螺桿樁群樁基礎(chǔ)在建筑結(jié)構(gòu)中的承載機理和適用性研究

金順利

(中鐵二十四局江蘇工程有限公司， 南京 210046)

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)日新月異，對其上部結(jié)構(gòu)的研究屢見不鮮，但結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)投入通常占總投資的30%～50%。例如，在軟土地區(qū)，天然地基的承載能力往往不能滿足沉降控制要求，工程中可以采用樁基礎(chǔ)形式來控制上部結(jié)構(gòu)的沉降[1]。顯然，如能對建筑結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)進行優(yōu)化，不僅能夠改善其承載性能，還能夠有可觀的經(jīng)濟效益。建筑工程對沉降變形和不均勻沉降有較高的控制要求，這要求建筑基礎(chǔ)需具有一定的承重能力和變形控制能力，否則將造成較大的經(jīng)濟損失和安全隱患。因此對樁基礎(chǔ)形式進行優(yōu)化，降低樁基礎(chǔ)的經(jīng)濟成本具有工程意義。

螺桿樁是近年來工程中應用較多的一種新型樁體，是一種上部為圓柱形、下部為螺絲形的組合式灌注樁。螺桿樁單樁具有承載能力高、節(jié)省材料、適用范圍廣等優(yōu)點[2]，其承載力主要由直桿段摩阻力、螺桿段復合阻力、樁端端承力三部分構(gòu)成[3-5]。劉鐘等[4]研究發(fā)現(xiàn)螺桿樁樁側(cè)摩阻力先于樁端端承力發(fā)揮作用，且摩阻力自樁身上部向下部逐步發(fā)揮作用，端承力隨樁身壓縮變形增大而逐步發(fā)揮作用。

針對群樁基礎(chǔ)或復合地基，李應保[6]針對摩擦端承樁復合基礎(chǔ)的設(shè)計進行了較為全面的研究，周峰等[7]針對如何提升樁土共同作用也開展了一定的研究。但上述研究多針對直桿樁(常規(guī)樁基)而非螺桿樁?，F(xiàn)階段，針對螺桿樁的研究主要局限于應用在鐵路交通中的單樁承載性能，缺乏其在建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中的適用性討論。

本文基于螺桿樁的優(yōu)良特性，在螺桿樁復合路基研究[8-9]的基礎(chǔ)上，將螺桿樁運用于建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，探究螺桿樁群樁基礎(chǔ)的承載機理和適用性能。

1 群樁基礎(chǔ)有限元模型建立

采用PLAXIS軟件分別建立直桿樁建筑群樁基礎(chǔ)和螺桿樁建筑群樁基礎(chǔ)有限元模型?？紤]到建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)在長度方向的幾何和物理特性均存在較好的延續(xù)性，即變異性不大，本文采用了二維模型進行模擬；另外，考慮到群樁基礎(chǔ)平面的對稱特性，建模時進行了對稱簡化處理；且以施加荷載的形式考慮上部結(jié)構(gòu)。將直桿樁和螺桿樁群樁基礎(chǔ)對稱簡化處理后的幾何構(gòu)型總體情況，合并后統(tǒng)一繪制于圖1中。

圖1 螺桿樁與直桿樁群樁基礎(chǔ)示意

螺桿樁建筑群樁基礎(chǔ)模型中，螺桿樁樁間距為2.0 m；樁長為10 m，其中螺桿段長5 m，直桿段長5 m；樁徑為600 mm；螺牙端部厚度為100 mm；螺牙葉片寬度為50 mm；螺牙間距為300 mm。直桿樁建筑群樁基礎(chǔ)模型中，直桿樁樁徑也為600 mm，樁長也為10m。螺桿樁和直桿樁材料采用C30混凝土，兩者所在地基土層相同。其中，地基土層情況選取東部沿海典型土層工況：土層1厚度為10 m(軟土層)，土層2厚度為20 m，樁基礎(chǔ)以土層2為持力層。

考慮到對稱簡化，模型左側(cè)設(shè)置對稱邊界，且僅約束邊界的水平向運動。模型右側(cè)和底部約束所有方向運動。模型的尺寸大小為50 m(長)×30 m(深)，模型側(cè)邊界和底部邊界距離樁體模型的距離均大于最大樁徑的20倍(20×0.6=12 m)，從而保證了樁基礎(chǔ)模型數(shù)值分析結(jié)果不受邊界影響[10-11]。

螺桿樁和直桿樁樁體采用線彈性本構(gòu)模型，土層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。為保障計算精度，模型中樁體和土體均選取15節(jié)點三角形單元模擬。樁土相互作用通過PLAXIS中內(nèi)嵌的接觸單元實現(xiàn)，設(shè)置接觸參數(shù)來表征樁土之間相互作用的強弱。摩擦系數(shù)根據(jù)土體和樁體材料進行選取，通常為0.3～1.0，本文取0.5[11]。樁體和土體材料物理力學參數(shù)如表1所示。

模型中樁體和土體材料物理力學參數(shù) 表1

2 螺桿樁群樁基礎(chǔ)承載特性

2.1 豎向荷載與豎向位移關(guān)系

圖2為群樁基礎(chǔ)的豎向荷載-豎向位移曲線。由圖2可知，螺桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移隨著豎向荷載的增大(建筑層數(shù)增加)呈先線性增大再緩慢增大的趨勢，分界點在3 000 kN附近；直桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移隨著豎向荷載的增加呈先線性增大再快速增大的趨勢，分界點在2 200 kN附近。

由圖2可發(fā)現(xiàn)，在相同豎向荷載作用下，螺桿樁群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的豎向位移明顯小于直桿樁群樁基礎(chǔ)；總體上，在相近豎向荷載作用下螺桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移較直桿樁群樁基礎(chǔ)可以減小10%以上。說明螺桿樁群樁基礎(chǔ)具有較好的沉降控制能力及更高的承載力。豎向荷載加載至6 000 kN的全過程中，螺桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向荷載-豎向位移曲線均較為平緩，未發(fā)現(xiàn)明顯的突變；但直桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向荷載-豎向位移曲線卻在豎向荷載達到2 200 kN左右時發(fā)生突變，曲線斜率明顯增大，說明，此時該基礎(chǔ)承載模式發(fā)生了明顯改變，承載模式可能由以側(cè)摩阻力為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐远顺辛橹?。螺桿樁能夠在節(jié)省材料的同時(基于螺桿尺寸計算材料用量，經(jīng)計算，相比于直桿樁，螺桿樁可減少2%～10%材料)，可以提高建筑基礎(chǔ)的承載能力并且保持控制建筑結(jié)構(gòu)變形的能力。

圖2 群樁基礎(chǔ)豎向荷載-豎向位移曲線

2.2 基礎(chǔ)豎向變形

圖3、圖4分別為豎向荷載為3 000kN(多層建筑)和6 000kN(中高層建筑)時螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移云圖。當荷載為3 000kN時，螺桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移(最大值95.8 mm)明顯小于直桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移(最大值140.4 mm)；兩個群樁基礎(chǔ)底部土體豎向位移分布形式總體相同，均呈現(xiàn)類似“倒鐘形”分布，兩個群樁基礎(chǔ)整體承載能力均得到了較好的發(fā)揮。

圖3 豎向荷載3 000 kN時群樁基礎(chǔ)豎向位移云圖/(×10-3m)

圖4 豎向荷載6 000 kN時群樁基礎(chǔ)豎向位移云圖/(×10-3m)

當豎向荷載增加到6 000kN時，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)的最大豎向位移分別為250.0 mm和441.8 mm，螺桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移明顯小于直桿樁群樁基礎(chǔ)；螺桿樁群樁基礎(chǔ)底部土體豎向位移仍保持為類似“倒鐘形”分布，且分布較為均勻，樁與樁之間及樁土之間共同承載的效果發(fā)揮較好；但直桿樁群樁基礎(chǔ)底部土體豎向位移呈現(xiàn)類似“倒三角形”分布，直桿樁群樁基礎(chǔ)和周邊土體變形有明顯差別，兩者豎向位移差值明顯變大，且群樁基礎(chǔ)中心底部土體豎向位移明顯大于其他部位土體。這表明，當豎向荷載達到6 000kN時，直桿樁群樁基礎(chǔ)和周邊土體開始發(fā)生相對滑移并造成土體剪切破壞，直桿樁群樁基礎(chǔ)中心部位向土體傳遞的荷載顯著大于其他部位，群樁基礎(chǔ)整體承載能力變?nèi)?。螺桿樁群樁基礎(chǔ)能夠發(fā)揮更大承載力的主要原因是螺紋的存在帶動了更多周邊土體受荷，擴大了荷載的傳遞范圍。

3 基礎(chǔ)周圍土體受荷響應

3.1 基礎(chǔ)周圍土體有效剪應力分布

圖5、圖6分別為豎向荷載為3 000 kN和6 000 kN時螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)有效剪應力云圖。由圖5、圖6可知，在豎向荷載為3 000 kN和6 000 kN兩種工況下，群樁基礎(chǔ)外圍樁體樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮范圍約為靠近樁端L/2(L為樁長)部分，其他樁體樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮范圍約為靠近樁端L/10部分。當豎向荷載為3 000kN時(圖5)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體最大有效剪應力分別為76.01kN/m2和64.85kN/m2，提高約17.21%；當豎向荷載為6 000kN時(圖6)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體最大有效剪應力分別為155.2kN/m2和134.3kN/m2，提升約15.56%?？傊?，不論是螺桿樁群樁基礎(chǔ)還是直桿樁群樁基礎(chǔ)，均表現(xiàn)為群樁整體承載特性，因此除外圍樁體外，群樁基礎(chǔ)內(nèi)部樁體的樁側(cè)摩阻力仍未充分發(fā)揮。

圖5 豎向荷載為3 000 kN時土體有效剪應力云圖/(kN/m2)

圖6 豎向荷載為6 000 kN時土體有效剪應力云圖/(kN/m2)

圖7為豎向荷載為3 000kN時螺桿樁群樁基礎(chǔ)、直桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力的對比。由圖7可見，直桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力隨樁深度增大呈現(xiàn)相對線性增大的形式，螺桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力隨樁深度增大呈現(xiàn)凹凸波折形式。螺桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力明顯強于直桿樁群樁基礎(chǔ)，其中，螺桿段部分側(cè)摩阻力提升最大，可達20 kPa，螺桿樁上部直桿段側(cè)摩阻力也略有提高(約5 kPa)，說明螺桿樁群樁基礎(chǔ)能夠更為高效地通過側(cè)摩阻力將荷載傳遞至樁周土體。

圖7 豎向荷載3 000kN時群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力

圖8為群樁基礎(chǔ)外圍樁體各部分分擔荷載情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于直桿樁群樁基礎(chǔ)，絕大部分荷載由樁端端承力承受，少部分由樁側(cè)摩阻力承受；對于螺桿樁群樁基礎(chǔ)，荷載由樁端端承力、樁側(cè)摩阻力共同承擔，其中螺桿段側(cè)摩阻力占有明顯比例，說明螺桿段起到了明顯的荷載分擔作用，將荷載更高效地傳至樁周土體。并且螺桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體各部分分擔荷載總和高于直桿樁群樁基礎(chǔ)，說明了螺桿樁群樁基礎(chǔ)能在節(jié)約材料的同時提高承載能力。

圖8 群樁基礎(chǔ)外圍樁體各部分分擔荷載情況

綜上，在承載上部建筑傳遞荷載的過程中，螺桿樁群樁基礎(chǔ)樁體側(cè)摩阻力發(fā)揮比直桿樁群樁基礎(chǔ)更為充分，不僅能帶動更多的土層受荷還能更充分地利用周邊土體的抗剪能力。

3.2 基礎(chǔ)周圍土體塑性點分布

圖9、圖10分別為豎向荷載為3 000kN和6 000kN時螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點分布圖。當豎向荷載為3 000kN時(圖9)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點均主要分布在上層較軟弱土體中(土層1)，其中直桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點已開始擴散至土層2中。螺桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體靠近螺紋部分塑性點分布相對直桿部分更為密集，且塑性點分布范圍集中在樁體土體附近，表明，螺桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力發(fā)揮較為充分，較好地實現(xiàn)了樁土共同承載。直桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點表現(xiàn)為“廣而散”的分布特性，直桿樁群樁基礎(chǔ)利用外圍樁體側(cè)摩阻力傳遞荷載的能力相對較弱。

圖9 豎向荷載3 000 kN時群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點分布

當豎向荷載增加到6 000kN時(圖10)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點均擴散至土層2中。其中，螺桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點在土層2中仍局限在外圍樁體底部，而直桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點已經(jīng)貫穿至土層2中群樁中心的下部區(qū)域。與豎向荷載3 000kN時工況相似，螺桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點分布呈現(xiàn)“緊而密”的特征而直桿樁群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點分布呈現(xiàn)“廣而散”的特征。此外，群樁基礎(chǔ)除外圍樁體外，其他樁體樁端附近的側(cè)摩阻力、樁端端承力也開始發(fā)揮：在螺桿樁群樁基礎(chǔ)中，樁端附近樁體主要發(fā)揮側(cè)摩阻力作用，側(cè)摩阻力發(fā)揮的有效范圍約為靠近樁端L/8部分，樁端端承力發(fā)揮不明顯；在直桿樁群樁基礎(chǔ)中，樁端附近樁體的側(cè)摩阻力和樁端端承力均較為明顯，其中側(cè)摩阻力發(fā)揮的有效范圍約為靠近樁端L/10部分。這說明，螺桿樁群樁基礎(chǔ)能夠與周邊土體形成更好的相互作用機制，特別是在螺紋段這種相互作用更加顯著，且在同樣設(shè)計條件下螺桿樁群樁基礎(chǔ)有更多的承重冗余度，為結(jié)構(gòu)提供了更大的安全保障。

圖10 豎向荷載6 000 kN時群樁基礎(chǔ)周圍土體塑性點分布

4 結(jié)論

本文采用有限元模擬方法，通過對比應用于建筑結(jié)構(gòu)的螺桿樁和直桿樁群樁基礎(chǔ)，探究螺桿樁群樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的承載能力、變形特性，得出以下結(jié)論：

(1)在本研究涉及的所有工況中，相較于直桿樁群樁基礎(chǔ)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)可以在更少物料消耗的情況下，具有更強的沉降控制能力(減小10%以上)和承載能力(增大15%以上)。

(2)當豎向荷載較小時，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)均能較好發(fā)揮共同承載作用；當豎向荷載較大時，直桿樁群樁基礎(chǔ)和周邊土體的豎向位移有明顯的差別，兩者差值明顯變大，且直桿樁群樁中心底部豎向變形明顯大于其他位置。

(3)螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)均表現(xiàn)為整體承載特性，且外圍樁體的側(cè)摩阻力可以發(fā)揮得充分。其中，群樁基礎(chǔ)外圍樁體樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮范圍約為靠近樁端L/2部分，其他樁體樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮范圍約為靠近樁端L/10部分。

(4)螺桿樁群樁基礎(chǔ)能夠發(fā)揮更大承載力的主要原因是螺紋的存在可以提供更多的機械咬合和滑動范圍，從而帶動其周邊更多土體受荷，即擴大了荷載的傳遞范圍。