黃土地區螺桿灌注樁復合地基承載特性與沉降分析

馬志勇

國能寶日希勒能源有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000

高速鐵路列車具有運行速度快、對軌下基礎要求嚴格的特點，而嚴格控制路基的變形是保證穩定的軌下基礎的關鍵。我國黃土分布廣泛，主要以全新世坡積黃土為主，土質結構主要表現為疏松多孔、穩定性差、濕陷特性等，復合地基沉降控制相對困難［1］。螺桿灌注樁作為一種新樁型，樁身是由上半部分直桿段和下半部分螺紋段組成的組合式灌注樁，該樁改變了傳統直型樁的樁土相互作用模式，增加了螺紋與土體的相互咬合協同作用，具備環保性能突出、適用范圍廣、樁身質量可靠、樁身承載力高、工程造價低、施工效益高等特點，以其巨大的優勢被使用至全國各地［2-5］。但相關學者對螺桿灌注樁的研究較少，僅開展其在西南及東部地區的承載特性試驗研究［6-7］，目前僅有海南、重慶等幾個省市制定了相關的地方標準，其承載機理、變形特性等方面的理論滯后于工程實踐。對于西北黃土地區，螺桿灌注樁的應用面臨無據可依的困境。

在路基沉降計算采用理論計算時，對參數和邊界的選取具有一定的局限性［8-9］。在工程實踐和研究過程中，總結得到沉降的預測方法主要分為兩類：一類是靜態預測方法，另一類是動態預測方法。采用曲線擬合沉降的方法主要有指數曲線法、雙曲線法、拋物線法、三點法等［10-11］。動態預測方法主要有遺傳算法、灰色理論預測法、人工神經網絡法等［12］。對于新型復合地基，采用合適的沉降預測方法開展分析和預測是其應用中的難點之一。

本文采用數值分析的方法，結合實際工程及單樁承載力靜載荷試驗，基于樁身荷載傳遞規律，建立計算模型，分析不同荷載作用下螺桿灌注樁的承載特性。以西北黃土地區路基工程（直線段、路橋過渡段、路涵過渡段）為研究對象，采用不同沉降預測方法對沉降數據進行分析和預測，以避免黃土地區高速鐵路路基沉降過大。

1 工程概況

研究區段位于銀吳（銀川—吳忠）客運專線吳忠車站附近，直線段、路橋過渡段和路涵過渡段在1 km范圍內，均位于利通區郭家橋鄉。其中工程區地下35 m范圍內主要為第四系地層，三段路基的各土層厚度及計算參數接近，見表1。直線段、路橋過渡段和路涵過渡段最大路基填筑高度分別為5.0、4.9、4.9 m。采用螺桿灌注樁進行地基處理。螺桿灌注樁樁徑0.4 m，螺距0.4 m，螺牙寬度0.05 m，端部厚度為0.05 m，根部厚度為0.1 m，螺紋截面呈梯形；樁長為15 m，其中螺紋段長度為10 m，樁身混凝土強度等級不低于C20［13］。每段路基監測斷面布置3 個測點（L1、G1、G2），L1測點位于線路中心、復合地基墊層頂部，G1和G2分別位于左右路肩、基床表層頂部。

表1 各土層厚度及計算參數

2 樁身荷載傳遞規律

對于豎向樁基，在上部荷載作用下，其承擔作用主要表現為樁側摩阻力和樁端阻力，對于摩擦樁主要為側摩阻力，端承樁則主要為樁端阻力。如圖1所示，當荷載較小時，樁頂受力較小，僅上部出現變形，上部樁土接觸產生相對滑移，樁周土體出現彈性變形；隨著荷載增加，樁身變形增加，上部樁周土體由彈性狀態轉變為塑性樁體，樁身側摩阻力向下延伸，下部開始發揮作用；當樁頂荷載增加到一定值時，樁周土體塑性區不斷增大，樁身側摩阻力向下發展到樁底，樁端阻力開始發揮作用。

圖1 荷載傳遞過程示意

3 計算模型

采用有限元軟件建立單樁復合地基樁土模型，見圖2。考慮螺桿樁影響區域［5］，模型為5 m（長）× 5 m（寬）×24 m（高）。模型邊界為水平約束，底部采用固定邊界，其中土體采用摩爾-庫倫彈塑性模型，螺桿樁采用線彈性本構模型。模擬過程采用14個分析步（單樁承載力靜載荷試驗加載值→1 500 kN→1 800 kN→2 100 kN→2 400 kN）。螺桿樁直線段及螺紋段與土體接觸采用摩擦接觸模擬，摩擦因數為0.5。

圖2 計算模型

4 螺桿灌注樁承載特性

4.1 單樁承載力靜載荷試驗

針對該區段單樁承載力靜載荷試驗數據，直線段、路橋過渡段和路涵過渡段各樁的荷載-沉降曲線見圖3。可知：在加載階段，樁頂沉降隨著荷載增加而增加，線性平滑，接近直線，沒有發生突變現象，直線段、路橋過渡段和路涵過渡段樁頂沉降均在最大荷載1 240 kN時達到最大，分別為10.24、10.30和9.97 mm；在卸載階段，卸載完成時螺桿樁頂殘余變形分別為5.71、6.88、7.70 mm。

圖3 樁基荷載-沉降曲線（靜荷載試驗）

4.2 計算分析

樁基模型計算所得荷載-沉降曲線見圖4。可知：隨著樁頂荷載的增加，樁頂豎向沉降呈增加趨勢，荷載小于1 800 kN 時樁頂沉降隨荷載增加而線性增加，荷載超過1 800 kN 時樁頂沉降突增，樁頂荷載達2 400 kN時樁頂沉降達到92.4 mm。與單樁承載力靜載荷試驗結果對比，相同荷載作用下，模型計算得到的沉降偏大。采用α 理論、規范法、圓柱形剪切法、支盤樁法、糙面摩擦剪切變形法五種計算方法，得到單樁豎向極限承載力分別為2 021.1、2 045.4、2 465.6、2107.8、2 234.4 kN。對于突變荷載1 800 kN，滿足JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》相關規定（單樁豎向極限承載力大于1 240 kN，且樁頂沉降較小），同時與理論計算所得單樁豎向承載力值相比，該值偏低。

圖4 樁基荷載-沉降曲線（計算分析）

4.3 螺桿灌注樁承載特性機理

結合文獻［14］分析可知，螺桿灌注樁螺紋段作用機理主要體現為側摩阻力增大。在進行單樁豎向極限承載力計算時，可通過增大側摩阻力系數、樁側土采用極限抗剪強度、分節采用直盤樁受力等方法，闡釋螺桿灌注樁與普通灌注樁相比承載力增加的機理。

不同荷載作用下螺桿灌注樁螺紋段樁側塑性云圖見圖5。考慮樁體對稱性，僅取一側開展分析。可知：當豎向荷載較小時，僅螺紋段上部受力，塑性區僅出現在螺紋段上部，且塑性值較小［圖5（a）］；隨著荷載的增加，螺紋段樁側塑性區隨樁身深度逐漸下移，直至樁端，其中各節螺紋斜下側出現塑性集中區域，由于塑性區等值線的疊加，在距離樁側約3～4倍螺牙長度出現塑性貫通現象［圖5（b）］；當荷載豎向荷載大于1 800 kN 時，由于樁土界面采用摩擦接觸，樁土出現相對滑移，則螺紋段樁側的塑性區塑性值增加，塑性區集中區域面積降低，但樁端的塑性區增加更明顯，樁端土出現塑性擠出現象［圖5（c）］。

圖5 不同荷載作用下螺桿灌注樁螺紋段樁側塑性云圖

螺桿灌注樁在不同土層中具有不同的成樁效果，見圖6。可知：對于低滲透性的粉土，樁體表面可明顯看到螺紋，樁身附著一定的細顆粒；對于高滲透性的砂土和圓礫石，由于螺桿樁施工的壓力灌注工藝，致使水泥漿向樁周滲透、填充，樁周土膠結附于樁身，樁體實際作用直徑增加。該區段螺桿灌注樁螺紋段位于粉砂、細砂和圓礫土中，由于前述原因，同時由于樁體施工時對樁周土體具有一定的擠密作用，相同荷載作用下，計算結果比單樁承載力靜載荷試驗結果沉降大，計算結果偏于安全。

圖6 不同土層中的成樁效果圖

5 路基段沉降對比分析

5.1 直線段

直線段各測點沉降及填筑高度隨時間變化曲線見圖7。可知：L1 位置的沉降隨填筑高度的增加而增加，當路基填筑高度達到最大值時，沉降先快速增加而后趨于穩定，當填筑道砟和鋪設上部軌道結構時沉降較小，累計觀測沉降為17.20 mm；對于路基頂部G1和G2 測點，在填筑道砟前，兩測點的沉降均隨時間而增加，而后趨于穩定，在鋪筑道砟、上部軌道結構和聯調聯試后，兩測點沉降再次增加并逐漸趨于穩定，累積沉降分別為1.22、1.05 mm。

圖7 直線段各測點沉降及填筑高度隨時間變化曲線

5.2 路橋過渡段

路橋過渡段各測點沉降-填筑高度隨時間變化曲線見圖8。可知：路橋過渡段L1 位置沉降變化規律與直線段L1 位置相似，累計沉降為22.22 mm；而路基頂部G1 和G2 測點累計沉降分別為1.88、1.66 mm。與直線段相比，各監測位置的沉降均較大，主要原因為路橋過渡段填筑材料為摻加3% ～ 5%的級配碎石填料，其重度與常規路堤、基床填料相比偏大，對于復合地基產生的附加應力亦較大，造成L1 位置的沉降偏大，同時由于路橋過渡段壓實困難，摻加水泥的填料具有整體性，水泥水化產生一定的收縮變形，但路基填料后期產生的次固結變形（蠕變變形）較小，綜合作用下造成G1位置的沉降偏大。

圖8 路橋過渡段各測點沉降及填筑高度隨時間變化曲線

5.3 路涵過渡段

路涵過渡段各測點沉降及填筑高度隨時間變化曲線見圖9。可知：路涵過渡段L1 位置沉降變化規律與直線段、路橋過渡段L1 位置相似，累計沉降28.89 mm；而路基頂部G1 和G2 兩測點累計沉降分別為2.11、1.81 mm。

圖9 路涵過渡段各測點沉降及填筑高度隨時間變化曲線

5.4 各路基段沉降預測對比分析

自鋪軌完成至監測完成，各路基段沉降預測見表2。對于復合地基變形基本穩定，采用G1 位置變形，其中忽略了上部軌道結構鋪設造成的非常態次固結變形，同時忽略了降雨、融雪影響。

由表2可知：對于靜態預測方法，由于監測數據量充足，采用指數模型、雙曲線模型、對數模型均具有較高的相關系數，但對數模型無法預測其總沉降，而泊松模型相關系數較低，適用性較低，主要是由于監測后期測試時間較長，同時由于黃土地區復合地基固結和次固結變形較緩慢；對于動態預測方法，非等距灰色模型和BP 神經網絡模型均具有較高的相關系數；對于直線段、路橋過渡段和路涵過渡段采用不同的預測方法，預測工后沉降最大值分別為0.30、0.53 和0.62 mm，均滿足設計要求。

表2 各路基段沉降預測

6 結論

1）相同荷載作用下，數值分析得到的沉降與單樁承載力靜載荷試驗結果相比偏大；采用模型計算得到螺桿灌注樁單樁承載力值為1 800 kN，與理論計算結果相比，該值偏低。

2）當豎向荷載較小時，僅螺紋段上部受力，塑性區僅出現在螺紋段上部；隨著荷載增加，螺紋段樁側塑性區隨樁身深度逐漸下移，直至樁端，在距離樁側約3 ～ 4 倍螺牙長度出現塑性貫通現象；當荷載大于1 800 kN時，由于樁土界面采用摩擦接觸，樁土出現相對滑移，則螺紋段樁側的塑性區塑性變形增加，塑性區集中區域面積降低，但樁端的塑性區增加更明顯，樁端土出現塑性擠出現象。

3）對于靜態預測方法，采用指數模型、雙曲線模型、對數模型均具有較高的相關系數，但對數模型無法預測其總沉降，而泊松模型相關系數較低，適用性較低；對于動態預測方法，非等距灰色模型和BP 神經網絡模型均具有較高的相關系數。