豫西地区夯扩桩工程技术特点分析

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【摘 要】通过分析夯扩桩的施工特点、利用夯扩桩工程实测数据、总结夯扩桩工程实践经验及夯扩桩在施工过程中遇到的技术问题，并分析问题出现的原因，对夯扩桩的设计提出建议。

【关键词】夯扩桩；夯扩体；三击贯入度

In western Henan province rammed piles technical characteristics

Geng Yanjun， Wu Guofeng

【Abstract】By analyzing the characteristics of rammed pile construction, the use of rammed piles measured data, summarize the experience rammed piles and piles rammed in the construction of technical problems encountered in the process, and analyze the cause of the problem, the rammed pile design recommendations.

【Key words】ram pile; rammed body; three strikes Penetration

1.前言

随着经济发展科技进步，夯扩桩在豫西地区得到了推广使用，已有相当一部分工程采用此种桩基础。在豫西地区桩长一般小于8.0m，桩体直径一般为：0.40～0.45m，表现出端承桩的特点。豫西地区施工用夯锤重约3.5t，落距一般为6～9m，锤径约为0.35m，底部锤头略有锥度。

2.夯扩桩施工工艺

采用沉管或人工挖孔形成桩孔，将护筒沉到设计标高后，细长夯击锤击出护筒底一定深度，分批向孔内投入夯填料（建筑垃圾及碎砖或碎石），测定夯击锤一定落高下的三击贯入度，待贯入度满足要求并达到设计桩底标高后，夯填一定量的干硬混凝土。这样就在桩端形成了一个密实的结构体，最后放置钢筋笼灌注桩身混凝土，边灌注边拔护筒，形成整个桩身。通过夯扩，在桩端形成一个有一定强度和刚度的夯扩体，同时桩端土被夯实、挤密后承载力提高。

3.夯扩体形成机理

夯扩体的材料组成一般为：建筑垃圾、碎砖、自然级配卵石等材料。桩孔施工完成后，将夯填料分批定量投入到桩孔内，然后将夯击锤提升到一定的高度后，使其自由下落，夯填料在冲击荷载作用下，克服土阻力，产生运动，实质上是冲击荷载产生的动应力表现为力推动夯填料运动，逐渐使夯扩体扩大，当三击贯入度达到某一标准停止夯击，形成夯扩体。

4.夯扩体的形状

图1 试桩开挖照片（夯扩体）

夯扩体的形成受土层内初始应力场（阻碍其形成）、动应力场（促使其形成）控制，动应力在土中的分布在一定程度上决定了夯扩体的形状。国内外对动应力的研究表明：动应力等值线在土中沿水平方向宽度大于竖直方向高度。当下部土层较硬，虽有大于水平方向上的力也难以改变扩展方向时，即形成水平向宽、竖向短的扁球形；当下部土层较软，侧由于竖直方向上的受力大于水平方向上的受力，侧形成竖向长、水平向短的椭圆形。但实际工程中往往选择较好的土层作为桩端持力层，因而形成的大多是水平向宽、竖向短的扁球形，如图1。

5.夯扩对地基土层的影响

重锤冲击夯填料，对桩底地基土产生破坏、重塑、压密等作用。夯扩体成形以后，受扰动土基本上可分为如图2中所示的几个区：重塑区、挤密区、膨松区。三个区的受力形成情况如下：

图2 夯扩体影响区

①重塑区：

“重塑区”位于夯扩体的，这部分土体受动力荷载冲击作用，发生剪切破坏，挤密重塑后强度较高，承载能力提高，土粒结构重新排列。豫西地区的黄土状粘土及粉土重塑后黄土的结构性改变，可部分或全部消除其黄土的湿陷性，湿陷性消除的程度与所在场地土层的湿陷性强弱及桩间距的选择有关。

②挤密区：

“挤密区”位于重塑区的，这部分土体离夯扩体较远，在冲击动应力作用过程中所受的动应力相对较小，动应力通过应力波及应力扩散来传递至这部分土中。地基土保持原有结构，受动应力的作用而密实性大大提高，这部分地基土在工作受荷时表现出的性质类似于超固结土（下文中静载曲线反映了这一特点）。

③膨松区：

“膨松区”位于夯扩体与桩身连接过渡处周围一定范围。大量工程实践反映出膨松区确实存在。文献【2】中从实测数据得出结论：“夯扩桩头上部位的土体有不同程度的上移现象，而下部位的土体则有不同程度的下移现象在扩大头与桩身过渡部位土体存在膨松区”。膨松区产生的机理应包含两个内容：其一是夯扩体向下冲击挤密地基土，使其下的土体向下移动，上部土体内竖向应力得到部分释放而减小，土体产生强度、刚度的降低；其二是冲击产生的应力波向下传递遇阻抗变化界面后（主要是夯扩体与土体的交界面），向上反射回一个拉力波，拉力波作用于此区域土体，使该部位地基土受拉力作用而产生“蓬松”现象，尤其是夯扩体成形之后的应力波能量大，反射强，造成蓬松的效果更明显。

夯扩振动对地基土体除了上述三种作用外，振动波以夯扩体为中心向周围传递，尤其是水平方向传递的剪切波能量较强。若地层含水量较高，孔隙水压力增大，地基土抗剪强度降低，将会产生水平（侧）向位移。

6.夯扩桩的承载特点

目前，夯扩桩设计时，承载力估算方法不成熟，工程中一般是先打试桩，确定三击贯入度、锤重、落高等参数，通过静载试验确定承载力，也可参考附近类似工程施工，再检验工程桩的承载力是否满足设计要求。结合豫西地区大量的夯扩桩静载试验数据及应力波检测数据，说明夯扩桩承载特点。

6.1 卵石层中夯扩桩的特点：

图3：卵石层中夯扩桩Q~s曲线

豫西地区卵石层中夯扩体的形态呈扁球形，纵波波速约2500~3500m/s，目测为一独立结构体，表明具有一定的刚度和强度。落距6.0m，贯入度一般控制在8～12mm，夯扩体直径约为0.8～1.0m，桩径为0.4～0.45m，桩端卵石层为稍密～中密状态，静载试验典型曲线如图3（工程实测曲线）。

在加荷较大（该曲线为2000kN以上）时，Q~S曲线仍处于直线段，若此时卸载，回弹率高，残余沉降很小。说明桩土体系大部分沉降属弹性压缩，仅有少量的剪切塑性发展。

Q~S曲线直线段的后期突然沉降加大，曲线陡降。试验后开挖试桩发现：桩身发生脆性破坏，桩土体系的破坏实质上表现为桩身的剪切破坏，及压密破坏。

由于桩身直径不大、夯扩体强度高、卵石层承载力高，所以这种Ⅰ级阶地稍密~中密卵石上夯扩桩的破坏模式是桩身材料的破坏。单桩承载力由桩身材料强度控制。

夯扩体本身强度及刚度较高，同时与桩身连接紧密甚至成为一体，随着上部荷载的增大，夯扩体作为结构整体向下传递荷载，工作机理与一般扩底灌注桩相似。

6.2 黄土状粘性土中夯扩桩的特点：

图4 黄土状粘土中夯扩桩Q~s曲线

豫西地层的表层是Q42新近堆积土层，底面埋深一般在3～6m，湿陷性较高，强度较低，遇水后强度更低。夯扩桩一般穿透新近堆积层，桩端置于强度较高的下层土中。夯扩体呈扁球形，直径一般约0.9～1.3m。由于豫西地区浅部土层含水量较低，接近塑限含水量，夯实挤密效果较好：桩端土强度较高，压缩模量较高。冲击动应力使桩端土中的应力一度增加到一定水平，成桩后，应力逐渐消散，桩端土的应力历史类似于超固结土，表现出的承载特性也与超固结土类似。单桩静载试验典型曲线如图4（工程实测曲线）。

Q~S曲线前段形态类似于土层中的大直径扩底桩的Q~S曲线，曲线平缓，沉降速度缓慢增长。

Q~S曲线后半段与大直径扩底桩不同，经过某一压力值P1后，沉降速度加大，沉降量迅速增加，但并未陡降。继续加载到P2后，出现陡降段。

P1处对应的沉降值一般在10mm左右，而一般小直径摩擦桩Q~S曲线陡降处沉降量约为2~5mm。说明夯扩后黄土的受力特性发生了改变。

OAB段曲线类似于超固结土的受压曲线特征，A点P1类似前期固结压力水平，OA段相当平缓，近似直线，AB段斜率突然加大，相当于压力超过前期固结压力后，沉降大幅度增加。破坏形式往往是刺入破坏。这点是与卵石中的夯扩桩不一样的。

由于不同的夯扩桩成桩时夯击能、夯填料种类及量存在差异，造成桩身及夯扩体向下传递荷载的机理不尽相同，所以实际工程中，除了较多桩的Q~S曲线有上述特点外，还有部分桩不具有这些特点。

大部分桩土体系破坏发生在桩端地基土中，部分桩破坏发生在夯扩体中。

7.夯扩桩设计中应注意的问题

夯扩桩的优点是通过夯击形成夯扩体，扩大受力面积，扩大头具有一定的受力面积和一定的强度、刚度，同时夯实挤密桩端土，提高承载能力，最终使单桩承载力能达到较高的值。设计时可从以下几个方面考虑：

7.1 最后三击贯入度和夯填量

控制三击贯入度可保证夯扩体具有一定的刚度和强度，保证了上部荷载向下的扩散传递。夯填料的每次投入应定量控制，同时控制本次夯填料的三击贯入度达到要求，保证夯填料的充分挤密。

7.2 地质条件的选择

夯扩桩的桩端应落在力学性质较好的土层上，同时应考虑地层的可挤密性及振动效应。洛阳地区可选河流Ⅰ级阶地稍密～中密卵石层，Ⅱ级阶地土的硬塑～坚硬状态的粘性土，稍湿、中密状态的粉土中。

含水量较高的土层不宜作为持力层，此种土层可挤密性不好，承载力提高效果不明显，夯扩时易造成孔隙水压力升高，地基土强度降低，孔隙水压力消散时，在桩体内形成排水通道，易形成砼的离析。

另外，在桩身与夯扩体连接处的地层不宜为含水量高的软弱土层，如淤泥、饱和软粘土等。该处软弱土的存在易造成桩孔缩径，随孔隙水压力的增加高能量应力波能将软弱地基土挤入邻桩体内。

7.3 桩间距

振动在夯扩桩的施工中起到至关重要的作用。振动使桩底土得到加固，夯扩体达到一定的密实度，承载力得到提高。但同时也造成周围土体中孔隙水压力的升高，地基土强度的降低，桩间距设计不合适，势必会造成邻桩或本桩的成桩质量有问题，对承载力的发挥也有负面影响。

《复合载体夯扩桩设计规程》中规定了桩间距不宜小于1.6～2.0m；根据洛阳地区经验，对以卵石层及硬塑粘土为持力层的桩，桩身下部无软弱土层，可按此规定执行，使用效果良好；若桩身下部存在含水量较高的软塑、可塑的粘性土，桩间距宜大于3m。文献【2】中实测孔隙水压力与打桩距离的关系也显示3～5m以外，孔隙水压力明显降低。

7.4 试桩设计

目前，初步设计时对夯扩桩承载力的估算方法很不成熟，具体工程仍依靠试桩作静载试验获取单桩承载力指标。由于夯扩桩特点是处理加固桩端土，振动对邻桩有显著影响。故施工试验时不宜仅施工一组（3根）试桩进行竖向试验，而应该按工程桩的形式施工成桩群，进行承载力试验和桩身完整性试验。

8.夯扩桩常见问题

当桩距不大时，地基土的侧向移动会造成未凝固的邻桩断桩、夹泥等，同时应力波直接作用于邻桩液态或未凝固砼，会形成邻桩的冒浆甚至断桩（一些工程中观察到冒浆现象：液态混凝土向上跳起一定高度）。

另外，夯扩材料投入量并非越多越好。过多的投入夯填料会造成桩端土剪切面范围广，延伸远，而影响到邻桩桩侧土体的稳定。洛阳某工程曾发生因为盲目要求增大夯填量，而造成邻桩上拔，部分桩发生断桩现象。

部分夯扩桩在施工时由于夯扩体与桩身连接不良，出现断桩，其出现的主要原因是由于当夯扩体施工完成后没有在夯扩体上喷洒水泥浆或水泥浆喷洒不均匀而造成，也有一部分是由于在浇筑混凝土时没有进行振搞或振搞不良引起。

9.总结

9.1 夯扩桩在工程使用中有明显的优点：桩身短，承载力高，易于施工，可利用建筑垃圾，具有较高的技术经济效果等优点。

9.2 施工时的振动和挤土对夯扩桩工程使用价值既有利也有弊。相当一部分冲击能量以应力波的形式作用于桩周围土体，造成本桩和邻桩的成桩质量问题。应力波的存在是夯扩桩的设计和施工中应该特别重视的一个关键问题。

9.3 不同地质条件下，夯扩桩的承载特点各不相同，工程实践中应该具体情况具体分析。

9.4 夯扩桩的使用特别强调地质条件的合适与否。在不合适的场地使用夯扩桩必将造成工程事故的发生。设计时应重点考虑工程地质条件，合理确定桩间距及施工参数，正确设计试桩和判断其承载力。

参考文献

［1］ 中国建筑科学研究院．JGJ/T 135-2001复合载体夯扩桩设计规程．北京:中国建筑工业出版社,2001

［2］ 朱英椿. 夯扩桩施工的振动与挤土效应测试实例. 高层建筑桩基工程技术. 北京.中国建筑工业出版社. 1998

［3］ 刘金波、凌光容. 夯扩桩的扩大头形成机理和承载力研究. 高层建筑桩基工程技术. 北京.中国建筑工业出版社. 1998

［4］ 刘学、杨小斌等. 卵石层中的复合载体夯扩桩静载试验研究. 岩土工程技术. 2002.3

【文章编号】1006-2688（2011）04-0022-03

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