夯扩桩承载力估算值与静动载试验值的比较

夯扩桩承载力估算值与静动载试验值的比较摘要结合实例对夯扩桩按公式计算单桩设计承载力与静动载试验作了分析比较，就单桩设计承载力的合理取值进行了探讨，得出了几点结论。关键词夯扩桩；承载力；静动载试验夯扩沉管灌注桩是集合了锤击桩和振动沉管灌注桩优点的一种新型沉管灌注桩，近年来得到了很快的推广和应用，并获得了明显的效益。夯扩沉管灌注桩利用内击锤或内夯管与沉管的共同作用，在沉管达到设计持力层深度之后，在管内灌入混凝土进行夯击，在夯击能量的作用下迫使灌入管内的混凝土向下部及周围的土体挤动，这样，既使灌入的管内混凝土形成了扩大端部分，又使端部所处的持力层在某种程度上得到了夯实，进而提高了桩端的承载力。1夯扩桩扩底原理及作用机理1.1扩底原理夯扩桩目前有锤击沉管夯扩桩和振动沉管夯扩桩两种。锤击沉管夯扩桩采用双管，外桩管为通心钢管，内桩管下端封底，两管套装长度相等，用桩锤将其打到设计深度后拔出内管，往外管内灌入一定高度的扩底混凝土，重新插入内管并将外管向上拔一定高度，锤击力经内外桩管直接传给混凝土，通过桩管的挤撑作用，迫使扩底混凝土向下部和四周基土挤压，形成扩大头(图1)。图1锤击沉管扩底振动沉管夯扩桩采用单管，用振动加压将其打到设计深度，往管内注入一定高度的扩底混凝土后向上提管，提管时桩尖活瓣打开，混凝土进入孔底，由于桩尖活瓣受外侧阻力关闭，通过加压振动复打，迫使扩底混凝土向下部和四周基土挤压，形成扩大头(图2)。图2振动沉管扩底上述两种夯扩方法，其扩大头直径和形状与持力层性质及扩底参数有直接关系，一般一次夯扩，扩大头直径可达到550mm；二次夯扩，扩大头直径可达到700mm。1.2作用机理夯扩桩是充分发挥桩侧摩阻力和桩端支承力的一种新桩型，以单桩承载力为主，同时起到挤密和加固地基土，提高桩端地基土强度的作用。经静力触探表明，桩侧比贯入阻力提高5%～10%，扩大头比贯入阻力提高25%～35%。2夯扩桩承载力的设计取值2.1扩大端直径的计算根据成桩工艺，设沉管进入土层后基底部在A-A位置(见图3)，设沉管内径为d1，灌入的混凝土在管内的高度为H，沉管振起的高度为h，经过夯击之后沉管同时下沉距离为C，设形成的混凝土扩大部分为管心球体，则扩大头的直径为：(1)图3夯扩过程示意图式中，α为形状系数。当夯扩完成后形成的扩大端完全为圆球体时，α＝1，当扩大端为竖向或横向的椭圆球时，α≠1。Α是桩端处土层的侧压力系数K、泊松比μ、竖向压缩模量Es的函数，其关系为α＝f（K，μ，Es)。设扩大端主要受土层的侧压力系数K、泊松比μ所控制，则有(2)一般地，α＝0.8～1.2，视具体情况而定。当桩端所处持力土层的土质较差时，则易于夯扩形成扩大端，应该在施工控制中增加夯扩混凝土量；当桩端土层的土质较好时，在相同的其它地质条件下，拔管高度小比拔管高度大夯扩后所得到的扩大端直径为大。然而，当拔管高度过小且管内的混凝土量一定时，则施工中管内存留的混凝土就多，在进行夯扩时容易出现卡管；若增加击实能量时，则容易出现将沉管夯裂。因此，式(1)、(2)有实际应用意义，但在施工过程中，必须根据具体情况，视地质土层性状，控制合理的施工方案。2.2按公式估算夯扩桩单桩设计承载力为实用上的方便，按一般摩擦桩承载力由桩侧阻和桩端阻两部分提供的概念，夯扩桩的承载力也由桩身侧阻承载力和扩大后的端部承载力所构成。夯扩桩单桩竖向极限承载力标准值按下式计算(桩基所承受的主要竖向力)：(3)式中：Ruk——单桩竖向极限承载力标准值(kN)；d2——桩身直径，按外管外径确定(m）；qski——桩周第I层土的极限摩阻力标准值(kPa），对于扩大头变截面以下不计侧阻力；LI——桩周第I层土的厚度(m)；qp——桩端极限阻力标准值(kPa)；β——桩端土夯实综合修正系数，表9.7.5。取1.05～1.40，粘性土取小值，砂性土取大值。在正常施工条件下，影响β的主要因素也同样是桩端处土层的性质。实践经验表明，易于夯扩的桩端土层，经检测得到的桩端承载力提高的比率就大一些；对于不易夯扩的桩端土层，其承载力本来就高，在某一特定的传播能量下，提高其土层的承载力是不易得到的。设计估算值与经验值有较大差距，常规做法是按设计估算值进行施工，采用工程桩做试桩，不压至破坏，以沉降量不超过40mm某一值对应的荷载值作为单桩承载力标准值。工程实例分析表明，有的桩静载试验沉降量只达到几毫米，就满足单桩承载力的设计值要求，没有充分发挥夯扩桩的实际潜力，特别是上部结构刚度大，对沉降要求可放松容许值的工程将造成较大浪费。因此，对夯扩桩应根据工程特点、地质条件、桩长、夯扩次数取用合理的单桩承载力标准值。现以南京地区某小区的一个5栋全框架商住楼(均为7层)，且楼与楼之间均有连接体的联合体建筑为工程实例。主体基础采用夯扩灌注桩，连接体采用沉管灌注桩，夯扩灌注桩管径377mm，成孔直径400mm，均复打两次，扩底直径为700mm。其中3栋楼的土层分布等有关数据见表1，表中，02栋的有效平均桩长为14.60m，01、03栋为14.80m，3栋桩径均为400mm，试验方式均为静载动测。按表1所列数据代入公式即可计算出各栋的单桩竖向极限承载力标准值分别为：01栋653.2kN，02栋676.5kN，03栋663.8kN。根据试验结果，单桩承载力标准值为550kN。3桩的极限承载力和静载、动测取值发挥桩的载荷潜力，必须发挥桩侧阻力和桩端阻力。桩侧阻力和桩端阻力都与桩土的相对位移密切相关，桩侧阻力达到极限所需的位移量随土层性质不同而不同，对于粘性土约为5～7mm，砂性土约为10mm。端阻力发挥极限承载力所需的位移量目前尚无充分的资料，有资料介绍端阻力需在s＝40～60mm或更多时才发挥作用，由于桩尖“软垫”的压缩影响，发挥端阻力所需的位移量要比侧阻力大得多。一般桩侧阻力先于桩端阻力发挥出来，随着荷载增加，桩侧阻力和桩端阻力以不同速率增长，桩侧阻力逐渐趋于稳定，而桩端阻力不断增加，所以单桩承载力的极限状态一般由桩端阻力破坏所控制。本文的工程实例均在《建筑地基基础设计规范》GBJ7-89［3］规定的桩顶总沉降量s＝40mm范围内取值。表1南京某小区01～03栋楼土层分布等有关测试数据表栋号土层分布层厚/mqski/kPaqp/kPa栋号土层分布层厚/mqski/kPaqp/kPa01杂填土1.218淤泥质粉质粘土3.520素填土1.530粉质粘土(可塑)2.5441800粉土1.130粉质粘土(坚硬)1.6803000粉砂3.230粉砂质泥岩(坚硬)未穿透904000淤泥质粉土3.03003杂填土1.418淤泥质粉质粘土4.620素填土1.230粉质粘土(可塑)2.0441800粉土0.830粉质粘土(硬塑)1.9803000粉砂3.630粉砂质泥岩(坚硬)未穿透904000淤泥质粉土3.93002杂填土1.418淤泥质粉质粘土3.520素填土1.230粉质粘土(可塑)2.5441800粉土0.830粉质粘土(硬塑)1.6803000粉砂3.630粉砂质泥岩(坚硬)未穿透904000淤泥质粉土3.930如表1所示，对01、02、03栋楼桩基做静载和动测试验。每栋楼取一根试桩(因为3栋楼相邻)，P-s曲线见图4。从图4（a）的P-s曲线上可以看出，当荷载加至1200kN时，沉降量s＝17mm；图4（b）中荷载加至1200kN时，沉降量s＝19mm；图4（c）中荷载加至1200kN时，沉降量s＝18mm。静载试验报告取单桩承载力标准值为550kN，承载力满足设计要求。同时做了动测试验，详见图5及表2。表2桩基动测成果表桩号桩长/m桩径/m桩底反射时间/ms波速/m.s-1混凝土标号桩身完整性共振频率/Hz单桩极限承载力/kN1号试14.50.45.73684C20完整4512502号试18.30.49.73773C20完整3812803号试12.50.46.53920C20完整421330图401、02、03栋静载试验P-s曲线反射波法测桩(测桩身完整性)的实测波形图详见图5。从表2中可看出其3根桩的单桩承载力标准值均大于600kN，满足设计要求，可做设计取值时参考。图501、02、03栋动测试验曲线4结果分析从图4可以看出，荷载加至单桩极限承载力时，最大沉降量为19mm，小于《建筑地基基础设计规范》GBJ7-89规定的沉降量40mm，P-s曲线也没有明显的陡降段，呈缓变形。证明静载试验时，荷载加至满足单桩承载力设计值时就要求停止，没有发挥夯扩桩的实际潜力，较偏于安全。按公式估算的单桩承载力设计值为650kN左右，工程实例中单桩承载力设计取值为550kN(经静载、动测试验得出)，设计取值约为按公式估算值的85%～90%。其主要原因为：一是桩端扩大头实际最大直径不一定能达到按公式估算时的最大直径D；二是复打桩桩径不一定能达到按公式估算时的桩径；三是受施工工艺的影响；四是一般在公式估算值的基础上初步确定单桩承载力设计取值，与工程试桩确定单桩承载力(容许值)有差别。基于这些原因，所以公式估算值比设计取值高。从经济效益的角度来看，夯扩桩混凝土强度一般为C20，需配置612的钢筋笼，其长度只有桩长的1/3～1/2。根据已施工的桩基工程计算分析，其单方混凝土平均含钢量为21～32kg／m3，按单方混凝土计算，夯扩桩比钢筋混凝土预制桩的造价约低41%；与普通沉管灌注桩相比较，夯扩桩在施工工艺上多较复杂，其定额价高于普通沉管灌注桩，但由于夯扩桩的混凝土单位体积承载力高，测算结果表明夯扩桩的综合造价显然低于普通沉管灌注桩，夯扩桩承载力一般可比同类沉管灌注桩提高60%以上。对于同一工程，更换夯扩桩型，不仅可以提高承载力，而且也可以减少桩的沉降量。因此，夯扩桩的工程效益十分明显。