滾壓成型灌注螺紋樁承載性能研究

徐學燕,于琳琳,劉復孝

(哈爾濱工業大學土木工程學院,哈爾濱 150090)

滾壓成型灌注螺紋樁承載性能研究

徐學燕,于琳琳,劉復孝

(哈爾濱工業大學土木工程學院,哈爾濱 150090)

采用靜載荷試驗及數值計算相結合的方法進行了螺紋樁承載性能的研究。分析了螺齒寬度、螺距等樁型參數對螺紋樁承載性能的影響,對外徑相同的直徑樁與螺紋樁的承載性能進行了靜載荷對比試驗研究。螺紋樁單樁極限承載力較相同樁外徑的直型樁極限承載力稍高,螺齒寬度對螺紋樁的極限承載力影響非常明顯,隨螺齒寬度的增加螺紋樁的極限承載力增大;螺距對極限承載力影響也較為明顯,隨螺距的減小,螺紋樁的極限承載力增大。螺紋樁在低荷載水平下,樁側阻力沿樁身均勻發揮,樁端阻力較小,隨荷載水平的增大,樁端阻力大幅提高,并提出螺紋樁承載力的計算公式。

滾壓成型灌注螺紋樁;靜載荷試驗;承載力;樁型參數

滾壓成型灌注螺紋樁(簡稱螺紋樁)是一種特殊的異型樁,以其單樁承載力高、節省工程材料、施工時無需護壁等優點,是一種值得在工程中推廣的新型樁基礎形式[1-3]。螺紋樁綜合了長螺旋灌注樁和鋼纖維混凝土全螺紋預制樁的優點[4-5],因螺紋鉆桿螺牙間的泥土取代了部分混凝土,同樁徑同樁長螺紋樁混凝土用量只有傳統光面圓柱樁的60%～70%[6-9]。盡管螺紋樁已經應用于工程中,但是對該樁的研究還很不成熟[10-11]。當土體達到破壞極限時,顯然2個螺齒之間的土體也接近破壞,此時樁側阻力不再以側摩阻力為主,螺齒之間的土體被擠壓剪切破壞[12-14],因此針對這一問題本文主要進行如下方面的研究：利用ABAQUS對螺紋樁承載力性能進行模擬,對不同樁型設計參數結果進行比較,以得出合理的樁型設計參數,并與靜載荷試驗進行比較,根據螺紋樁現場靜載荷試驗數據、有限元模擬分析提出螺紋樁樁豎向承載力的計算公式和計算參數。

1 豎向荷載下螺紋樁承載性能分析

1.1 模型的建立

螺紋樁的模型尺寸與試驗樁相同,模型如圖1所示。模型中樁體混凝土材料的彈性模量高于土體幾個數量級,樁體的應變相對于土體是非常微小的,因此在研究過程中將樁身鋼筋混凝土材料視為彈性材料。由于工程采用的是C35混凝土,故樁體材料也采用此種混凝土,其參數參見《混凝土結構設計規范》(GB 50010-2002)。樁周土體的材料特性采用Mohr-Coulomb本構模型,根據工程地質資料,有限元模擬的參數選取如下,樁周土體材料參數：考慮土體的初始地應力并結合工程勘查資料,取土體密度為：1.9 g/cm3。土體材料塑性特征：土體的內摩擦角φ=14°,膨脹角取為0°。土體材料的硬化特征：土的粘聚力C=22 kPa,塑性應變值取0。徑向計算域：取土體的徑向尺寸為螺紋樁徑向尺寸的10倍;軸向計算域：在豎向荷載作用下,樁底土體受影響的深度與樁徑、土的性質有關,根據工程經驗影響范圍在15～20 d以內,該文取15 d[15]。

1.2 樁身軸力分析

樁身應力應變如圖2所示,可知：樁身的應力隨著深度的增加而不斷減少,減少的部分正是樁側阻力以及樁周螺紋齒擠壓土體而提供的反力,樁頂應力最大,樁身的應力正是樁身軸力的體現。樁周螺紋齒擠壓其下面的土體時,螺紋齒由外邊緣向內應力不斷增加。從圖2可見樁端部應變最大的地方發生在樁的最下端螺齒與樁身的連接點處。

圖1 模型圖

圖2 樁身應力應變圖

沿樁身軸力的分析：在荷載為1 004.8 kN的低荷載水平時,樁身軸力沿樁深分布曲線如圖3所示。

由低荷載水平的曲線可以看出,螺紋樁在外荷載作用下樁頂軸力最大,隨著深度的增大,樁身的軸力不斷減小。樁底端軸力約為100 kN,占樁頂荷載總量的1/10,樁端的應力為0.7～0.9 MPa之間,此處的應力由樁端土體反力提供。如圖3所示,隨著荷載水平的不斷提高,當樁頂施加1 500 kN時,螺紋樁的樁側阻力及樁端阻力同時在增大,在樁身為5～8 m處螺紋樁承力接近整樁承力的50%,樁端阻力較低荷載水平下也有所增加,樁端阻力約為160 kN,約占整樁承載力的1/9。隨荷載水平繼續增大,當樁頂荷載為2 200 kN時,此時樁頂位移為44.99 mm,即達到了位移極限。此時樁端阻力約為 280 kN,樁端阻力約占總荷載的1/8,即樁端應力達到了2 MPa,樁端土體達到了承力特征值。由以上分析可知,螺紋樁在低荷載水平下,樁側阻力沿樁身均勻發揮,樁端阻力較小,隨荷載水平的增大,樁端阻力大幅提高,樁側阻力從樁端處開始大幅提高。樁端土體在高應力水平下發生較大的壓縮變形,樁體發生較大的沉降位移,此時樁頂位移達到了沉降極限,即荷載達到了極限荷載。

圖3 樁身軸力沿樁深分布曲線

2 樁型設計

主要針對螺紋樁的螺齒厚度、螺齒寬度、螺齒間距以及螺紋樁內外直徑進行了研究,螺紋樁模型如圖4所示。

2.1 螺齒厚度的設計

螺齒主要是將豎向荷載傳遞給齒底端面土體,以此來增加樁側的阻力,提高樁的極限承載力。

圖4 螺紋樁的幾何參數圖

螺齒的厚度主要根據螺齒的寬度來選擇其尺寸,并且保證螺齒在傳力過程中能正常工作。利用寬厚比進行螺齒厚度的確定。螺齒的寬厚比應滿足式(1)：

式中：k為螺齒寬度,h為螺齒厚度,α為剛性基礎臺階的寬厚比最小允許值,即α=45°,綜合施工以及安全因素在螺紋樁型設計時適宜取：k/h=1。

2.2 螺齒寬度的設計

螺齒寬度是影響螺紋樁承載力性能的最重要因素之一,數值計算螺紋樁的樁型參數如表1。

表1 螺紋樁樁型參數表

在分析螺齒寬度對螺紋樁豎向承載力性能影響的同時,計算了樁徑為400 mm、560 mm的直型樁的極限承載力,以此與螺紋樁承載力性能進行比較,結果見圖5。

由圖5中P-S曲線可見,螺齒寬度對螺紋樁極限承載力影響比較顯著,當螺齒寬度為50mm時(即A1樁型),螺紋樁的豎向極限承載力達1 570 kN,較直徑為400 mm的直型樁的極限承載力提高了20%;當螺紋樁螺齒寬度80 mm時(即內徑為400 mm、外徑為560 mm的螺紋樁),其極限承載力達2 150 kN,而同外徑的直型樁極限承載力為1 950 kN,其極限承載力較同外徑的直型樁提高10%。

當螺齒寬度為100mm時,螺紋樁的極限承載力達到2 500 kN,可知在其它參數相同條件下,隨螺紋樁螺齒寬度的增加,螺紋樁的極限承載力也增大。因此在樁型設計時,螺紋樁齒應盡量增大提高單樁的極限承載力,得到更優的經濟指標。

圖5 螺齒寬度對螺紋樁豎向極限承載力影響P—S曲線

2.3 螺距的設計

螺距的尺寸直接影響著樁的承載力以及樁體材料用量,螺距越混凝土用量越多,螺距越大混凝土用量隨之減少,但螺紋樁的極限承載力也隨之降低。螺距尺寸對螺紋樁極限承載力性能影響計算參數如表2所示。

表2 螺紋樁樁型參數表

在分析螺距尺寸對螺紋樁豎向承載力性能影響的同時,計算了樁徑為400 mm、560 mm的直型樁的極限承載力,以此與螺紋樁極限承載力性能進行比較,結果見圖6。

圖6 螺距尺寸對螺紋樁極限承載力影響的P-S曲線

由圖6可見,螺距的尺寸對單樁極限承載力影響不顯著,但對沉降位移影響比較明顯。數值計算結果表明：樁徑560mm的直型樁與螺紋樁在低應力水平下,位移值相近,直型樁在1 950 kN荷載作用下其位移37.5 mm,而不同螺距尺寸的螺紋樁在2 000 kN荷載作用下其樁頂位移分別為：27.28 mm 29.56 mm、30.49mm、31.38 mm、34.55mm、37.25 mm;當螺紋樁樁頂荷載繼續增加至2 250 kN時,螺紋樁的沉降位移分別為：35.71 mm、39.02 mm、40.45 mm、42.02 mm。由以上數據可見：樁徑為560mm的直型樁與等外徑螺距為1 000mm的螺紋樁極限承載力相近,隨螺距的減小,在相同樁頂荷載作用下,螺紋樁的沉降位移逐漸減小,螺紋樁的承載性能加強。由以上數據可知螺距在500～800 mm時,單樁的極限承載力較大,在設計合理樁型尺寸時螺距在500～800mm較優,綜合考慮施工條件以及經濟指標適宜選取螺距為600 mm～700 mm。

2.4 螺紋樁內、外徑的設計

螺紋樁的內徑首先應滿足其自身的安全要求,由于螺紋齒增加了單樁極限承載力,但螺齒對于樁的抗壓性能影響較小,因此螺紋樁的設計應重視螺紋樁內徑的設計,而且要滿足式(2)和式(3)的要求：

對于軸心受壓樁：

對于軸心抗拉樁：

可以根據以上公式來設計螺紋樁的內徑尺寸、配筋及選用的混凝土標號。

3 單樁豎向承載力特征值的確定

3.1 樁端阻力特征值

螺紋樁端受力原理與普通樁相同,螺紋樁承力公式中仍采用鉆孔灌注樁的端承力特征值 ：

3.2 樁側阻力特征值

由于螺紋樁樁身有螺齒與土體直接接觸,使得樁周土體的破壞機理與普通直型樁截然不同。螺紋樁在豎向荷載作用下,產生豎向位移,因此每周螺齒直接擠壓剪切其下土體,使樁周土體承載能力得到了充分的發揮,從而提高了樁的極限承載力。樁周土體對樁螺齒的反力通過螺齒傳遞給樁體,以平衡上部結構傳遞下來的荷載。螺紋樁側承受阻力分為3部分：直樁側阻力、螺齒外側阻力、螺齒底端阻力。

直樁側阻力：螺紋樁在受力時,螺齒擠壓剪切其下土體,使得土體產生壓縮變形,此時螺紋樁直樁段相對于樁周土體有相對移動的趨勢,由此產生了直樁段的樁側阻力,隨應力水平的提高,此段土體隨螺紋樁同時產生豎向位移,這時直樁側阻力將發揮到最高值。

螺齒外側阻力：螺齒外側阻力相當于普通直型樁的側阻力,隨樁頂豎向荷載的施加,樁體將相對于土體產生豎向相對位移,此時螺齒外側的土體對螺齒外側產生側阻力。

螺齒底端阻力：螺紋樁在豎向荷載作用下,樁體將產生豎向位移,產生豎向位移的過程就是螺齒擠壓其下土體的過程,土體受到壓縮將有反作用力作用于螺齒即螺齒端阻力。

不同的樁型參數下的極限承載力曲線如圖7所示。

通過試驗以及有限元數值計算的結果,推薦螺紋樁承載力特征值計算采用公式(5)：

圖7 樁側阻力系數擬合曲線

4 外徑相同直徑樁與螺紋樁靜載荷試驗研究

4.1 試樁內容

現場測試試驗根據《建筑樁基檢測規范》(JGJ106-2003),試驗采用快速維持荷載法,由電動液壓千斤頂分級加載。主要試驗內容為利用靜載荷試驗方法測各種樁的極限承載力。

試驗現場地質資料包括巖土名稱、土質描述以及土的物理力學指標如表3和表4所示。

表3 試驗場地土層分布

表4 土的物理力學指標

續表4

試驗設備如表5所示。

表5 試驗設備

試驗樁的具體尺寸如表6。

表6 靜載荷試驗樁情況

4.2 試樁結果

第1組試驗測試數據如表7。

表7 樁徑400的靜載試樁結果表

3根試驗樁試驗在同一試驗場地,樁型以及樁體材料均相同,對比3根試驗樁的試驗結果可知,此3根試驗樁的P-S曲線均為陡降型沉降曲線,其承載力極限為陡降前一級荷載,極限承載力均在1 200 kN～1 400 kN左右,3根實驗樁的曲線如圖8。

圖8 樁徑400mm的靜載荷試驗P-S曲線

第2組試驗數據如表8所示,螺紋樁的測試結果見圖9。

表8 螺紋樁的靜載試樁結果表

圖9 螺紋樁靜載荷試驗P—S曲線

由試驗結果可見,螺紋樁的P-S曲線屬于典型的緩變型,通過分析P-S曲線可知典型螺紋樁的試樁曲線大體分3個階段：第1階段樁身稍微壓縮,與土體緊密接觸并與土體產生側摩阻力,表現為彈性階段。第2階段以摩阻力不斷增加至極限,樁端土層以受擠壓變形為主,樁側土體出現塑性變形,樁端土體表現為彈性。第3階段表現為樁側土體進入塑性狀態,樁端土體受擠壓、剪切變形急劇發展,此時樁端土體塑性變形較大,樁沉降量急增。

第3組靜載試驗檢測數據如表9,將該組試驗所測得沉降與荷載繪制圖10。

表9 樁徑560的試樁結果表

第1組靜載荷試驗曲線(樁徑為400 mm的普通直型樁)均為陡降型曲線,此類樁破壞比較明顯,屬于刺入式破壞,達到承載力極限時樁的位移將突然劇增如圖8;第2組靜載荷試驗曲線(螺紋樁)屬于緩變型曲線,此曲線沒有明顯的拐點,樁的承載力極限根據沉降位移確定如圖9;第3組靜載荷試驗曲線(樁徑為560mm的普通直型樁)屬于陡降型曲線如圖10,但是其沒有第1組陡降明顯,分析原因是直徑大的樁,端截面相對較大刺入式破壞難度較大。

圖10 樁徑560mm的靜載荷試驗P—S曲線

5 結 論

1)螺紋樁在低荷載水平下,樁側阻力沿樁身均勻發揮,樁端阻力較小,隨荷載水平的增大,樁端阻力大幅提高,樁側阻力從樁端處開始大幅提高,隨荷載水平繼續增大,樁端土體在高應力水平下發生較大的壓縮變形,樁體發生較大的沉降位移,此時樁頂位移達到了沉降極限,即荷載達到了極限荷載。

2)螺紋樁單樁極限承載力較相同樁外徑的直型樁極限承載力稍高,螺齒寬度對螺紋樁的極限承載力影響非常明顯,隨螺齒寬度的增加螺紋樁的極限承載力增大;螺距對極限承載力影響也較為明顯,隨螺距的減小,螺紋樁的極限承載力增大。

3)對數值計算的極限承載力結果進行數理統計,得出了螺紋樁的豎向極限承載力公式。螺紋樁的極限承載力曲線屬于緩變型曲線,為其極限承載力的確定提供了理論依據。

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(編輯 胡 玲)

Bearing Capacity Behavior of Roll Form ing Filling Screw Pile

XUXue-yan,YULin-lin,LIUFu-xiao

(School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,P.R.China)

Bearing capacity behavior of roll form ing filling screw pile(screw pile for short)is investigated through numerical calculation and static load test.The influence of pile-typeparameters,such aswidth of thread tooth and thread pitch,on the ultimate bearing capacity of crew pile is studied;furthermore,the bearing capacity behaviorof screw pile and thatof pile with the same diameter are compared and analyzed through static load test.The results show that theu ltimatebearing capacity of screw pile is abithigher than thatof pilewith the same outside diameter; width of thread tooth has adistinct effect on ultimatebearing capacity which increases with the incrementof width of thread tooth.When the screw pile is tested under light load,the resistance on pile side is distributed along screw pile,and tip resistance is small,but the resistance rises considerably with load increasing.Besides,the design formula of bearing capacity of screw pile is proposed.

roll forming filling screw pile;static load test;bearing capacity;pile-type parameters

TU473.1

A

1674-4764(2011)03-0019-06

2010-11-18

國家自然科學基金項目(40571032);鐵道部科技開發計劃項目(2006G001-B-3)

徐學燕(1946-),女,教授,博士生導師,主要從事巖土工程、凍土工程方面的研究,(Emai)lubote_2008@163.com。