黄土地基螺杆桩桩身参数对承载力影响研究_张元帅.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202207058开放科学（资源服务）标识码（OSID）黄土地基螺杆桩桩身参数对承载力影响研究张元帅（中铁二十二局集团第一工程有限公司，哈尔滨150006）摘要：依托中兰客专引入兰州枢纽螺杆桩处理黄土地基项目，通过现场竖向静载试验确定单桩极限承载力，并与数值模拟结果进行对比验证，分析螺杆桩的荷载传递特性，研究螺杆桩桩身参数变化对其承载性能的影响。结果表明：螺纹段长度占比、螺距和螺牙宽度对承载力影响较为显著，螺纹叶片端部厚度对桩身承载力影响较小；螺杆桩最优螺纹段长度占比为 0.60.7，螺距为 0.350.40 m，叶片宽度为 5060 mm。关键词：螺杆桩；黄土；承载力；数值模拟；桩身参数中图分类号：TU473.12文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0077 06 0 引言螺杆灌注桩是一种“上部为圆柱型，下部为螺丝型”的组合式地基加固桩，作为变截面桩，复杂的桩型和设计参数是工程建设者们十分关心的问题。研究表明1-2：螺杆桩单桩承载力高于同直径的等截面灌注桩（以下简称直杆桩）。很多学者3-8对螺杆灌注桩的承载机理和承载力进行了研究，发现螺杆桩与普通桩最大区别就在于螺杆桩螺纹段受力与直杆桩不同。目前，关于螺杆桩加固地基的机理和荷载传递特性方面的研究远滞后于工程实践，其设计与应用中大量存在螺杆桩设计参数设置不合理的问题。虽然一些学者9-11对螺纹段螺距、叶片倾角、螺纹段长度占比及螺牙叶片厚度等参数进行了研究，但只是简单地对比分析了某一参数对承载力影响，并未综合考虑参数之间的联系。本文以中兰客专引入兰州枢纽配套工程为背景，通过理论计算及数值模拟方法，探讨螺纹结构参数对螺杆桩承载力的影响规律，揭示不同螺纹参数相互作用下螺杆桩的承载机理，为螺纹桩的设计和应用提供科学依据。1 工程概况选取 DK12+725.31DK13+280.00工点，地貌属黄河二级阶地区，地形平坦开阔。1.1 地层岩性工程范围内地层主要有第四系全新统人工填土、冲积砂质黄土、粗圆砾土。人工填土(Q4ml3)：分布于既有铁路路基及场地地表，厚度 0.54.5 m，青灰色及杂色，土质不均，稍湿、稍密，II 级普通土。砂质黄土(Q3al3)：厚度 617 m，浅黄色、灰黄色，土质均一，成分为粉粒，稍湿，稍密-中密，II 级普通土，0=120 kPa。粗圆砾土(Q4al6)：厚度 47 m，青灰色，颗粒磨圆度较好，浑圆状为主，分选性好，潮湿-饱和，密实，IV 级软石，0=550 kPa。地下水主要为第四系孔隙潜水。赋存于砂质黄土及粗圆砾土中，补给方式主要为大气降水入渗补给。1.2 地基处理该区段挖除人工填土后采用螺杆灌注桩处理地基，桩间距 1.8 m，呈正方形布置，桩长进入粗圆砾土地层不小于 0.5 m，处理后复合地基承载力不小于 200 kPa。其中，DK13+100 断面设计桩长为l0=18.0 m，直杆段长 6.0 m，螺纹段长 l=12.0 m；直杆段桩径 D=0.4 m，螺纹段直径为 d=0.3 m；螺纹段叶片宽度 h=50 mm，叶片根部厚度 h2=100 mm，端部厚度 h1=50 mm，螺距 S=350 mm，螺纹倾角=17.7，混凝土等级为 C40。1.3 单桩竖向极限承载力现场 JZU180 型螺杆桩施工与质量检验现场，收稿日期：2022 09 14基金项目：中国铁建股份有限公司科研计划课题（2022-C26）作者简介：张元帅（1988），男，黑龙江牡丹江人。工程师，主要从事路基施工方面的工作。E-mail：。张元帅：黄土地基螺杆桩桩身参数对承载力影响研究 77 见图 1。螺杆桩在黄土层中成桩效果良好，桩体在土体中形成了完整的螺纹。螺杆桩桩体施工质量检验贯穿整个施工过程，包括桩体垂直度、有效直径、有效桩长、桩身完整性、单桩及复合地基承载力等。a 施工 b 成桩 c 静载试验 图1螺杆桩施工与质量检验 采用慢速荷载维持法开展了 3 根试桩的静载荷试验，每级荷载加载量为预估极限荷载的 1/10，每级荷载值稳定后方可进行下一级加载。单桩试验Q-s 曲线，见图 2。随着荷载的增加，桩顶沉降起初表现为线性增加，当荷载超过 1 400 kN 时，桩顶沉降开始大幅度增加，试验曲线为陡降型 Q-s 曲线。所以，螺杆桩单桩竖向极限承载力取桩体发生明显陡降的起始点对应的荷载值，即试验得到的单桩竖向极限承载力为 1 400 kN。04008001200160020001020304050桩顶沉降/mm荷载/kN试桩1试桩2试桩3图2螺杆桩单桩试验Q-s曲线 2 有限元模型建立及验证 2.1 计算模型建立假定地基土为理想弹塑性材料，服从摩尔-库仑强度准则，螺杆桩采用线弹性模型，均用实体单元模拟。桩土之间采用面-面接触，由于螺杆桩螺纹段的存在会使桩土作用增强，为简化计算，通过增大桩土接触的摩擦系数来进行模拟计算。杨启安等12研究发现螺纹段侧阻增强系数约为 1.32.0，本文定义直杆段与土体摩擦系数定为 0.48，螺纹段系数 0.85。模型四周限制 X-Y 两个方向上的位移，使其仅能在竖直方向移动，对模型底部限制所有方向的位移。根据现场地勘报告，土层的物理力学参数，见表 1。有限元数值模型，见图 3。表1土层物理力学参数土层厚度/m重度/(kNm3)弹性模量E/MPa内摩擦角/（）黏聚力c/kPa砂质黄土19.4517.5101520砂质黄土27.2018.2152024粗圆砾土15.0019.550355 a 整体模型 b 桩体 c 桩体局部放大图3有限元数值模型 2.2 模型验证为验证数值模型的正确性，与现场单桩静载试验加荷方式相同，采用分级加载的方式，加载前先进行地应力平衡。模拟结果与实测平均结果对比，见图 4。在各级荷载作用下，两者的 Q-s 曲线规律一致且结果相差不大，模拟结果也在 1 400 kN 时发生转折，与实测结果相同，证明模型合理可靠。400800120016002000010203040桩顶沉降/mm荷载/kN模拟结果实测结果图4模拟与实测沉降对比 2.3 桩身荷载传递特征不同桩顶荷载作用下螺杆桩桩身轴力和侧摩阻力分布，见图 5、图 6。螺杆桩桩身轴力自桩顶向下逐渐减小，在直杆段与螺纹段交接处出现了明显的拐点，在直杆段桩身轴力减小较多，在螺杆段桩身轴力衰减较慢。本文所得螺杆桩桩身轴力变化规律与文献 6 模型试验结果一致，进一步验证了本文结果的可靠性。直杆段桩侧摩阻力发挥较大，在直杆段与螺纹路基工程 78 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）段交接处，桩侧阻力发生了明显的突变，说明在螺杆段除了承受桩侧摩阻力外，还有螺纹与桩侧土间的机械咬合力、螺纹叶片的端阻力以及桩端阻力共同分担上部荷载，使轴力衰减速率变慢。02468101214161830060090012001500桩身轴力/kN桩身位置/m400 kN1000 kN1400 kN图5桩身轴力分布 400 kN1000 kN1400 kN024681012141618102030405060侧摩阻力/kPa桩身位置/m图6侧摩阻力分布 3 桩体参数对螺杆桩承载特性的影响分析螺杆桩桩型设计与常规桩型不同点在于螺纹段的参数设计，本文通过改变螺纹段长度占比、螺距、叶片根部宽度和螺牙叶片宽度等设计参数，分析螺杆桩在荷载作用下桩顶位移的变化，寻求螺杆桩螺纹段的最优参数组合。3.1 螺纹段长度定义螺纹段长度占比 K=l/l0，通过数值模拟，研究不同荷载工况下螺杆桩桩顶位移与 K 的关系，继而寻求 K 的最优解。计算中桩身其他参数不变，仅变化 K 值。不同螺纹段长度占比 K 对桩顶沉降的关系，见图 7。0.40.50.60.70.80.924681012141618螺纹段长度占比K桩顶沉降/mm400 kN1000 kN1400 kN图7不同螺纹占比与桩顶沉降的关系 不同荷载水平下，随着 K 值的增大桩顶沉降总体表现为逐渐减小，且螺杆桩桩顶荷载越大，K 的增加引起的沉降降幅越明显。当荷载为 400 kN时，K 从 0.4 变化到 0.9，桩顶沉降减小了 1.19 mm，当荷载为 1 400 kN 时，桩顶沉降减小了 3.6 mm。K 值过小时，螺纹段桩侧摩阻力未完全发挥，过多的荷载传递到桩端，引起桩端土变形增大，导致桩顶沉降增加；K 值过大时（K=0.9），螺纹段位置偏上，当桩顶荷载为 1 400 kN 时，桩顶沉降反而增加，分析原因是高荷载水平下，桩土相对位移较大，在直杆段与螺纹段交界面处应力集中，使桩周土体剪切破坏，导致桩顶沉降增加。综上所述，K 值过小，螺纹段侧阻不能充分发挥，K 值过大，桩周土易发生剪切破坏，因此，K 取 0.60.7 最为合理。3.2 螺距一般而言，螺距越小则螺纹越多，螺纹段所提供的承载力相应的也就越大。另外，螺距与螺纹叶片倾角相关联，螺纹倾角越小，螺纹叶片与土体作用的面积就越大，相应的承载力就越大；同样，螺牙叶片受力越大，螺牙叶片也就越容易破坏，倾角越小，施工难度就越大。因此，设计合理的螺距和叶片倾角是螺杆桩能发挥最优承载力的关键。根据螺纹段圆柱螺旋线构造的几何关系，可得螺距与叶片倾角的关系S=Dtanh（1）所以螺距、叶片倾角及桩径中，只要确定两个参数，第三个参数也就确定了。通常桩径的变化对沉降的影响较小，本文计算时统一取 D=0.4 m。选取螺纹段长度占比 K=0.67，分析不同螺距下（S=0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 m）螺杆桩桩顶沉降随荷载的变化规律，不同螺距工况下的螺杆桩桩顶的荷载-沉降曲线，见图 8。200400600800 1000 1200 1400024681012141618桩顶沉降/mm荷载/kN0.30 m0.35 m0.40 m 0.45 m0.50 m图8不同螺距下桩顶荷载-沉降曲线 随着螺距的增加，各级荷载作用下螺杆桩桩顶沉降总体表现为逐步增大，影响程度不太明显；但螺距 S=0.30 m 时出现了反常现象，其在大部分荷载工况下的沉降均大于 S=0.35 m 的沉降值，甚至张元帅：黄土地基螺杆桩桩身参数对承载力影响研究 79 荷载水平较高时，其沉降还大于 S=0.40 m 的沉降值，分析原因是因为螺距和叶片倾角太小时，桩周土嵌固在相邻叶片之间，在桩顶荷载作用下，叶片与桩周土共同运动，桩土之间没有产生相对位移，即桩周土体与桩身的接触面积减小，导致叶片与土的咬合作用及桩侧摩阻力减小而发生了较大的沉降。当螺距适当时，在极限荷载作用下，上下两级螺牙形成的滑裂面刚好重合，螺杆桩侧摩阻力为螺杆桩外径形成的剪切面的抗剪力，此时桩的承载力最大。当螺距过大时，每个螺牙下桩周土的受力相互独立，互不影响，上下两级螺牙形成的滑裂区间的桩侧阻力是按螺纹段内径来发挥的，所以提供的抗剪力较小，桩顶沉降相对较大。因此，从控制沉降 的 效 果 来 看，螺 杆 桩 的 螺 距 合 理 区 间 为0.350.40 m。3.3 螺杆桩叶片根部宽度在螺距和叶片倾角不变情况下，叶片根部宽度改变对整个螺牙叶片的构造影响较大。如果叶片根部宽度太小，则螺杆桩很容易发生剪切断裂，不能很好发挥螺纹段承载力大的优势；若叶片根部宽度太大，则不能凸显螺杆桩作为变截面桩的构造特征且浪费材料。程驭13根据螺杆桩单个叶片所承受的力与土体的抗剪能力相等的原则，推导了最佳叶片根部宽度的计算公式。选取螺纹段长度占比 K=0.67，螺距 S=0.35 m，其他参数不变，分析不同叶片根部宽度（B=80、90、100、110、120 mm）在桩顶荷载为 1 400 kN时对桩顶沉降的影响，计算得到叶片根部宽度与桩顶位移的变化曲线，见图 9。809010011012014.014.214.414.614.815.0叶片根部宽度/mm桩顶沉降/mm图9叶片根部宽度与桩顶位移的变化曲线 随着螺牙叶片根部宽度增大，桩顶沉降逐渐减小，但减小的数值较小，总体影响不大；叶片根部宽度越大，桩体材料