夯扩桩在杭州下沙地区的应用

    杭州下沙地区位于钱塘江北岸，属钱塘江冲海积平原，地层分布较稳定。地基土主要由粉土组成，深8～9m处就有性质较好的2d砂质粉土夹粉砂土层，且分布广泛而有一定厚度，是较理想的桩端持力层。康莱特下沙住宅工程1.3万m²，其地质情况在下沙地区有典型的代表性(表1) 。根据地质报告，场地地下水主要赋存于上部粉土、粉砂层中的潜水，水位较高，并受大气 降水影响，动态变化较大。地下水能引起粉土膨胀，浅基础不易控制建筑物的不均匀沉降。另外，2c土层为液化土层，也应避免用该土层作为持力层。因此在结构方案阶段就否定了浅基础方案。预制桩基固然可行，但在目前它的价格较高。此外，从地基承载力和造价上分析，灌注桩基础应该是比较理想的，但据调查因成桩难，在该地区很少应用。将普通沉管灌注桩方法与桩端扩底技术相结合的夯扩桩，可充分发挥端承效果，而且造价低，通过康莱特下沙住宅工程的成功应用，积累了一定的经验。经过分析比较，我们选用了夯扩桩基础。

表1 住宅工程的综合地质

    2.1 理论依据

    桩的极限承载力(抗压)不能简单地理解为极限侧阻力加上极限端阻力。桩土之间出现不大的相对滑动时就出现极限侧阻力，当上部滑动量大的范围内土体发挥了极限剪切强度以后，部分荷载又传回给桩身，依次产生更大的相对滑动并逐渐发展到更大的深度。只有当整个桩身侧阻力达到极限值的瞬间，桩底下面的土体中形成了一种极限强度状态，好像桩尖在排开土体，力图挤进土层。此时，承载力是极限侧阻力和桩底承载力的组合。极限侧阻力的发挥主要取决于桩土相对位移，称为极限位移。只有当桩底位移Δs足够大时，桩端的极限强度就全部发挥出来，桩的极限承载力(抗压)(在该荷载下的下沉或下沉速率剧烈增大)可由下式确定：Pu＝Ppu＋ΣPsi(式中Ppu极限桩端承载力；ΣPsi桩端以上土层极限侧阻力的总和)。
    下沙地区的工程地质特点是持力层埋深浅，而上部土层为软弱土层，在不大的荷载下，就能达到整个桩身极限侧阻力。夯扩桩扩大了的桩头，降低了桩端应力水平，阻止了桩尖的刺入破坏。浙江省标准《建筑软弱地基基础设计规范(DBJ 10-1-90)棗条文说明》中指出，夯扩桩是以端承为主，侧阻力为辅的桩型，适用于上部为软弱土层，在距地表4～14m处有一层性质较好的桩端持力层。

    2.2 设计参数和承载力的确定

    3a土层是一个较理想的持力层，该土层分布广泛，厚度也较均匀(表1)。根据地质报告提供的参数和浙江省标准《建筑软弱地基础设计规范(DBJ 10-1-90)》，初步确定夯扩设计参数为第一次在外管内灌注的混凝土高度H＝1900mm；外管上拔高度h＝800mm ；混凝土全部夯出外管后外管和内夯管同步下沉深度h－c＝600mm。代入各参数后可取D＝600mm。
    根据《DBJ 10-1-90》规范的公式；可算得单桩竖向承载力标准值Ｒk＝565kN，设计时取作550kN。由此可见桩端土承载力约占总承载力标准值的75%以上。

    2.3 桩端进入持力层深度

    桩的承载力，主要是桩端承载力，随着进入持力层的深度(特别是进入砂质粉土类粉砂层的深度)不同而具有不同的变化规律，称之为深度效应。深度效应的主要规律之一是存在着一个临界深度hc。当桩进入持力层的深度h＜hc时，桩端极限承载力qpu基本上随深度而线性增大，当h≥hc时，qpu则保持不变，称之为端阻力稳定值，规范中推荐的进入持力层深度为1.50～2.00m。根据本工程地质的实际情况，选择进入持力层深度为1.5m，有效桩长7.5m。

    在下沙地区打沉管灌注桩常出现这样的现象：一种是施工时无法将混凝土灌到设计标高，另一种是开挖后，发现近地表的上段桩虽在，而下段桩身混凝土已流失或仅存部分骨料石子。出现这种现象的主要原因是该地区地基土易液化，打桩时措施不当。
    就以康莱特下沙住宅工程地基土为例，持力层3a以上土层主要为砂质粉土，松散，孔隙比大，土层粒径在0.01～0.074mm之间的颗粒占86%以上。有关资料表明，平均粒径为0.05～0.1mm的粉砂土的抗液化能力最低。
    在沉管过程中，一方面由于土体受到震动，使得孔隙中的水产生超静水压力，另一方面在成孔过程中，桩管周围一定范围内的土体受到挤压，使得土的孔隙减小，而孔隙中的水还来不及排出，也产生了超静水压力μ。水在水力梯度(i)下从高能量级向低能量级处流动，此时土中总应力为：σ＝σ′＋（μ＋Δμ）或σ′＝σ－（μ＋Δμ)，式中σ′有效应力；Δμ孔隙水压力增量。可见当Δμ不断增大，直到有效应力σ′减小到零，有效应力使粉砂土产生全部抗剪强度。当σ′＝0时土体抗剪强度等于零，便出现了流砂现象，土粒之间压力消失，土粒处于悬浮状态，土体随水流动。地下水的渗流对土单位体积产生的压力GＤ称为动水压力。在桩外管拔出过程中，桩管中的混凝土也受到ＧＤ的作用。当ＧＤ较大且桩管中混凝土因自重引起的材料间的摩擦力不足以抵抗ＧＤ时，混凝土中的水泥砂就被流砂带走，甚至还会将骨料冲走。随着时间的推移，孔隙水压力逐渐消散。
    以上分析可见，存在液化土层的地质条件下要成功完成灌注桩的施工，可采取适当的施工措施以消除流砂的不利影响。为此康莱特下沙住宅工程中，主要采取了以下措施：①控制打桩的施工进度；②严格控制拔管速度；③采用有预制桩尖的夯扩桩。并在桩尖颈部设置草绳； ④第一次加灌混凝土后，先进行适当的预夯扩，再拔管至h。经过正式施工前的打试桩，将夯扩设计参数最终确定为H＝２５００m，h＝９００mm，h-c＝800mm；⑤在第二次加灌混凝土完成后，最终拔出外管时，用内夯管对管内混凝土边拔边压。
    此外，选择合适的桩身混凝土的水灰比、坍落度及合理的打桩顺序等等，都可提高成桩的质量 。当然在工程桩施工前，也可先在打桩场地空隙处均匀布置砂石桩做泄水孔，但这种方法造价较高，本工程中并未采用。

桩型	桩径(mm)	桩长(m)	单桩工程造价			承载力(kN)	单位抗力造价(元/kN)
			工程量(m３)	单价(元/m３)	合价(元)
夯扩桩	377	9.4	1.256	603.9	755	550	1.373
预制管桩	350	9.4	（9.4m)	(72元/m)	677	285	2.375
振动式沉管灌注桩	377	9.4	1.049	404	424	288	1.472