基于極限平衡原理的載體樁復合地基承載力分析

唐先彬 祝向文 石 強 章 進 鄭澤豪

隨著城鎮(zhèn)化進程的推進，載體樁復合地基在住宅、工業(yè)廠房及城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過程中應(yīng)用逐漸廣泛。主要是其具備較好的承載性能，特別是豎向的抗拔承載力特點。在長時間的研究過程中，相關(guān)工作人員對載體樁復合地基的承載力測試，已經(jīng)取得了一些成果，能夠在實際的工況施工中，進行較為細致和準確的分析[1]。但由于施工項目是一個動態(tài)的過程，在進行載體樁地基施工上會存在土壤破壞面，尤其在不同性質(zhì)的土壤環(huán)境中進行地基施工，會產(chǎn)生不同的承載力計算結(jié)果[2]。

原分析方法不能對產(chǎn)生破壞的土壤進行模擬，需要人工測量并恢復到正常狀態(tài)下才能進行下一次的承載力分析，會影響施工的進行，增加施工成本。對載體樁復合地基的承載力進行分析，能夠在不同的樁體結(jié)構(gòu)中，找到最適宜的施工位置，保證施工過程不受影響，保持持續(xù)的施工狀態(tài)[3]。

極限平衡原理能夠通過假定理論，建立與實際工程概況相符合的場景，并在多層級分析方法的作用下，對各類施工性能進行分析。在已知的工程施工環(huán)境中，可以通過極限平衡原理對施工面進行假定，根據(jù)最大值和最小值來確定，施工面中的未知性能參數(shù)，以此獲取不同載體樁復合地基的承載力情況[4]。

為減少實際工程施工的局限性，本文以極限平衡原理為基礎(chǔ)，研究載體樁復合地基的承載力分析方法，對建筑施工過程中的承載力進行計算，保證在最適宜的載體樁結(jié)構(gòu)上，發(fā)揮出其最大的承載力性能。

1 載體樁復合地基承載力管樁的施工工藝

1.1 施工機械的選擇

載體樁施工機械常選用振動沉管樁機和鉆孔灌注樁專用樁機。但是，近幾年液壓行走夯擴樁機得到了廣泛的應(yīng)用。打樁機的施工優(yōu)點為，打樁時旋轉(zhuǎn)行走靈活、無噪音、無空氣污染、操作方便等，可逐一打樁或跳位打樁。因此本文選擇液壓行走夯擴樁機。該打樁機設(shè)備主要包括以下部分。 一是套筒。用于導護井壁，設(shè)有進料孔、套管對中裝置、套管提升器等；二是50 kN 快卸主提升機?？缮岛歪尫胖劐N；三是30 kN 輔助絞車?？商嵘坠芘c背壓使用；四是樁架。構(gòu)成是中空垂桿和支承斜桿；五是細長重錘。錘體長度4 m ～5 m，錘徑為355 ～406 mm，普通錘重35 kN。錘體通過不纏繞的鋼絲繩與快卸絞車連接；六是底盤和液壓行走系統(tǒng)。

1.2 載體填充料的選擇

載體樁的另一個優(yōu)點是，載體建設(shè)所需的填充材料可以消耗大量的廢物，使廢物可以重復利用，具有很好的環(huán)境效益。碎磚、碎石、混凝土碎塊、鵝卵石、礦渣等材料均可用作填筑材料，并通過錘擊和夯實獲得高強度。將周圍土體進一步壓實，強度大大提高，最終提高樁基的承載能力。

1.3 施工工藝

（1)復測樁位線。首先將場地處理平整，然后根據(jù)樁基設(shè)計圖紙對建筑物進行定位和樁位測量放樣，復核進行復測，只有合格后才能進行施工。施工過程中，還要再次進行復測。

（2)樁基礎(chǔ)就位。首先檢查基礎(chǔ)工作，調(diào)整樁套，把樁基礎(chǔ)移動到即將施工的打樁處，核查樁基垂直度，保證樁位中心和樁套中心對齊；然后把樁套下降到地面位置并拉直。在施工時，打樁機應(yīng)穩(wěn)定，無傾斜、無位移。同時還需要注意成孔深度的控制，在樁架上標記控制標高，多觀察和記錄。

（3)錘孔。首先要保證定位準確，需要采用細錘對較低地面進行夯實落距；然后對樁套垂直度利用水平尺進行校對，同時改進重錘夯孔。最后，注意設(shè)計落距和錘重時要符合要求；套樁下沉到柱底時，測量孔底孔深和高程。

（4)夯實填充物。當樁體下沉至設(shè)計標高時，將重錘從填料口抬起（錘底距樁體底部40 ～60 cm 為宜)，用重錘作自由落體對填充物進行夯實。充填過程大致可分為3 個階段：充填下降、平整和上升。應(yīng)控制每次灌注量（每10 cm深度添加0.01 m3灌注量為宜)和累計灌注量。填充量以0.5 ～1.8 m3為宜。大于1.8 m3時，應(yīng)選擇加筋土層或改變施工參數(shù)。

（5)三次貫入測量。當承重體達到致密狀態(tài)時，重錘以6 m 的下落距離進行自由落體運動，夯實填充物。三次打擊的總穿透力不得大于15 cm，每一次打擊穿透力應(yīng)小于或等于前一次打擊的穿透力。如果三次擊入深度超過15 cm，則應(yīng)繼續(xù)填充并壓實入樁套筒，直至滿足要求。

（6)夯實干硬混凝土。當三次擊入達到設(shè)計要求時，填入0.3 ～0.5 m3的干硬混凝土，繼續(xù)夯實，直至錘底離套管1 ～2 cm，按拉索上的標志控制設(shè)計標高。

（7)澆筑預應(yīng)力混凝土管樁和樁身。根據(jù)樁身長度選擇預應(yīng)力管樁。采用地面樁進行連接樁，在設(shè)計標高處放置樁身，在管樁中澆筑高度約為30 m 的自密實混凝土，方便載體與預應(yīng)力管樁更高效的結(jié)合。

（8)拔出套筒注漿成樁。基于高壓注漿方法，將不同的樁身之間澆筑水泥漿，以等速緩慢拔出。

2 實驗準備

載體樁是一種新型的樁基施工技術(shù)，但在復合基礎(chǔ)施工中，對其承載力的測試實驗較少，不能保證在建筑或者公路施工中載體樁的承受能力，需要選擇實際施工項目，對載體樁復合地基的承載力進行測試[5]。

以某高鐵站的地基工程為施工項目，選擇三組載體樁作為復合地基的增強體，直徑分別為350 mm 和450 mm 以及550 mm，除了直徑不同以外，其余材料性質(zhì)均一致。每組樁體之間的間隔保持在3 m，各組載體樁包含18 根樁體，預設(shè)土層下埋深度為3.8 m。

實驗測試采用1 000 T的油壓千斤頂，進行施工全程的加載，配置有油壓傳感器完成加載值控制，每組載體樁間隔之間布置位移傳感器，便于后續(xù)完成沉降量測試。

3 實驗過程

載體樁復合地基是否具備穩(wěn)定性，是整個建筑的重點測試項目，在建筑工程中對不同位置的載體樁進行穩(wěn)定性測試，需要對其承載力進行分析。極限平衡原理在實際工程中的應(yīng)用較為廣泛，該理論能夠在不同的假設(shè)條件下，對載體樁復合地基的平衡效果進行計算。

由于載體樁復合地基的施工過程較為復雜，基本上在承載力計算中需要反復進行驗證，此次設(shè)定一個承載力，將載體樁復合地基放在直角坐標系中。按照地基工程的邊界位置，對各個點位的載體樁進行標記，為簡化計算過程，直接對工程的設(shè)計圖紙進行還原，建立一個邊界方程的直角坐標系，具體如圖1所示。

圖1 直角坐標系下地基承載力分析

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，坐標的起點為地基的中心位置，與任意的相鄰載體樁，能夠連成一條直線，按照不同的走向可以設(shè)置為Q-W、Q-E 和Q-B。將不同位置的承載樁進行確定后，其與中心的連線均為一條直線，對于每個承載樁的位置均可以產(chǎn)生一個粘結(jié)力R。而最遠承載樁到與中心點平行的垂直距離，設(shè)置為T，以此在安全系數(shù)理論下，建立承載力的邊界方程。

4 實驗結(jié)果

為驗證不同載體樁復合地基的承載力性能，對選擇的三組地基進行結(jié)果對比，按照建筑地基的基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，對不同參數(shù)的地基樁徑呈現(xiàn)的承載力進行測試。測試分為2 個部分。首先對不同的單樁抗壓性能進行靜載測試，即在不同的施工驗收結(jié)果下，對不同的樁徑載體樁進行荷載能力測試。其次在最大荷載能力下，對樁體樁的側(cè)樁抗阻力進行測試，比較不同樁徑下側(cè)抗阻力的變化趨勢。測試開始前將三組載體樁地基參數(shù)，上傳到有限元計算模型中，模擬正常施工環(huán)境，對樁位的現(xiàn)場情況進行隨機初選，每組載體樁的施工時間需大于18d。

若樁體的荷載能力較高，其在多次靜壓測試下的沉降量就不會十分明顯;當載體樁的荷載能力較低時，地基會出現(xiàn)較大的沉降量。一般情況下，樁體的荷載能力越強，地基的承載力效果就越好，在1 000 KN 和2 000 KN 以 及3 000 KN的測試條件下，對比不同樁徑的沉降量，具體如表1 所示。

據(jù)表1 所示，增加荷載能力時，不同直徑的沉降量均會發(fā)生變化。隨著荷載能力的增加，沉降量也會逐漸增大。其中樁徑為450 mm 的載體樁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的沉降量變化值較小，在荷載能力為3 000 KN 時沉降量沒有超過1.5 mm。其余兩組樁體直徑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沉降量雖然也符合工程設(shè)定，但是實際應(yīng)用中會以最小值的變化，為地基載體樁施工的優(yōu)先選擇。

表1 不同荷載下載體樁沉降量對比結(jié)果（mm）

而載體樁復合地基是以端承載為主的樁體，當逐漸增加樁體荷載時，樁體的側(cè)抗阻力會發(fā)生變化，以此將樁體的側(cè)抗阻力作承載力性能測試，驗證其是否能夠滿足建筑工程項目的安全儲備設(shè)置。仍以三組荷載能力為測試強度，對不同直徑的載體樁復合地基，進行側(cè)抗阻力測試，具體如表2 所示。

表2 不同樁徑側(cè)抗阻力測試結(jié)果（KPA）

根據(jù)表中內(nèi)容所示，三組載體樁地基的側(cè)抗阻力度非常相似。隨著荷載強度的逐漸提升，不同載體樁樁徑的側(cè)抗阻力值逐漸提高，因此將樁側(cè)阻力作為施工的安全儲備是合理設(shè)定。由于直徑為450 mm 的載體樁沉降量最小，直接對其的側(cè)抗阻力進行分析，在3 000 KN 荷載能力下，其側(cè)抗阻力的數(shù)值仍屬于最佳結(jié)果。

綜合實驗可知：在極限平衡原理下進行承載力分析。能夠?qū)⑹┕鼍斑M行還原，對不同的載體樁復合地基進行多角度分析，在本文應(yīng)用過程中，以直徑為450 mm 的載體樁為最佳施工標準，能夠在3 000 KN 荷載能力時保證最小沉降量和最大側(cè)抗阻力。

5 結(jié)語

本文以極限平衡原理為基礎(chǔ)，設(shè)置一個承載力分析模型，對不同載體樁的直徑結(jié)構(gòu)進行計算，能夠在還原施工環(huán)境的狀態(tài)下，對比不同樁體的承載力效果。實驗結(jié)果表明，在3 000 KN 荷載能力時，直徑為450 mm 的載體樁沉降量最小，側(cè)抗阻力最大。但時間有限，在研究過程中尚存在不足之處，如對樁體的直徑選擇組數(shù)過少，所得結(jié)論具有偏差性。后續(xù)研究中會針對這一問題，選擇更多類型的載體樁直徑進行測試，對樁體的承載力進行全方位分析，保證施工工程的安全性。