但桩端阻力未考虑扩大头效益，所以计算结果偏小;

(2)由于计算结果偏小，往往导致地基基础方案发生较大调整，进而导致工程不胜经济。

表5 载体桩复合地基承载力计算参数表

4.3 地基基础方案经济效益对比

灌注桩和载体桩复合地基两种地基基础处理方案，不仅施工工艺不同，更重要的区别在于灌注桩需要配置钢筋，仅此一点施工成本也将明显高于载体桩。本节将在不考虑施工工艺差别以及钢筋材料成本的前提下，对比分别两种施工方案在桩身混凝土用量方面的材料成本。

为了便于对比分析，定义用料率(m3/kPa)=用料量(m3)/承载力特征值(kPa)。由表2可以得出，混凝土用料16.5 m3，可提供的等效承载力特征值为701.4 kPa，计算得出的单位用料率为23.5×10-3m3/kPa;载体桩用料2.4 m3，可提供的等效承载力特征值为470 kPa，计算得出的单位用料率为5.1×10-3m3/kPa。对比两者的用料率发现，载体桩用料率约为灌注桩的22%，原因分析主要包括两点：

1)载体桩通过冲击桩底土层并夯填填充料，不仅对桩底持力层土体进行了加固处理，提高了桩端土体的端阻力，而且形成了桩端扩大头，大幅度提高了单桩承载力;

2)载体桩复合地基，有效利用了桩间土的承载力，本试验载体桩复合地基的承载力中，桩间土承载力占比达到了46%。

综上分析，在施工工艺能够实现成桩的前提下，在能够满足上部结构荷载要求下，载体桩复合地基复合地基具有更好的经济效益。

5 结论

1)在陕南的类似粉质黏土地区，灌注桩Q--s曲线和载体桩复合地基p--s曲线均为缓变型，灌注桩的Q--s曲线中间段出现明显的上凸规律，而载体桩的p--s曲线基本呈现近直线发展规律。

2)采用本文的地基基础设计方案，灌注桩的单桩竖向抗压极限承载力大于7000 k N，特征值大于3500 k N;载体桩复合地基承载力特征值大于470 kPa，两种方案均可满足26层+地下2层的常规工民建住宅楼的承载力要求;载体桩桩长和桩径适当加大，安全性会更有保证。

3)当载体桩桩长较长，且作为复合地基增强体时，按照CFG(水泥粉煤灰碎石桩)的有关规定进行计算，桩端阻力扩的大头效益未得到考虑，计算结果偏小，容易设计方案偏保守的现象，进而导致建造成本偏高。

4)载体桩复合地基较灌注桩具有更好的经济效益，在能够满足上部结构承载力和抗震要求的情况下，在陕南的类似粉质黏土地区，建议优先考虑选用载体桩复合地基方案。