基于极限平衡原理的载体桩复合地基承载力分析

唐先彬 祝向文 石 强 章 进 郑泽豪

随着城镇化进程的推进，载体桩复合地基在住宅、工业厂房及城市基础设施的建设过程中应用逐渐广泛。主要是其具备较好的承载性能，特别是竖向的抗拔承载力特点。在长时间的研究过程中，相关工作人员对载体桩复合地基的承载力测试，已经取得了一些成果，能够在实际的工况施工中，进行较为细致和准确的分析[1]。但由于施工项目是一个动态的过程，在进行载体桩地基施工上会存在土壤破坏面，尤其在不同性质的土壤环境中进行地基施工，会产生不同的承载力计算结果[2]。

原分析方法不能对产生破坏的土壤进行模拟，需要人工测量并恢复到正常状态下才能进行下一次的承载力分析，会影响施工的进行，增加施工成本。对载体桩复合地基的承载力进行分析，能够在不同的桩体结构中，找到最适宜的施工位置，保证施工过程不受影响，保持持续的施工状态[3]。

极限平衡原理能够通过假定理论，建立与实际工程概况相符合的场景，并在多层级分析方法的作用下，对各类施工性能进行分析。在已知的工程施工环境中，可以通过极限平衡原理对施工面进行假定，根据最大值和最小值来确定，施工面中的未知性能参数，以此获取不同载体桩复合地基的承载力情况[4]。

为减少实际工程施工的局限性，本文以极限平衡原理为基础，研究载体桩复合地基的承载力分析方法，对建筑施工过程中的承载力进行计算，保证在最适宜的载体桩结构上，发挥出其最大的承载力性能。

1 载体桩复合地基承载力管桩的施工工艺

1.1 施工机械的选择

载体桩施工机械常选用振动沉管桩机和钻孔灌注桩专用桩机。但是，近几年液压行走夯扩桩机得到了广泛的应用。打桩机的施工优点为，打桩时旋转行走灵活、无噪音、无空气污染、操作方便等，可逐一打桩或跳位打桩。因此本文选择液压行走夯扩桩机。该打桩机设备主要包括以下部分。 一是套筒。用于导护井壁，设有进料孔、套管对中装置、套管提升器等；二是50 kN 快卸主提升机。可升降和释放重锤；三是30 kN 辅助绞车。可提升套管与背压使用；四是桩架。构成是中空垂杆和支承斜杆；五是细长重锤。锤体长度4 m ～5 m，锤径为355 ～406 mm，普通锤重35 kN。锤体通过不缠绕的钢丝绳与快卸绞车连接；六是底盘和液压行走系统。

1.2 载体填充料的选择

载体桩的另一个优点是，载体建设所需的填充材料可以消耗大量的废物，使废物可以重复利用，具有很好的环境效益。碎砖、碎石、混凝土碎块、鹅卵石、矿渣等材料均可用作填筑材料，并通过锤击和夯实获得高强度。将周围土体进一步压实，强度大大提高，最终提高桩基的承载能力。

1.3 施工工艺

（1)复测桩位线。首先将场地处理平整，然后根据桩基设计图纸对建筑物进行定位和桩位测量放样，复核进行复测，只有合格后才能进行施工。施工过程中，还要再次进行复测。

（2)桩基础就位。首先检查基础工作，调整桩套，把桩基础移动到即将施工的打桩处，核查桩基垂直度，保证桩位中心和桩套中心对齐；然后把桩套下降到地面位置并拉直。在施工时，打桩机应稳定，无倾斜、无位移。同时还需要注意成孔深度的控制，在桩架上标记控制标高，多观察和记录。

（3)锤孔。首先要保证定位准确，需要采用细锤对较低地面进行夯实落距；然后对桩套垂直度利用水平尺进行校对，同时改进重锤夯孔。最后，注意设计落距和锤重时要符合要求；套桩下沉到柱底时，测量孔底孔深和高程。

（4)夯实填充物。当桩体下沉至设计标高时，将重锤从填料口抬起（锤底距桩体底部40 ～60 cm 为宜)，用重锤作自由落体对填充物进行夯实。充填过程大致可分为3 个阶段：充填下降、平整和上升。应控制每次灌注量（每10 cm深度添加0.01 m³灌注量为宜)和累计灌注量。填充量以0.5 ～1.8 m³为宜。大于1.8 m³时，应选择加筋土层或改变施工参数。

（5)三次贯入测量。当承重体达到致密状态时，重锤以6 m 的下落距离进行自由落体运动，夯实填充物。三次打击的总穿透力不得大于15 cm，每一次打击穿透力应小于或等于前一次打击的穿透力。如果三次击入深度超过15 cm，则应继续填充并压实入桩套筒，直至满足要求。

（6)夯实干硬混凝土。当三次击入达到设计要求时，填入0.3 ～0.5 m³的干硬混凝土，继续夯实，直至锤底离套管1 ～2 cm，按拉索上的标志控制设计标高。

（7)浇筑预应力混凝土管桩和桩身。根据桩身长度选择预应力管桩。采用地面桩进行连接桩，在设计标高处放置桩身，在管桩中浇筑高度约为30 m 的自密实混凝土，方便载体与预应力管桩更高效的结合。

（8)拔出套筒注浆成桩。基于高压注浆方法，将不同的桩身之间浇筑水泥浆，以等速缓慢拔出。

2 实验准备

载体桩是一种新型的桩基施工技术，但在复合基础施工中，对其承载力的测试实验较少，不能保证在建筑或者公路施工中载体桩的承受能力，需要选择实际施工项目，对载体桩复合地基的承载力进行测试[5]。

以某高铁站的地基工程为施工项目，选择三组载体桩作为复合地基的增强体，直径分别为350 mm 和450 mm 以及550 mm，除了直径不同以外，其余材料性质均一致。每组桩体之间的间隔保持在3 m，各组载体桩包含18 根桩体，预设土层下埋深度为3.8 m。

实验测试采用1 000 T的油压千斤顶，进行施工全程的加载，配置有油压传感器完成加载值控制，每组载体桩间隔之间布置位移传感器，便于后续完成沉降量测试。

3 实验过程

载体桩复合地基是否具备稳定性，是整个建筑的重点测试项目，在建筑工程中对不同位置的载体桩进行稳定性测试，需要对其承载力进行分析。极限平衡原理在实际工程中的应用较为广泛，该理论能够在不同的假设条件下，对载体桩复合地基的平衡效果进行计算。

由于载体桩复合地基的施工过程较为复杂，基本上在承载力计算中需要反复进行验证，此次设定一个承载力，将载体桩复合地基放在直角坐标系中。按照地基工程的边界位置，对各个点位的载体桩进行标记，为简化计算过程，直接对工程的设计图纸进行还原，建立一个边界方程的直角坐标系，具体如图1所示。

图1 直角坐标系下地基承载力分析

根据图中内容所示，坐标的起点为地基的中心位置，与任意的相邻载体桩，能够连成一条直线，按照不同的走向可以设置为Q-W、Q-E 和Q-B。将不同位置的承载桩进行确定后，其与中心的连线均为一条直线，对于每个承载桩的位置均可以产生一个粘结力R。而最远承载桩到与中心点平行的垂直距离，设置为T，以此在安全系数理论下，建立承载力的边界方程。

4 实验结果

为验证不同载体桩复合地基的承载力性能，对选择的三组地基进行结果对比，按照建筑地基的基础设计规范，对不同参数的地基桩径呈现的承载力进行测试。测试分为2 个部分。首先对不同的单桩抗压性能进行静载测试，即在不同的施工验收结果下，对不同的桩径载体桩进行荷载能力测试。其次在最大荷载能力下，对桩体桩的侧桩抗阻力进行测试，比较不同桩径下侧抗阻力的变化趋势。测试开始前将三组载体桩地基参数，上传到有限元计算模型中，模拟正常施工环境，对桩位的现场情况进行随机初选，每组载体桩的施工时间需大于18d。

若桩体的荷载能力较高，其在多次静压测试下的沉降量就不会十分明显;当载体桩的荷载能力较低时，地基会出现较大的沉降量。一般情况下，桩体的荷载能力越强，地基的承载力效果就越好，在1 000 KN 和2 000 KN 以 及3 000 KN的测试条件下，对比不同桩径的沉降量，具体如表1 所示。

据表1 所示，增加荷载能力时，不同直径的沉降量均会发生变化。随着荷载能力的增加，沉降量也会逐渐增大。其中桩径为450 mm 的载体桩结构，产生的沉降量变化值较小，在荷载能力为3 000 KN 时沉降量没有超过1.5 mm。其余两组桩体直径结构产生的沉降量虽然也符合工程设定，但是实际应用中会以最小值的变化，为地基载体桩施工的优先选择。

表1 不同荷载下载体桩沉降量对比结果（mm）

而载体桩复合地基是以端承载为主的桩体，当逐渐增加桩体荷载时，桩体的侧抗阻力会发生变化，以此将桩体的侧抗阻力作承载力性能测试，验证其是否能够满足建筑工程项目的安全储备设置。仍以三组荷载能力为测试强度，对不同直径的载体桩复合地基，进行侧抗阻力测试，具体如表2 所示。

表2 不同桩径侧抗阻力测试结果（KPA）

根据表中内容所示，三组载体桩地基的侧抗阻力度非常相似。随着荷载强度的逐渐提升，不同载体桩桩径的侧抗阻力值逐渐提高，因此将桩侧阻力作为施工的安全储备是合理设定。由于直径为450 mm 的载体桩沉降量最小，直接对其的侧抗阻力进行分析，在3 000 KN 荷载能力下，其侧抗阻力的数值仍属于最佳结果。

综合实验可知：在极限平衡原理下进行承载力分析。能够将施工场景进行还原，对不同的载体桩复合地基进行多角度分析，在本文应用过程中，以直径为450 mm 的载体桩为最佳施工标准，能够在3 000 KN 荷载能力时保证最小沉降量和最大侧抗阻力。

5 结语

本文以极限平衡原理为基础，设置一个承载力分析模型，对不同载体桩的直径结构进行计算，能够在还原施工环境的状态下，对比不同桩体的承载力效果。实验结果表明，在3 000 KN 荷载能力时，直径为450 mm 的载体桩沉降量最小，侧抗阻力最大。但时间有限，在研究过程中尚存在不足之处，如对桩体的直径选择组数过少，所得结论具有偏差性。后续研究中会针对这一问题，选择更多类型的载体桩直径进行测试，对桩体的承载力进行全方位分析，保证施工工程的安全性。