反向螺絲釘樁單樁沉降特性與承載分析

劉杰民，郭 強，郝寶鋒，王培森

（1.山東濰萊高速鐵路有限公司，山東 濟南 250021；2.中鐵一局集團 第五工程有限公司，陜西 寶雞 721000；3.山東建筑大學，山東 濟南 250101）

引言

樁基礎作為一種常見的基礎形式，通過其樁身將上部結構的荷載傳遞至承載力較強的土層或巖層[1]， 或擠密軟土層以提高地基極限承載力，從而減少地基的不均勻沉降，確保建筑物的穩定。增加樁徑或者樁長可以提高樁基整體承載性能，但是靠增加樁長或樁徑提高樁基承載力的做法既不經濟又會增大施工難度。螺紋結構能增加樁土之間的接觸面積，并產生咬合作用，增大樁基承載力[2-3]。隨著時代發展步伐的加快與國家對環境保護的重視，鑒于工程背景與實際需求，提出了反向螺絲釘樁這一新型變截面樁基礎。反向螺絲釘樁由樁身和樁帽組成[4]，螺紋方向為逆時針，上部圓柱型直桿占整個樁身的1/3，下部為螺紋型樁身占整個樁身的2/3，樁頂設置樁帽。穩定、高質量的樁基礎才能保障其使用性能和安全性[5-6]。

1 反向螺絲釘樁有限元模型

采用ABAQUS建立樁-土地基有限元模型，擬對比反向螺絲釘樁相比于普通樁基對地基豎向承載能力的加強作用。所選用的土層地基尺寸為30 m×30 m×15 m。反向螺絲釘樁圓橫截面直徑為0.3 m，螺紋總寬度0.2 m，螺紋樁橫截面總直徑為0.5 m，樁身長度為10 m。土層地基采用Mohr-Columb彈塑性本構，樁身采用線彈性本構。樁身地基的材料參數見表1。

表1 樁身地基材料參數

采用精細化有限元建模，反向螺絲釘樁單元網格大小約為0.05 m。為保證反向螺絲釘樁周圍土體的精確模擬，土體采用C3D10四面體單元劃分網格，其中最精細尺寸約為0.01 m。樁土地基模型有限元數量約為30萬個，保證了有限元模擬的準確性與可靠性。土層與樁身有限元模型見圖1，并提出了三種不同尺寸的反向螺絲釘樁，對比分析了反向螺絲釘樁參數對地基豎向承載力的保護作用，材料參數見表2，有限元模型見圖2。

圖1 樁身有限元模型

表2 反向螺絲釘樁螺紋幾何參數

圖2 反向螺絲釘樁有限元模型

2 反向螺絲釘樁與普通樁豎向承載力對比分析

普通圓樁基橫截面直徑為0.5 m，樁長為10 m；對比普通圓樁，反向螺絲釘樁-1的圓橫截面直徑為0.3 m，螺紋總寬度0.2 m，螺紋樁橫截面總直徑為0.5 m，螺紋樁身長度為9 m，頂部圓樁位1 m。圖3、圖4分別為不同樁基在自重作用下以及豎向荷載作用下樁底的豎向位移。

由圖3、圖4可知，在自重作用下，反向螺絲釘樁-1的基底位移相對于普通圓形樁的基底位移稍大，但反向螺絲釘樁樁身變形較小，這是由土層與樁基靜力相互作用導致。而在豎向荷載作用下，反向螺絲釘樁樁頂沉降量顯著小于普通圓形樁的沉降，柱頂最大沉降量由34 mm減小至26 mm，沉降量減少比例達24%。結果表明，螺紋的存在增大了樁身與周圍土層豎向方向的咬合作用，有效地控制了樁身沉降以及變形。

圖3 自重下不同樁基對地基承載力影響對比

圖4 豎向荷載下不同樁基對地基承載力影響對比

3 反向螺絲釘樁螺紋間距、螺紋角度等對豎向承載力的影響

兩反向螺絲釘樁的圓橫截面直徑為0.3 m，螺紋總寬度0.2 m，螺紋樁橫截面總直徑為0.5 m，螺紋樁身長度為9 m，頂部圓樁為1 m，兩者不同之處在于螺紋間距。圖5、圖6分別為不同樁基在自重以及豎向荷載作用下樁底的豎向位移。

圖5 自重下反向螺絲釘樁螺紋間距對地基承載力影響對比

圖6 豎向荷載下反向螺絲釘樁螺紋間距對地基承載力影響對比

由圖5、圖6可知，在自重作用下，反向螺絲釘樁-1的基底位移相對于反向螺絲釘樁-2的基底位移稍大。而在豎向荷載作用下，反向螺絲釘樁-2樁頂沉降量稍微小于反向螺絲釘樁-1的沉降量，柱頂最大沉降量由26 mm減小至24 mm，沉降量減少比例約為8%；并且反向螺絲釘樁-2的整體樁身豎向應變也相對反向螺絲釘樁-1較小。結果表明，反向螺絲釘樁中螺紋的存在可以增大樁的抗壓作用，但螺絲間距并不是越小越好，合理的螺紋分布既可以減輕樁身的自重，也可以提高反向螺絲釘的抗壓抗拔能力。

4 反向螺絲釘樁螺紋厚度對豎向承載力的影響

兩反向螺絲釘樁的圓橫截面直徑為0.3 m，螺紋總寬度0.2 m，螺紋樁橫截面總直徑為0.5 m，螺紋樁身長度為9 m，頂部圓樁為1 m，兩者不同之處在于螺紋厚度。圖7、圖8分別為不同樁基在自重作用下以及豎向荷載作用下樁底的豎向位移。

圖7 自重下反向螺絲釘樁螺紋厚度對地基承載力影響對比

圖8 豎向荷載下反向螺絲釘樁螺紋厚度對地基承載力影響對比

由圖7、圖8可知，在自重作用下，反向螺絲釘樁-1的基底位移相對于反向螺絲釘樁-3的基底位移稍大。而在豎向荷載作用下，反向螺絲釘樁-3樁頂沉降量與螺絲釘樁-1的沉降量相差不大，并且兩整體樁身豎向應變也相差較小。結果表明，反向螺絲釘樁中螺紋的厚度對于樁基的抗壓抗拔能力影響不大。

5 結語

鑒于工程背景與實際需求，提出了反向螺絲釘樁這一新型變截面樁基礎。研究發現，螺紋的存在增加了樁身與周圍土層豎向方向的咬合作用，有效控制了樁身沉降以及變形，反向螺絲釘樁可以增大樁的抗壓作用。螺紋厚度對反向螺絲釘樁樁基的抗壓抗拔能力影響不大，而合理的螺紋分布既可以減輕樁身的自重，也可以提高反向螺絲釘的抗壓抗拔能力。