载体桩设计过程中参数敏感性的模拟分析

邢 锋 （南通天一置业有限公司，江苏 南通 226001）

1 研究背景

随着近年来我国城市更新与开发的速度越来越快，各种大规模的公建及住宅项目应运而生，特别是各个城市在城市地标建筑打造上不遗余力，建筑造型凸显城市特色。工程规模不断扩大，楼面荷载不断增加，传统的天然地基方案显然无法满足该类型项目的需求，且地基变形及承载力达不到工程设计的要求。为了减小地基变形并增加承载性能，提出新的桩基或地基处理方案势在必行。桩基础即通过桩身将上部荷载传递至深层土体中，通过桩身与桩周土的摩擦力、桩端的端阻力形成抗力来承担上部荷载。一般情况下，当上部荷载较大或地质条件较差时，桩基方案是首选的基础方案[1-2]。

工程建设过程中，应用较多的桩基有钻孔灌注桩及预制混凝土管桩。钻孔灌注桩适用于绝大部分的土层，基本不受地质条件的影响，在我国是应用最为广泛的桩基型式之一，但钻孔灌注桩施工成本高、周期长、环境污染大，导致其往往非基础工程的首选方案。在南通地区，地质条件以中软土为主，上部较硬土层主要为中密～密实的粉砂土，因此本地区的基础首选方案为预制混凝土管桩。预制混凝土管桩施工成本较灌注桩而言，成本底、施工速度快、可预制且环境污染小，在本地区应用比较合适。但对开发商而言，如何有效较低施工成本成为其关心的首要问题，上部结构的优化已接近极限，基础方案的优化成为当前的主要议题，而载体桩的出现有效地解决了这一部分的问题。

载体桩是将桩基础与地基处理结合起来形成的一种深层地基处理技术，由桩身及载体两部组成，桩身主要用来传递荷载，载体用来扩散荷载，桩端持力层主要用来承担荷载。相同长度的载体桩与预制管桩，载体桩可提供更高的承载力并减小沉降以满足规范及设计要求。在载体桩的设计过程中，一般只关注单桩承载力的大小，对桩径、桩间距、载体尺寸及桩端持力层的研究较少[3]，本文依托南通市某新建厂房的载体桩设计，采用PLAXIS 软件对不同桩径、桩间距、载体尺寸及桩端持力层进行建模计算，分析桩径、桩间距、载体尺寸、桩端持力层对载体桩沉降的影响。

2 研究概述

2.1 载体桩概述

载体桩由桩身及载体构成，载体是经重锤夯实形成的承载体，载体填料由混凝土、填料、压实土和影响土体或者单独由水泥砂拌合物构成。通过重锤夯实土体，并填充干硬混凝土料，达到设计三击贯入度的要求，使桩端形成加固体，由内向外依次为干硬混凝土、填料、压实土及影响土体，如图1 所示。根据国内外学者的研究成果[4]，在相同条件下，载体桩的承载力特质值是同长度、同桩径灌注桩或管桩承载力的2～5倍[5]。

图1 载体桩构成示例图

深层土体的夯实挤密过程是载体桩技术的主要创新点，当上部荷载通过桩身传递至被加固载体时，由于载体主要由混凝土、夯实料及挤密土层组成，压缩模量由内向外依次递减，应力逐渐扩散并减少。当传递至持力层时，应力小于持力层地基承载力，从而满足地基承载力的要求，应力扩散原理是载体桩的受力机理。

2.2 模拟方案概述

载体桩是一种较新的桩基技术，且近些年来开发出了越来越多的新技术。载体桩承载力设计时主要关注方向分为两个方面，即经深度修正后的持力层承载力特征值和等效计算面积[6]。

深度修正后的持力层特征值主要涉及到载体桩的设计深度及持力层，而等效计算面积主要受三击贯入度及持力层土性的影响，总结起来就是载体深度、三击贯入度及持力层三个方面为载体桩承载力设计的主要影响因素，而对设计桩径、载体尺寸、桩间距的关注较少。在承载力满足设计要求的同时，沉降量是主要的关注对象，基于此，研究在相同上部荷载作用下桩基沉降对设计参数的敏感性是非常有必要的。笔者采用PLAXIS软件对设计参数进行建模分析，模型试验对比方案如表1所示。

表1 模型试验对比方案

3 参数敏感性的模拟分析

载体桩的桩径、载体尺寸、桩间距及桩长的影响往往是桩基设计过程中容易忽略的问题。笔者以南通市某工业厂房载体桩设计过程为例，采用PLAXIS软件进行建模，分别模拟各设计参数的敏感性，场地内的各土层的物理力学参数及PLAXIS程序材料参数见表2。

表2 场地内的各土层的物理力学参数及PLAXIS程序材料参数

根据地质勘察报告的推荐，本工程拟采用层6（粉砂）作为载体桩桩端持力层，单桩承载力特征值Ra=1200 kN，主要考虑两个方面，首先，层6（粉砂）承载力特质值大，是较为合适的持力层；其次，深度适中，层6 顶标高位于自然底面下11.0～12.0 m，层厚大于3.0 m，机械施工较方便。为对比不同持力层对载体桩沉降的敏感性，笔者认为场地内层5（粉砂夹砂质粉土）亦为较为合适的载体桩持力层。

3.1 桩径的影响

其他设计参数不变，以层6（粉砂）为桩端持力层，建立载体桩桩径分别为400 mm 及500 mm 的模型，并在桩顶上部施加点荷载来模拟桩基承载力特征值，Ra=1200 kN。Y 方向的位移云图及位移等值线如图2所示。

图2 桩径400及500mm时Y方向的位移云图及位移等值线

根据PLAXIS 计算结果可得，桩径400mm 时桩端处Y 方向最大位移为2.884 mm，而桩径500 mm 时桩端处Y方向最大位移为2.616 mm。故桩径对载体桩位移影响较小，基本可以忽略桩径的影响，但对于单桩承载力较大的载体桩，宜根据荷载要求采用相应的桩径。

3.2 载体尺寸的影响

根据施工经验，对于桩径300～500 mm 的载体桩，载体施工填量约为900块砖，干混凝土填量体积约为1.8 m3。根据文献[7]的研究成果，按照规范计算及理想体积不变原则，载体桩载体的尺寸一般为0.8～1.20 m。载体直径0.8 m、1.0 m 及1.2 m 的Y 方向位移云图及位移等值线如图3所示。

图3 载体直径0.8m、1.0m及1.2m的Y方向位移云图及位移等值线

根据数值模拟结果显示，载体直径对载体桩的沉降量有一定的影响，直径为0.8 m、1.0 m 及1.2 m 的载体对应的沉降分别为3.025 mm、2.815 mm 及2.773 mm，载体直径越小，沉降量越大。采用1stOpt 软件对模拟结果进行线性及非线性拟合，载体直径（d，单位m）与沉降量（S，单位mm）基本上呈幂指数关系，即S=2.86×d-0.22（R2=0.92）。

3.3 桩间距的影响

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）[8]对沉管夯扩或钻孔挤扩桩而言，在饱和非黏性土中，当排数不少于3排且桩数不少于9 根的摩擦型桩基时，基桩的最小中心距应大于2.2D（扩大端设计直径）和4.0d（圆桩设计直径或方桩设计边长），其他情况时应大于2.0D 和3.5d。对本文内桩基设计而言，承台下桩基数量为3～4 根，显然应满足基桩的最小中心距大于2×1.0=2.0 m 和3.5×0.45=1.575 m。因此，为模拟桩间距对载体桩的影响，分别建立桩间距2.0 m及3.0 m 的计算模型。Y 方向位移云图及位移等值线如图4所示。

图4 桩间距2.0m及3.0m时Y方向位移云图及位移等值线

根据图4 可知，当桩间距为2.0 m时，载体底最大位移为3.508 mm；当桩间距为3.0 m 时，载体底最大位移为3.188 mm；桩间距越小，载体桩沉降量越大。对比相同情况下（桩径450 mm、载体直径1.0 m）单桩沉降量2.815 mm，在周边桩基的附加应力叠加影响下，桩基沉降量增大。因此，确保基桩最小中心距满足规范要求是十分必要的。

3.4 持力层（桩长）的影响

对比不同持力层（桩长）情况下载体桩的沉降量，在本工程中选择层5（粉砂夹砂质粉土）作为备选持力层，经试算，载体桩单桩承载力特征值为950 kN。Ra=950 kN 时，不同持力层载体桩Y 方向位移云图及位移等值线如图5所示。

图5 不同持力层载体桩Y方向位移云图及位移等值线

根据模拟结果显示，当以层6（粉砂）作为载体桩桩端持力层时，载体底沉降量最大为1.938 mm；当以层5（粉砂夹砂质粉土）作为载体桩桩端持力层时，载体底沉降量最大为2.235 mm；持力层为粉砂夹砂质粉土时沉降量更大。且从Y方向的位移云图可以发现，短桩对周边土层的扰动较长桩范围更大。由于层5埋深较浅，且桩端持力层承载力较层6而言较弱，虽然也是较为理想的载体桩桩端持力层，但针对单桩承载力较高的载体桩而言，建议持力层选择为埋深较深、土层承载力高且厚度大的土层。此时，在相同荷载作用下可有效控制桩底沉降量。其次，考虑到城市中心地下空间的开发利用，若周边地块开挖降水，降水引起的附加应力对已完工的载体桩沉降亦有一定的影响，当载体埋深较深时，可减小降水引起的附加应力对载体桩的影响。

4 结论

通过对某工业厂房载体桩的设计工作，采用PLAXIS软件建立桩土相互作用的模型，通过改变载体桩设计过程中的参数，对桩径、载体尺寸、桩间距及持力层进行了模拟计算，分析各设计参数对载体桩沉降的影响，得出如下结论：

①桩径对载体桩的沉降影响较小，但对于高单桩承载力特征值的载体桩而言，建议采用相适宜的桩径；

②载体尺寸对沉降有一定的影响，相同条件下，载体尺寸越小，沉降量越大，载体尺寸与沉降量呈幂指数关系；

③在周边桩基附件应力叠加效用的作用下，桩间距越小，载体桩沉降量越大，且在载体桩设计时，应满足基桩最小中心距的要求；

④桩长越长、载体处持力层承载力越高，对控制载体桩沉降有益，载体桩设计时应选择深度适中、承载力高的土层作为桩端持力层。