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复合载体夯扩桩技术在工程中的应用

一、复合载体夯扩桩简介
复合载体夯扩桩是近年来发展起来的一种新型桩基形式，它在钢筋混凝土沉管桩扩底的基础上，对扩底进行填料，夯实挤密，从而大大提高桩基的承载力。它是一种短桩，特别适用于建造在粉持粘土、施工时不产生液化的粉土及承载力不高的软弱地基上的多层建筑。“复合载体夯扩桩”不同于普通意义上的桩，它是由上部桩身和下部“复合载体”两部分组成，“复合载体”是位于桩端底部、经深层填料夯实的复合体，是该种桩型的核心，它是以桩端土层为研究对象，利用重锤的自由落体运动对桩端深层土体进行反复地填料夯实挤密操作，使桩端以下的土体得到最为有效地加固挤密形成“复合载体”，它是一个呈现层状分布、由不同材料组成的复合载体。如附图一所示。

附图1 复合载体的构造
“复合载体”的这种特殊的构造可以使桩端的应力水平逐层地进行扩散和降低，直至降低到与“复合载体”以外的原土体承载力相同的程度，这样，
就改变了传统桩端与地基土体之间的作用关系，充分调动了桩端地基土体的承载力，从而使桩承载能力大大地提高。如附图二所示。

附图2 “复合载体”受力分析图
复合载体的特点：
1、复合载体夯扩桩通过特定设备将地基处理问题转变成了基础施工问题，该技术通过承台(梁)直接将上部结构荷载通过传力杆件传递到端部扩展基础再扩散到地质条件好的土体，设计简单，安全，基础结构形式简单，施工方便。
2、由于复合载体夯扩桩改变了桩的受力特性，增大了桩端部载体的受力面积，单桩的承载力比同等桩长的普通灌注桩的单桩承载力大幅度提高，节省了大量原材料和成本，并且可以通过调整施工参数(填充料、三击贯入度)来调节载体基础的受力面积的大小，从而提高载体基础的承载力。
3、由于勘探钻孔数量有限，尤其地质复杂地区，勘察报告提供的地质参数往往与实际地质状况有一定的差异，如差异过大，采用普通桩基，其实际承载力将与设计承载力产生较大差异，必须进行设计调整。而复合载体夯
扩桩通过填料对桩端土体进行曲挤密，通过三击贯入度进行控制，当土层实际受力性能与勘察结果有一定的差距时，只要调节施工控制参数即可使桩的实际承载能力能够保证。
4、复合载体夯扩桩实际受力时，载体基础、混凝土桩身和承台(梁)一起组成了一个空间受力体系，该体系能调节施工中某些局部缺陷引起的桩基础上力的不均匀分配，而且使原本不均匀的地基经过夯击处理后，土性变得更均匀，减少了建筑物的不均匀沉降。
5、该技术施工设备轻便灵活，施工工艺简单，施工质量容易控制，且施工中无须场地降水，基坑开挖等工序，减少了大开挖等工程量，节省了工程造价，缩短了工期。
6、该技术可消耗大量建筑碎砖、混凝土碎块等建筑垃圾，有利于环境保护，施工中无需水泥浆护壁，无泥浆排出，保护环。
7、该桩型适用范围广，只要在一定深度下存在软塑～可塑状态的粘性土层、粉土层、砂土层、碎石土层等，都可以进行复合载体扩展基础施工，尤其在浅部具有高承载力的低压缩性土，表层有较厚杂填土的场地、液化和湿陷性黄土地区，该技术优越性更加明显。
8、复合载体夯扩桩技术的关键工序是通过填料和夯击来实现设计要求的载体基础。
该技术利用重锤对填料反复进行填充和夯实操作，使桩下纵向3～5 m、横向2～3 m、体积约1 Om3的土体得到加固挤密，在不影响相邻桩已完成的挤密土体的情况下，使填料底端形成最大最优的密实体和影响土体，桩身承受的集中荷载通过复合体的分层扩散作用，消除桩端的应力集中，并逐层降低至天然土体能够承受的程度，从而改善了土体的受力状态。

二、复合载体夯扩桩的作用机理
复合载体夯扩桩的施工顺序如下：先锤击成孔，将护筒沉到设计标高后，继续锤击，在护筒下形成一定空间，填入碎砖、碎石、碎混凝土块、碎矿渣等，然后从一定的高度落锤进行夯击，将填料打出护筒外，再填料，再夯击，直至空打三击的贯入度符合要求，形成夯扩体，然后充填干硬性混凝土并夯击形成结合部，最后放钢筋笼，浇注桩身混凝土，复合载体是由于十硬性混凝土、填充料、挤密土体、影响土体组成的载体。
复合载体夯扩桩主要通过两种途径使其承载能力比同等条件下的普通灌注桩提高3～5倍。第一，通过夯击把夯扩体周围的土体加固挤密，提高了地基的承载力，达到地基处理的作用；第二，夯击充填料形成扩大端，扩大了桩端的承载面积，从而提高桩端承载力。通过控制细长锤锤出护筒底的深度和最后三击贯入量来控制夯扩体的体积，从而可以在同一持力层调节基桩竖向承载力的大小，以满足设计要求。
基桩竖向承载力标准值的计算公式为：
Ra=u∑qsia·li+qpa·Ae
式中： Ra单桩竖向承载力特征值；
U—桩身周长
qsia—单桩第i层土的极限侧阻力特征值
1i—桩身穿越第i层土的厚度
qpa—复合载体下地基土经深度修正后的地基持力层承载力特征值，按《建筑地基基础设计规范>>GB50007确定。
Ae—等效桩端计算面积，其值查阅现行国家标准《复合载体夯扩桩设计规程》JGJ／T135—200 1中表4．2．2确 定，Ae与地基土
的密实度、三击贯入度等有关，原地基土的密实度越小，Ae越大，三击贯入度越小，Ae越大。
三、适用范围与条件
3．1复合载体夯扩桩适合于工业与民用建筑。对于旧房改造、安居工程中的多层住宅尤为适用。并适合于市政工程、道路路基、桥梁工程之地基加固处理及中小型水利工程之地基处理。
3．2适用条件：它适用在不富含孤石、大块建筑垃圾的人工填土地基、桩端被加固土层应为可塑到硬塑状态的粘性土以及粉土、砂土、碎石土。被加固土层厚度不宜小于2m。当软塑状态的粘性土、素填土、杂填土和湿陷性黄土经过载荷试验确定桩基承载力稳定可靠时，可作为桩端被加固土层。
四、复合载体夯扩桩施工工艺流程
1、施工放线。按设计给定的桩位图进行定位放线，确定桩的位置，并在施工前进行复测。
2、桩机就位。检查桩机设备运转情况，无异常情况后，移桩机就位。
3、夯击成孔。在确定要打的桩位上，使护筒中心与桩位中心对齐，先用细长锤低落距夯击地面，在地面土体上形成一个浅孔，用反压系统将护筒沉至孔底，并调整好护筒的垂直度。
4、沉护筒至设计标高。提高细长锤夯击成孔，将护筒沉至孔底，经反复操作后，将护筒沉至设计标高处。当接近桩底标高时，控制重锤的落距，准确地将护筒沉至设计标高。
5、填料夯击。护筒沉至设计标高后，提升重锤高出填料口，进行填料，做自由落体运动夯击填料。
6、测定三击贯入度

载体形成实体后，在不填料的状态下，令重锤以6m落距做自由落体运动，实测三击贯入度，每级贯入度应比前击小或相等，且三击贯入度的累计值满足设计要求：如不满足设计要求，则应继续填料夯击至满足三击贯入度要求。
7、三击贯入度满足设计要求后，分次填入干硬性混凝土，继续夯击至锤底高出护筒底面2～5 cm。
8、吊放钢筋笼，测量钢筋笼顶标高，使钢筋笼沉至设计标高。然后灌入混凝土至桩顶标高。并适当超灌30～50cm。
9、混凝土浇灌完毕后，慢慢将护筒拨出，拨护筒时要观察钢筋笼是否有位移。然后振捣混凝土，振捣时要一次插至桩底，要快插慢拨，使混凝土能充分振捣密实。
复合载体夯扩桩的施工过程如下图所示
复合载体夯扩桩的工艺流程如下图所示：

五、工程实例
5.1工程概况：
xx市某住宅小区建筑面积约3.6万m2，位于xx市xx区，均为7层砖混结构，由xx市建筑设计研究院设计，抗震设防烈度为7度，设计使用年限为50年。3#楼设计采用复合载体夯扩桩，桩基础座落在第⑤层粉质粘土层上，单桩承载力特征值Ra≥700KN，设计桩径ф=400mm，桩身混凝土强度等级C25，设计三击贯入度不大于20cm，夯填干硬性C20混凝土0.5m3。

5．2、工程地质情况
该工程场地类别为Ⅲ类，在勘探揭露范围内土层除上部为杂填土外，均为第四系冲击地层，岩性以粉土、粘性土、砂土为主，各层概况如表1所示。

5.3、桩基布置及结构
桩基布置及结构如附图所示：

5．4、单桩承载力验算
根据工程地质剖面图，持力层为粉质粘土层，fak=160Kpa；有效桩长6.3m，基础埋深1.3m，桩的计算深度D=6.3+1.3+2.0(承载体高度)=9.6m。
土的加权平均重力密度：
γo=(0.5×18+1.5×18.4+2.4×18+2.2×18.5+3×19)÷18.6
=18.6KN／m3
根据《建筑地基基础设计规范》GB5007—2002
地基承载力修正系数ηd=1.6
取三击贯入度为20cm
根据《复合载体夯扩桩设计规程》JGJ／T135—2001：
Ae=1.80m2
由公式4.2.2
Ra=uΣqsia·1i+qpa·Ae
qpa=fak+ηd(D-0.5)γo
=160+1.6·(9.6-O.5)·18.6
=430Kpa
Ra=1.256·(25×0.7+40×2.4+35×2.2+60×1)+430×1.8
=1088KN
单桩承载力能够满足设计要求。
与钻孔灌注桩的经济比较：
在满足设计单桩承载力而不改变桩径的情况下，采用钻孔灌注桩时，经计算其桩长需不小于11.5m，其经济对比如下表所示：
桩型
桩长(m)
单承载力
(KN)
单桩造价
(元)
总造价(元)
灌注桩
11.5
700
2300
402500
夯扩桩
6.3
1088
1718
300650
采用夯扩桩可节省投资10.18万元。
5．5、复合载体夯扩桩的施工
本工程成孔机械选用ZL一98型多功能步履式打桩机作为成孔机械，夯锤重量为35KN，锤径355mm护筒采用步400钢管。填充料采用5～100mm级配矿渣。
在正式施工前，分别在、、三条轴线上先择了6个桩位进行了成孔工艺试验，孔底标高在粉质粘土层，场区地质条件稳定，成孔顺利。实际施工过程中，为避免对邻桩的影响，采取先内后外隔行跳打法，即按、、、的顺序进行。
5．6、复合载体夯扩桩基础的检测
复合载体夯扩桩的质量检测分为工程桩的桩身质量检测和单桩竖向承载力检测两部分。桩基础施工结束后，委托xx市建设工程质量检测中心对
本工程夯扩桩的工程质量进行了检测。桩身质量采用低应变动测法检测桩身的完整性，共抽检35根，完整桩32根，占检测总数的9 1．4％，轻度缩径桩2根，占检测总桩数的5．7％，缩径桩1根，占检测总数的2．9％，无断桩。
单桩竖向承载力检测采用快速维持荷载法，即逐级加荷，每级荷载达1小时后，加下一级荷载，直至满足设计要求。最大荷载按设计承载能力的2倍取值。单桩竖向静载试验记录汇总如下：

从检验结果看出，桩的竖向承载能力及沉降量均满足设计要求。
六、复合载体夯扩桩质量控制措施
结合xx某小区3#楼复合载体夯扩桩的施工及施工中所出现的各种问题，笔者认为要保证桩基础的施工质量，应主要从以下几点着手。
6.1、严格控制三击贯入度及夯填材料量
传统意义的桩基在施工时，在保证混凝土质量的前提下，灌注桩主要通过控制桩长来保证桩的承载力。打入(压入)的预制桩，主要通过控制长度或最后贯入度或二者双控来保证承载力，而对于复合载体夯扩桩的质量控制来说，除了保证桩身混凝土质量外，夯填材料量和最后三击贯入度控制更加重要。
6.1.1三击贯入度的控制：根据复合载体夯扩桩设计规程，夯扩桩的三击贯入度是依据锤重3.5t，落距为6米来确定的，而夯扩桩的单桩承载力取决于复合载体的等效面积，夯锤的最后三击贯入度对桩端等效计算面积取值具有决定性作用，它是复合载体夯扩桩质量控制的核心。三击贯入度如不满足设计要求，将造成桩的承载能力不满足设计要求和沉降量过大。造成三击贯入度不满足设计要求的原因主要有以下几点：

1、扩填充料周围及以下的土体没有被充分地挤密。
2、填充料部分没有被很好地夯实，造成填充料成松散状态，以至承载力达不到设计要求和产生过大的沉降。
3、被加固土层地质变化异常，造成最后三击贯入度始终达不到设计要求，如被加固为流塑状态的粘土、或其它土质较差的土层，夯扩过程中，侧壁和底部的土对填充料几乎没有限制作用，填料随着夯击作用不断被挤向孔底和侧壁，甚至直接传到地表。
要满足设计对三击贯入度的要求，第一要选择规程要求的锤重，控制锤的落距，保证锤是在自由落体状态下落，不能带刹车。第二，在确定现有土层确实不能满足设计要求的三击贯入度的情况下，应调整桩长，更换持力土层。
另外在工程桩施工前，要选择有代表性的桩位作为实验点，观察和统计三击贯入度值是否能满足设计的要求。
6.1.2、夯填材料量的控制：
夯填材料量决定了复合载体直径的大小，按照《复合载体夯扩桩设计》规程，在夯击后地面隆起不超过50mm和相邻桩的竖向位移不超过20mm这一要求和保证三击贯入度满足设计要求的情况下，填料量不宜小于O.5m3，也不宜大于1.6～1.8m3，过少则会造成复合载体直径过小，或厚度太薄，不能有效地传递和分担荷载，过大往往会对相邻的桩产生较大的影响。
6.2桩身质量的控制
传统意义的灌注桩在侧阻力和端阻力充分发挥并超过极限荷载的情况下发生破坏。而复合载体夯扩桩应力主要是通过桩身传递到复合载体，桩身起到一个应力传递的作用，相当于一个传力杆，故对桩身质量要求很高，如
果桩身混凝土出现离析、孔洞、缩径等问题时，很有可能形成局部应力集中现象而使桩遭到破坏。因此在实际施工中要注意以下几点：
1、施工开始前，要对所使用的材料进行检验，特别是水泥的检验。
2、严格按照配合比试验单进行混凝土配制，各种材料的计量要准确，不超过规范规定的误差范围，混凝土的塌落度根据桩长控制在100～160mm为宜。
3、如在雨季施工时，注意根据砂、石的含水量的变化调整用水量。
4、灌注混凝土时，确保混凝土充盈系数不小于1.0，对于软弱的淤泥或淤泥质土层，还应适当加大。
5、为了保证桩顶混凝土凿除浮浆后强度能达到设计要求，灌注时应超过设计桩顶标高30～50cm。
6、注意保持混凝土连续浇注，并采取合适方法对混凝土进行振捣。施工时，在桩身底部混凝土灌入1m左右时，即拨管O.5m用振动棒对下部混凝土先行振捣。
7、控制拨管速度在0.5～1m／min左右，过快则容易造成缩径或断桩。
6.3、桩端与复合载体顶面的结合质量控制
桩端与复合载体顶面的结合质量问题，亦是施工质量控制的重要环节，也是容易造成质量问题的重要原因之一，因为不良接触对桩的沉降有很大影响。在荷载作用初期，在某级荷载Q—s曲线上可能出现沉降的突变，这是因为夯实干硬性混凝土后，由于重锤的夯击作用，复合载体顶面混凝土中发生离析或由于部分骨料被击碎而成散体状。此时浇注桩身混凝土，混凝土与复合载体结合不密实。在上部荷载作用下，产生应力集中现象，极容易造成桩的突然沉降而破坏。施工时可采取以下程序进行控制：

1、在复合载体夯扩施工结束后，浇灌O.1～O.3m3和桩身混凝土强度等级相同的干硬性混凝土并再次夯实。
2、浇灌O.1～0.15m3强度等级不低于M15的高标号水泥砂浆。
3、在尽可能短的时间内吊装钢筋笼，并及时浇灌混凝土。
6.4、施工顺序对成桩质量的控制。
和其它类型的挤土桩一样，复合载体夯扩桩也存在着挤土效应，为了避免已打桩不被新打桩所影响，可采取以下方法进行控制：
1、一般采取横移退打的方式自中间向两端对称进行或自一侧向另一侧单一方向进行。
2、如一侧毗邻建筑物时，应从毗邻建筑物一方向另一方向施打。
3、如果在同一场地设计不同桩长时，应先施工短桩，后施工长桩。
4、采用隔排或隔桩跳打法，在实施跳打过程中应注意避免在桩机移动时对已打桩的顶部造成破坏。并注意跳打间隔时间大于混凝土的终凝时间。
5、对挤土效应很大的土层，可采用与螺旋钻土引孔工艺相结合的施工方法。
七、对复合载体夯扩桩技术发展的设想
复合载体夯扩桩作为一种地基处理技术已得到广泛应用，特别适用于在一定深度下存在软塑～可塑状态的粘性土层、粉土层、砂土层、碎石土层等。而对于具有液化性的土层来说，则显得有其局限性，如果设想把地基硅化技术与夯扩桩技术结合起来，在填料中掺入一定比例的硅化材料，借助重锤的夯击作用，使硅化材料与其周围土体进行硅化反应，起到硅化地基的作用，将对夯扩桩技术的应用起到极大的推动作用。

八、结束语
从xx某小区住宅楼工程基础施工情况来看，复合载体夯扩桩技术是完全可靠的，由于其技术先进性，质量可靠性和良好的经济效益，必将占领更广泛的市场，值得大力推广。