螺桿樁的承載特性研究現(xiàn)狀與計算方法分析

袁 松，馬宏偉，楊曉麗，何青睿

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

螺桿樁全稱為半螺旋擠孔管內(nèi)泵壓混凝土灌注樁，是一種上部為直桿段、下部為螺紋段的新型螺紋式異形樁，屬于半擠土灌注樁[1]。螺桿樁具有污染小、造價低、樁身質(zhì)量可靠、施工效率高、單樁承載力高等優(yōu)點。樁體螺紋段改變了樁土之間相互作用的形式，使其承載性能優(yōu)于同類型其他樁型，因此，在基礎(chǔ)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對近年來國內(nèi)外學(xué)者開展的螺桿樁承載特性研究工作進行了總結(jié)分析，并基于單樁極限承載力計算方法探討了現(xiàn)有計算方法存在的問題。

1 螺桿樁豎向承載特性的研究現(xiàn)狀分析

螺桿樁的特殊構(gòu)造形式主要用于提高其豎向承載力，因此，大量的研究工作集中于豎向承載特性的研究。整體來看，具體研究工作主要從理論分析、模型試驗、現(xiàn)場靜載試驗和數(shù)值模擬等四個方面展開。

1.1 螺桿樁承載特性的理論分析

在螺桿樁的承載特性理論分析方面，彭奎森等[2]利用雙線性荷載傳遞函數(shù)法初步解釋了螺桿樁的荷載傳遞機理，得出不同樁側(cè)、樁端土形態(tài)下的單樁P-s(荷載-沉降)顯式解，理論計算得到的樁基P-s曲線與ANSYS有限元數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，證明了荷載傳遞法在螺桿單樁極限承載力計算中的可行性。王成武等[3]采用Richards模型對螺桿樁現(xiàn)場實測的P-s曲線進行擬合，并與雙曲線模型和指數(shù)曲線模型的擬合結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果表明Richards模型擬合精度高于其他兩種模型，但前者對極限承載力的預(yù)測偏于保守。劉劍雄等[4]采用雙曲線法擬合出與實際試驗數(shù)據(jù)較吻合的曲線，所得螺桿樁極限承載力偏差較小，與文獻[3]所得結(jié)果基本一致。以上研究表明，采用預(yù)測函數(shù)進行螺桿樁承載特性的分析是可行的，但計算結(jié)果較實測結(jié)果存在一定偏差，預(yù)測函數(shù)的準(zhǔn)確性受參數(shù)取值的影響很大。

1.2 螺桿樁的模型試驗研究

目前，螺桿樁室內(nèi)模型試驗研究大多為宏觀力學(xué)響應(yīng)的研究，表現(xiàn)為樁周土體宏觀強度、變形和破壞模式。針對螺桿樁的模型試驗研究，胡金山[5]采用室內(nèi)模型試驗，對比分析了粉土場地中螺桿樁復(fù)合地基和CFG樁復(fù)合地基的承載特性。馮浙[6]采用基于應(yīng)變測試技術(shù)和數(shù)字圖像軟件技術(shù)的室內(nèi)模型試驗，對豎向荷載下螺桿樁的承載機理和樁周土體位移規(guī)律展開研究。王曙光等[7]對螺桿樁進行了室內(nèi)模型試驗，探討了螺桿灌注樁和等外徑的直桿灌注樁抗壓承載機理的差異，并通過現(xiàn)場試驗驗證，結(jié)果表明，螺桿樁側(cè)摩阻力顯著提高是其承載力遠遠高于直桿樁的根本原因。在揭示全螺紋樁承載機理的模型試驗研究中，汪鵬等[8]所得結(jié)論與螺桿樁(半螺紋樁)試驗結(jié)果基本一致。顯然，模型試驗在揭示螺桿樁承載機理方面具有顯著的優(yōu)勢，但與實際工程樁相比，模型樁尺寸效應(yīng)引起的測試誤差是客觀存在的，采用模型試驗結(jié)果進行工程樁的承載力預(yù)測存在一定的問題。

1.3 螺桿樁的現(xiàn)場靜載荷試驗研究

在螺桿樁的現(xiàn)場靜荷載試驗研究方面，方崇等[9]通過螺桿樁豎向抗壓靜載荷試驗，初步探討了螺桿樁的豎向荷載傳遞機理和破壞特征，指出螺桿樁設(shè)計的關(guān)鍵是螺距，經(jīng)過多次試驗，認為最優(yōu)螺距應(yīng)取1.0～1.5倍螺桿樁外徑。此后，徐佩洪等[10]利用現(xiàn)場螺桿樁靜載荷試驗，重點分析了螺桿樁荷載傳遞機理，并提出螺桿樁極限承載力的判定方法。結(jié)合螺桿樁在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用，高建中等[11]分析了螺桿樁在濕陷性黃土中的樁土擠密效應(yīng)，并通過靜載荷試驗結(jié)果得出螺桿樁在濕陷性黃土地區(qū)亦可提供較高承載力，具有良好的應(yīng)用前景。對于擠密效果的研究，黃雪峰等[12]認為螺桿樁消除濕陷性作用效果明顯?，F(xiàn)場試驗真實反映了工程樁在場地中的承載特性，但試驗結(jié)果不可避免地受到場地中土層分布的離散性和施工偏差的影響，將試驗結(jié)果直接用于其他工程樁的承載力預(yù)測存在很大的不確定性。

1.4 螺桿樁的數(shù)值模擬分析

在試驗研究的基礎(chǔ)上，有學(xué)者采用有限元數(shù)值分析方法進行了螺桿樁承載性能的數(shù)值模擬研究。周閃[13]利用有限元軟件ABAQUS對螺桿樁進行了數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場靜載荷試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了有限元模型的可靠性。陳亞東等[14]基于離散元法的二維顆粒流數(shù)值模擬技術(shù)，分析了螺距、螺紋段長度及樁徑等幾何參數(shù)對螺桿樁承載力和沉降變形的影響，加深了對螺桿樁荷載傳遞機理的認識。張璐[15]根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對比分析了螺桿樁和灌注樁在樁身軸力及樁頂沉降方面的差異性，證明了螺桿樁在承載力提高和沉降控制方面的優(yōu)越性。Zhao[16]對螺桿樁復(fù)合地基的承載特性做了進一步分析，得出高速鐵路螺桿樁樁基的螺桿段部分摩阻力發(fā)揮度較高；同時也分析了螺桿樁復(fù)合路基的沉降控制能力影響因素：螺桿段長度、螺牙寬度、樁間距，其中樁間距對其影響較大，且合理樁間距為4倍樁體外徑。顯然，數(shù)值模擬方法能夠較好地反映加載過程中樁與地基土的應(yīng)力場和位移場分布規(guī)律，對揭示螺桿樁承載特性是十分有利的，特別是建模計算具有很好的便利性，但采用數(shù)值模擬方法進行實際工程樁承載特性預(yù)測的準(zhǔn)確性仍然受到材料本構(gòu)關(guān)系選擇、關(guān)鍵參數(shù)取值的影響。

整體來看，螺桿樁的承載特性研究方法多樣，但每種方面均存在一定的優(yōu)勢和弊端，在實際工程樁承載力預(yù)測和承載特性研究中，宜綜合運用上述方法進行實施，具體來說，可采用模型試驗和數(shù)值模擬方法進行樁體承載特性的一般規(guī)律和關(guān)鍵影響因素分析，在此基礎(chǔ)上，建立螺桿樁承載力計算的理論分析模型，并以實際工程樁的現(xiàn)場加載試驗結(jié)果對理論分析模型中的關(guān)鍵參數(shù)進行修正，由此得到可用于一般工程樁承載力預(yù)測的計算方法，為螺桿樁在不同場地中的應(yīng)用提供參考。

2 螺桿樁豎向承載力的計算方法對比分析

螺桿樁的承載能力不僅與樁體混凝土強度有關(guān)，而且與樁周土體的性質(zhì)有很大關(guān)系。既有研究表明，螺桿灌注樁的承載機理與直桿樁有較大的差異，螺桿灌注樁側(cè)摩阻力表現(xiàn)為樁周土體對螺紋的剪切及螺紋間土體抗剪強度，而直桿灌注樁的側(cè)摩阻力表現(xiàn)為樁周土體和樁體本身的摩擦力，兩者存在本質(zhì)區(qū)別?，F(xiàn)有的螺桿樁極限承載力計算方法包括基于土體抗剪強度的計算方法和現(xiàn)行規(guī)范計算法兩種。

2.1 基于土體抗剪強度的計算方法

同望民等[17]建立了基于土體抗剪強度的螺桿樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算公式為：

Quk=u[∑qsikli+∑(cj+σjtanφj)lj]+qpkAp

(1)

式中，Quk為單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值；u為螺桿樁外周長；qsik為直桿段樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為直桿段第i層土的厚度；cj為第j層土的黏聚力；σj為第j層土的抗剪強度對應(yīng)的法向應(yīng)力；φj為第j層土的內(nèi)摩擦角；lj為螺紋段第j層土的厚度；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為按螺桿樁外徑計算的樁端面積。

基于土體抗剪強度的計算方法本質(zhì)上是假定樁周土破壞面為沿螺紋外緣形成的圓柱面，極限側(cè)阻則由圓柱形破壞面的剪切強度決定，圓柱面剪切強度被視為由螺紋外表面與土體的剪切強度和螺紋間土體剪切強度兩部分組成，兩組剪切面的大小體現(xiàn)了螺紋間距及其外緣高度對樁體承載力的影響，因此，該方法具有一定的先進性，但由于假定的樁周土破壞面與實際工程樁存在較大出入，計算結(jié)果明顯小于樁的實際承載力，且樁土界面摩擦角的取值對計算結(jié)果的影響很大，使得計算結(jié)果的可信度不高。

2.2 現(xiàn)行規(guī)范計算方法

現(xiàn)行《螺紋樁技術(shù)規(guī)程》[18](JGJ/T 379—2016)規(guī)定的螺桿樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算公式為：

Quk=u(∑qsikli+∑βqsjklj)+qpkAp

(2)

式中，qsjk為螺紋段樁側(cè)第j層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；β為螺紋段樁側(cè)摩阻力增強系數(shù)；其余符號的物理意義與公式(1)中的一致。

現(xiàn)行規(guī)范計算方法雖然也將樁周土破壞面假定為沿螺紋外緣形成的圓柱面，但在側(cè)阻力取值時考慮了圓柱面假定帶來的偏差，采用引入側(cè)阻增強系數(shù)的方法對側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值進行了修正，因此，計算結(jié)果較基于土體抗剪強度的計算方法更準(zhǔn)確。不過在該方法中，側(cè)阻增強系數(shù)采用1.3～1.6的取值范圍是值得商榷的，大量研究工作表明側(cè)阻增強系數(shù)的大小與螺紋間距存在顯著的相關(guān)性，最優(yōu)螺距下的側(cè)阻增強系數(shù)最高可達2.0以上，規(guī)范經(jīng)驗法顯然沒有考慮到這一影響，計算結(jié)果仍然偏于保守。

綜合來看，現(xiàn)有螺桿樁豎向承載力計算方法中對樁-土相互作用方式的處理與大量研究結(jié)果存在顯著差異，這也是引起計算方法準(zhǔn)確性差的關(guān)鍵原因，在建立螺桿樁側(cè)阻增強系數(shù)與螺紋間距相互關(guān)系表達式的基礎(chǔ)上，采用規(guī)范經(jīng)驗方法進行樁基極限承載力計算不失為解決問題的有效途徑。

3 結(jié) 論

螺桿樁的承載特性分析與極限承載力預(yù)測具有重要的意義，本文對螺桿樁承載特性的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析，評述了四種研究方法的優(yōu)缺點，并指出既有螺桿樁豎向承載力計算方法存在的諸多問題及解決方法。

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