柱锤夯实扩底灌注桩是采用柱锤冲扩工艺施工的一种扩底桩^[1]。具体施工方法是用桩机将长2～6m、直径300～500mm、质量1～8t的柱状锤提升3～10m高, 利用柱锤下落的夯击能反复冲击成孔;成孔达到设计深度后分批向桩孔内填入一定量干硬性混凝土, 利用柱锤反复冲扩形成夯扩体;夯扩体施工完成后放入钢筋笼, 并浇筑桩身混凝土成桩。在土质较软时可在夯扩体施工前夯填一定数量的碎砖等粗骨料, 以达到挤密土体、提高桩端承载力的效果。柱锤夯实扩底灌注桩构造如图1所示。

　　 与其他形式扩底桩如挖孔、钻孔扩底桩及内夯沉管灌注桩相比, 对孔底填料进行冲扩是柱锤夯实扩底灌注桩的特点之一。通过对孔底填料的冲扩过程, 不仅可以扩大桩端承载面积, 而且由于柱锤夯击能量大, 在孔底填料夯实过程中还可充分挤密桩端持力层, 从而提高桩端阻力, 使单桩承载力大幅提高。对于扩底桩, 桩端面积一般取桩底扩大端水平投影面积^[2,3], 而桩端承载力与桩端承载面积成正比, 因此为确定扩底桩的桩端承载力, 应首先研究其桩端扩底部分的形状特征以确定其水平投影面积。对于挖孔或采用机械扩底的扩底桩, 其扩底部分的形状及桩端承载面积可按实际扩底尺寸确定^[2]。对于采用内夯沉管工艺的扩底灌注桩, 其夯扩体形状为类圆柱体^[3], 其直径及投影面积可根据填料量合理确定。

　　 柱锤夯实扩底灌注桩采用柱锤冲扩工艺形成夯扩体, 夯扩成型机理复杂^[4], 影响因素多, 除了夯扩体形状外, 夯扩体与桩身能否可靠连接也是工程技术人员关心的问题。因此, 为研究夯扩体的性状, 进行了现场夯扩体开挖试验, 依据试验结果对单桩竖向承载力计算方法进行了改进, 并通过某工程实例验证了方法的适用性。该工程实例成功采用了柱锤冲扩成套技术, 为处理填垫厚度大、填垫年限短的软弱地基提供了新的方法和途径。

　　 试验在某工程施工现场进行。试桩深度范围内主要土层为粉质黏土及黏土, 夯扩体坐落于可塑状黏土层, 土层含水量w=31.1%, 液性指数I_L=0.40, 地下水位埋深3.0m。夯扩体顶面位于地面以下2.8m。考虑夯扩体绝大部分位于地下水位以下, 柱锤冲扩成孔至地面以下2.8m后, 需要首先夯填一定量的干燥烧结砖块, 以达到吸水和挤密加固桩端土的效果。

　　 现场试验含2根试桩, 为便于研究, 仅施工夯扩体, 未浇筑桩身混凝土。试验参数如下:试桩A夯填碎砖1 250块, 夯填干硬性混凝土0.3m³;试桩B夯填碎砖1 000块, 夯填干硬性混凝土0.5m³。2根试桩均采用工程常用的平底柱锤施工, 柱锤直径350mm, 锤重35kN, 夯填试验碎砖及干硬性混凝土时柱锤落距均为4.0m。施工程序与工程桩相同, 夯填碎砖达到设计要求后, 分次等量填入干硬性混凝土, 每次填量约0.05m³, 然后利用柱锤反复冲扩直至锤底达到设计停锤位置 (地面以下2.8m) , 如此反复填料、冲扩, 直至干硬性混凝土填量达到设计要求。

　　 夯扩体施工完成30d后进行了开挖试验。利用挖掘机械开挖至地面以下2.0m深度后, 进行人工开挖。夯扩体被整体开挖出来后, 利用吊车将夯扩体吊运至地面。开挖过程中, 观察、量测碎砖的粒径大小及分布范围。夯扩体开挖及起吊过程见图2。

　　 由于夯扩体处于地下水位以下, 开挖前预估开挖难度较大, 夯扩体会被地下水包围。而实际开挖过程并未受到地下水的影响, 干硬性混凝土夯扩体外侧被约400mm厚的不透水层包围。经过现场观察鉴别, 该不透水层由大小不等的碎砖块与土混合而成, 该砖土混合层干燥而密实, 分析其原因是在柱锤大夯击能的反复冲击之下, 砖块被反复研磨、移位并嵌入土层而形成。由于碎砖的嵌入、挤密和吸水作用, 原地基土孔隙比减小, 密实度提高, 渗透性降低, 因此历经30d时间而不透水。文献[4]的研究结果表明, 夯实混凝土因水灰比小而具有快硬、早强、高强的特点, 不透水层的存在可以避免地下水对夯扩体的侵蚀, 提高桩基础的耐久性。

　　 根据工程经验^[4], 桩底填料层除采用砖块外, 还可采用级配砂石、矿渣、石屑等硬质骨料;也可掺加生石灰、水泥等, 起到吸水和固化桩底土层的作用;同时, 填入的骨料还起到弹性褥垫的作用, 在基桩承载时, 可将夯扩体传递下来的荷载有效扩散至桩底土层。

　　 夯填粗骨料对提高桩的承载力有利, 但是在土质较硬的情况下, 夯填碎砖难度较大, 而且造成后续的干硬性混凝土夯填困难而无法形成夯扩体, 所以一般仅在夯扩体所在土层土质较软时选择夯填碎砖等粗骨料。

　　 通过对开挖过程的观察发现, 混凝土与砖土混合层之间界限清晰, 未出现明显的混杂或嵌入。在柱锤冲击作用下, 被水泥包裹的粗细骨料均匀、分层向外扩散, 形成密闭的混凝土硬壳层, 保证砖土混合层物料不会混入夯扩体, 确保了夯扩体的施工质量和强度。

　　 夯扩体吊运至地面后, 对表面进行了清理, 对其几何尺寸进行了测量, 测量结果如图3所示。两个夯扩体均为竖向高度大于水平投影直径的近似椭球体, 表面石子微凸, 较粗糙, 与砖土混合层咬合紧密。试桩A, B水平投影直径分别为750mm和900mm, 分别相当于柱锤直径的2.14倍和2.57倍, 水平投影面积分别为理论投影面积 (根据混凝土体积, 按理想球体计算的夯扩体投影面积) 的0.81倍和0.83倍。试桩A, B的干硬性混凝土填量不同, 试桩A填料量为0.3m³, 试桩B填料量为0.5m³。试桩B填料量比试桩A多0.2m³, 其夯扩体高度及最大直径均比试桩A大150mm, 说明随着干硬性混凝土填量的增加, 夯扩体尺寸沿径向及竖向均匀增大。

　　 柱锤夯实扩底灌注桩由夯扩体和等直径桩身两部分组成, 两部分之间能否可靠连接并有效传递荷载, 是工程技术人员十分关注的问题。通过本次开挖试验, 证实在柱锤冲扩过程中, 由于每次填料高度高于夯击面, 柱锤夯击时部分混凝土被挤入侧向土中, 反复夯击形成了以停锤面为底的凹形夯坑, 如图3中虚线所示。夯坑直径等于柱锤直径, 深度约为300～400mm。目前在柱锤夯实扩底灌注桩的设计、施工中, 并未考虑夯坑的存在及其工程意义, 实际上夯坑的存在对于保证桩身完整性及施工质量都是有利的。夯坑相当于一个承插“支座”, 使桩身稳定坐落于夯扩体顶部, 可有效保证桩身的完整性和承载性能的发挥。在夯扩体施工完毕后, 在夯坑底部填入适量与混凝土等配合比的砂浆或半石混凝土 (施工常用术语, 是指石子用量为标准配合比一半的混凝土) , 再正常浇筑桩身塑性混凝土, 可以很好地保证桩身与夯扩体的混凝土接缝质量。

　　 实际工程中, 参照文献[1], 按下式确定单桩竖向承载力特征值R_a:

　　 式中:u_p为桩身周长;q_{s ia}为桩侧第i层土的侧阻力特征值;l_{p i}为桩穿越第i层土的厚度;α_p为桩端阻力特征值修正系数, 考虑施工过程对桩端土的挤密作用, α_p可取1.1～1.5, 桩端夯填碎砖等粗骨料时, α_p宜取1.3～1.5;q_pa为填料夯实挤密前桩端阻力特征值;A_D为混凝土夯扩体水平投影面积。

　　 柱锤夯实扩底灌注桩单桩竖向承载力主要源于其桩端阻力, 因此要计算单桩竖向承载力必须首先确定式 (1) 中混凝土夯扩体水平投影面积A_D。根据开挖试验结果, 建议式 (1) 中A_D按下式计算:

　　 式中:D为按混凝土填量计算的夯扩体理论直径;V_H为夯扩体干硬性混凝土填料总体积;α_D为夯扩体水平投影面积修正系数, 当桩端夯填碎砖时, α_D宜取0.80～0.85, 碎砖填量大时宜取小值, 对于不填碎砖, 直接夯填干硬性混凝土的情况, 尚需通过试验确定α_D取值范围。

　　 某医院门诊楼为3层框架结构。建设场地原为砖厂的取土坑, 坑深约9m, 经填垫至现地坪标高, 填土年限不超过3年。工程场地主要分布土层如下:

　　 (1) _-1素填土:厚度0.50～2.00m, 黄色, 以粉土为主, 含少量红砖块和碎砖渣, 土质不均。

　　 (1) _-2素填土:厚度6.40～7.90m, 灰色, 以粉土和黏性土为主, 含少量红砖块和碎砖渣, 土质不均。

　　 (2) 粉质黏土:厚度1.00～1.20m, 灰、灰黑色, 软塑, 局部可塑, 中等～高压缩性, 含螺壳, 夹粉土薄层, 地基承载力特征值f_ak=95kPa。

　　 (3) 粉土:厚度3.40～3.90m, 灰色, 中密～密实, 湿, 夹粉质黏土薄层, 地基承载力特征值f_ak=120kPa, 桩端阻力特征值q_pa=700kPa。

　　 (4) 粉质黏土:厚度2.20～2.30m, 灰色, 软塑, 中等～高压缩性, 夹粉土薄层, 地基承载力特征值f_ak=100kPa。

　　 (5) 粉质黏土:揭露最大厚度4.50m, 灰色, 可塑, 中等～高压缩性, 夹粉土薄层。该层未钻穿。

　　 工程场地地下水位埋深3.60～3.70m。

　　 该场地内填土年限较短, 厚度较大, 填垫厚度8.40～8.60m, 填垫成分为粉土和黏性土, 含有少量砖块和碎砖渣, 由于未经充分压实, 工程性质差。根据地质条件及当地施工经验, 可采用换填垫层、强夯法或桩基础方案。换填垫层法存在工程量大、造价高的问题;由于场地限制且工期较紧, 无法采取强夯方案, 最后确定采用桩基础方案。根据当地工程经验, 可采用灌注桩。但由于地表以下深厚填土未完成固结沉降, 需要考虑负摩阻的不利影响。经过计算, 若采用500mm灌注桩, 桩长达到18m才能满足单桩承载力特征值450kN的设计要求。同时, 若采用桩基础, 需要设置零层板, 以消除房心回填土发生自重沉降对建筑物的不利影响。因此, 采用灌注桩基础+零层板方案, 亦存在工程造价高、工期长的问题。

　　 根据地质条件和工程特点, 经过反复对比论证, 决定采用以下方案对该工程进行处理:1) 首先采用柱锤冲扩素土桩对基底范围进行满堂处理, 以挤密地基土, 提高地基土的承载力, 同时可减小或消除后续施工桩基础的负摩阻, 提高单桩承载力;2) 框架柱下采用柱锤夯实扩底灌注桩基础。

　　 采用上述处理方案的原因:1) 土层 (3) 粉土层顶位于自然地坪下9.4～9.8m深度, 中密～密实状态, 地基承载力特征值f_ak=120kPa, 桩端阻力特征值q_pa=700kPa, 可作为柱锤夯实扩底灌注桩的持力层;2) 柱锤夯实扩底灌注桩施工采用柱锤冲孔工艺, 在柱锤冲扩素土桩挤密夯实的基础上再次挤密地基土, 进一步消除负摩阻的不利影响;3) 利用同一套柱锤冲扩设备先后完成柱锤冲扩素土桩和柱锤夯实扩底灌注桩的施工, 可提高机械利用率, 降低工程造价。

　　 (1) 柱锤夯实扩底灌注桩设计

　　 有效桩长9.0m, 夯扩体完全进入 (3) 粉土层;桩径d=410mm。桩端夯扩体干硬性混凝土填量不小于0.4m³, 施工夯扩体前, 孔底夯填干燥碎砖, 填量按三击贯入度不大于25mm控制。

　　 考虑桩侧填土的侧阻力较低, 仅考虑夯扩体的桩端承载力, 按式 (1) ～ (3) 确定R_a:1) 将V_H=0.4m³代入式 (3) , 得到夯扩体理论直径D=0.91m;2) 将D=0.91m代入式 (2) , 并取α_D=0.82, 得到A_D=0.538m²;3) 取α_p=1.3, 将q_pa=700kPa, A_D=0.538m²代入式 (1) , 不考虑桩侧阻力, 则R_a≈1.3×700×0.538=489.6kN。实际设计取R_a=450kN。

　　 (2) 柱锤冲扩素土桩设计

　　 柱锤冲扩素土桩桩长8.5m, 成孔直径400mm, 成桩直径500mm, 桩距1 500～2 000mm, 承台以外范围满堂布桩。

　　 (3) 桩位布置

　　 柱锤夯实扩底灌注桩及柱锤冲扩素土桩桩位布置见图4。

　　 (4) 施工

　　 本工程施工采用多功能冲扩桩机, 锤重35kN。柱锤冲扩素土桩与柱锤夯实扩底灌注桩施工均采用柱锤冲孔、静压护筒工艺成孔。

　　 (1) 试验结果

　　 正式施工前进行了单桩静载荷试验。3根试桩 (23, 32, 60号桩) 的桩顶荷载-沉降曲线见图5, 根据试验结果判断, 在桩顶荷载为900kN时, 3根桩均未达到极限状态, 即单桩极限承载力均不小于2R_a (900kN) , 满足设计要求。

　　 (2) 试验结果分析

　　 3根桩的施工参数见表1。3根桩干硬性混凝土填量均为0.4m³。为便于统计分析, 夯填碎砖、夯实干硬性混凝土过程中, 柱锤落距均控制为4.0m, 即每次夯击的夯击能为140kN·m。碎砖填量按三击贯入度不大于25mm控制。

　　 从表1可看出, 3根桩碎砖填量、夯填碎砖击次、夯填混凝土击次存在明显差别。从施工参数分析, 60号桩碎砖填量最大, 夯填碎砖击次、夯填混凝土击次、总击次均明显大于其他2根桩, 从理论上分析, 60号桩单桩承载力应大于其他2根桩。但从图5中桩顶荷载-沉降曲线曲线判断, 60号桩试验曲线始终处于另两条曲线的下方, 即在相同的桩顶荷载下, 60号桩沉降值最大, 表明其承载力是最小的。

　　 一般来说, 对于柱锤夯实扩底灌注桩, 理论承载力与实测结果不符可能有2个原因:一是土质条件的差异;二与施工顺序有关。由于柱锤夯实扩底灌注桩采用夯扩挤土工艺, 在桩距较小的情况下, 先施工桩的施工过程挤密了桩间土, 相邻的后续施工桩的碎砖填量、总夯击能均有所减小。虽然先施工桩和后续施工桩的碎砖填量、总夯击能有所差异, 但从总体上看, 夯扩体所坐落的土层得到了均匀挤密, 因此先施工桩、后施工桩的承载性能最终应差异不大。

　　 本工程3根试桩是在大面积施工前抽取的3个相距较远的点进行施工的, 因此, 产生差异的原因应该是土质条件的不同, 即60号桩桩端处可能土质较差。

　　 综合上述分析, 考虑柱锤夯实扩底灌注桩的承载力以桩端承载力为主, 以及施工过程中存在邻桩影响等因素, 在实际工程中, 一方面要保证勘察资料准确翔实, 确保夯扩体坐落在比较均匀、稳定的持力层, 另一方面要根据布桩特点, 确定合理的施工顺序, 考虑邻桩的相互影响, 确保工程质量。

　　 (1) 试验表明:在提前夯填碎砖的情况下, 夯扩体的形状为竖向高度大于水平投影直径的近似椭球体;试桩A, B的夯扩体水平投影面积与理论投影面积之比分别为0.81和0.83, 试验结果可供工程参考。

　　 (2) 夯扩体所在土层较软时, 在夯扩体施工前夯填一定量的碎砖, 在挤密地基土、提高桩基承载力的同时, 还可将桩顶荷载有效扩散至桩底土层;夯扩体施工过程中形成凹形夯坑, 凹形夯坑作用相当于桩身混凝土的承插“支座”, 可以保证桩身的完整性和荷载的有效传递。

　　 (3) 柱锤夯实扩底灌注桩适用于深厚软弱地基的加固处理, 通过工程实例验证了其承载力计算方法的适用性。