滚压成型灌注螺纹桩承载性能研究

徐学燕,于琳琳,刘复孝

(哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨 150090)

滚压成型灌注螺纹桩承载性能研究

徐学燕,于琳琳,刘复孝

(哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨 150090)

采用静载荷试验及数值计算相结合的方法进行了螺纹桩承载性能的研究。分析了螺齿宽度、螺距等桩型参数对螺纹桩承载性能的影响,对外径相同的直径桩与螺纹桩的承载性能进行了静载荷对比试验研究。螺纹桩单桩极限承载力较相同桩外径的直型桩极限承载力稍高,螺齿宽度对螺纹桩的极限承载力影响非常明显,随螺齿宽度的增加螺纹桩的极限承载力增大;螺距对极限承载力影响也较为明显,随螺距的减小,螺纹桩的极限承载力增大。螺纹桩在低荷载水平下,桩侧阻力沿桩身均匀发挥,桩端阻力较小,随荷载水平的增大,桩端阻力大幅提高,并提出螺纹桩承载力的计算公式。

滚压成型灌注螺纹桩;静载荷试验;承载力;桩型参数

滚压成型灌注螺纹桩(简称螺纹桩)是一种特殊的异型桩,以其单桩承载力高、节省工程材料、施工时无需护壁等优点,是一种值得在工程中推广的新型桩基础形式[1-3]。螺纹桩综合了长螺旋灌注桩和钢纤维混凝土全螺纹预制桩的优点[4-5],因螺纹钻杆螺牙间的泥土取代了部分混凝土,同桩径同桩长螺纹桩混凝土用量只有传统光面圆柱桩的60%～70%[6-9]。尽管螺纹桩已经应用于工程中,但是对该桩的研究还很不成熟[10-11]。当土体达到破坏极限时,显然2个螺齿之间的土体也接近破坏,此时桩侧阻力不再以侧摩阻力为主,螺齿之间的土体被挤压剪切破坏[12-14],因此针对这一问题本文主要进行如下方面的研究：利用ABAQUS对螺纹桩承载力性能进行模拟,对不同桩型设计参数结果进行比较,以得出合理的桩型设计参数,并与静载荷试验进行比较,根据螺纹桩现场静载荷试验数据、有限元模拟分析提出螺纹桩桩竖向承载力的计算公式和计算参数。

1 竖向荷载下螺纹桩承载性能分析

1.1 模型的建立

螺纹桩的模型尺寸与试验桩相同,模型如图1所示。模型中桩体混凝土材料的弹性模量高于土体几个数量级,桩体的应变相对于土体是非常微小的,因此在研究过程中将桩身钢筋混凝土材料视为弹性材料。由于工程采用的是C35混凝土,故桩体材料也采用此种混凝土,其参数参见《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)。桩周土体的材料特性采用Mohr-Coulomb本构模型,根据工程地质资料,有限元模拟的参数选取如下,桩周土体材料参数：考虑土体的初始地应力并结合工程勘查资料,取土体密度为：1.9 g/cm3。土体材料塑性特征：土体的内摩擦角φ=14°,膨胀角取为0°。土体材料的硬化特征：土的粘聚力C=22 kPa,塑性应变值取0。径向计算域：取土体的径向尺寸为螺纹桩径向尺寸的10倍;轴向计算域：在竖向荷载作用下,桩底土体受影响的深度与桩径、土的性质有关,根据工程经验影响范围在15～20 d以内,该文取15 d[15]。

1.2 桩身轴力分析

桩身应力应变如图2所示,可知：桩身的应力随着深度的增加而不断减少,减少的部分正是桩侧阻力以及桩周螺纹齿挤压土体而提供的反力,桩顶应力最大,桩身的应力正是桩身轴力的体现。桩周螺纹齿挤压其下面的土体时,螺纹齿由外边缘向内应力不断增加。从图2可见桩端部应变最大的地方发生在桩的最下端螺齿与桩身的连接点处。

图1 模型图

图2 桩身应力应变图

沿桩身轴力的分析：在荷载为1 004.8 kN的低荷载水平时,桩身轴力沿桩深分布曲线如图3所示。

由低荷载水平的曲线可以看出,螺纹桩在外荷载作用下桩顶轴力最大,随着深度的增大,桩身的轴力不断减小。桩底端轴力约为100 kN,占桩顶荷载总量的1/10,桩端的应力为0.7～0.9 MPa之间,此处的应力由桩端土体反力提供。如图3所示,随着荷载水平的不断提高,当桩顶施加1 500 kN时,螺纹桩的桩侧阻力及桩端阻力同时在增大,在桩身为5～8 m处螺纹桩承力接近整桩承力的50%,桩端阻力较低荷载水平下也有所增加,桩端阻力约为160 kN,约占整桩承载力的1/9。随荷载水平继续增大,当桩顶荷载为2 200 kN时,此时桩顶位移为44.99 mm,即达到了位移极限。此时桩端阻力约为 280 kN,桩端阻力约占总荷载的1/8,即桩端应力达到了2 MPa,桩端土体达到了承力特征值。由以上分析可知,螺纹桩在低荷载水平下,桩侧阻力沿桩身均匀发挥,桩端阻力较小,随荷载水平的增大,桩端阻力大幅提高,桩侧阻力从桩端处开始大幅提高。桩端土体在高应力水平下发生较大的压缩变形,桩体发生较大的沉降位移,此时桩顶位移达到了沉降极限,即荷载达到了极限荷载。

图3 桩身轴力沿桩深分布曲线

2 桩型设计

主要针对螺纹桩的螺齿厚度、螺齿宽度、螺齿间距以及螺纹桩内外直径进行了研究,螺纹桩模型如图4所示。

2.1 螺齿厚度的设计

螺齿主要是将竖向荷载传递给齿底端面土体,以此来增加桩侧的阻力,提高桩的极限承载力。

图4 螺纹桩的几何参数图

螺齿的厚度主要根据螺齿的宽度来选择其尺寸,并且保证螺齿在传力过程中能正常工作。利用宽厚比进行螺齿厚度的确定。螺齿的宽厚比应满足式(1)：

式中：k为螺齿宽度,h为螺齿厚度,α为刚性基础台阶的宽厚比最小允许值,即α=45°,综合施工以及安全因素在螺纹桩型设计时适宜取：k/h=1。

2.2 螺齿宽度的设计

螺齿宽度是影响螺纹桩承载力性能的最重要因素之一,数值计算螺纹桩的桩型参数如表1。

表1 螺纹桩桩型参数表

在分析螺齿宽度对螺纹桩竖向承载力性能影响的同时,计算了桩径为400 mm、560 mm的直型桩的极限承载力,以此与螺纹桩承载力性能进行比较,结果见图5。

由图5中P-S曲线可见,螺齿宽度对螺纹桩极限承载力影响比较显著,当螺齿宽度为50mm时(即A1桩型),螺纹桩的竖向极限承载力达1 570 kN,较直径为400 mm的直型桩的极限承载力提高了20%;当螺纹桩螺齿宽度80 mm时(即内径为400 mm、外径为560 mm的螺纹桩),其极限承载力达2 150 kN,而同外径的直型桩极限承载力为1 950 kN,其极限承载力较同外径的直型桩提高10%。

当螺齿宽度为100mm时,螺纹桩的极限承载力达到2 500 kN,可知在其它参数相同条件下,随螺纹桩螺齿宽度的增加,螺纹桩的极限承载力也增大。因此在桩型设计时,螺纹桩齿应尽量增大提高单桩的极限承载力,得到更优的经济指标。

图5 螺齿宽度对螺纹桩竖向极限承载力影响P—S曲线

2.3 螺距的设计

螺距的尺寸直接影响着桩的承载力以及桩体材料用量,螺距越混凝土用量越多,螺距越大混凝土用量随之减少,但螺纹桩的极限承载力也随之降低。螺距尺寸对螺纹桩极限承载力性能影响计算参数如表2所示。

表2 螺纹桩桩型参数表

在分析螺距尺寸对螺纹桩竖向承载力性能影响的同时,计算了桩径为400 mm、560 mm的直型桩的极限承载力,以此与螺纹桩极限承载力性能进行比较,结果见图6。

图6 螺距尺寸对螺纹桩极限承载力影响的P-S曲线

由图6可见,螺距的尺寸对单桩极限承载力影响不显著,但对沉降位移影响比较明显。数值计算结果表明：桩径560mm的直型桩与螺纹桩在低应力水平下,位移值相近,直型桩在1 950 kN荷载作用下其位移37.5 mm,而不同螺距尺寸的螺纹桩在2 000 kN荷载作用下其桩顶位移分别为：27.28 mm 29.56 mm、30.49mm、31.38 mm、34.55mm、37.25 mm;当螺纹桩桩顶荷载继续增加至2 250 kN时,螺纹桩的沉降位移分别为：35.71 mm、39.02 mm、40.45 mm、42.02 mm。由以上数据可见：桩径为560mm的直型桩与等外径螺距为1 000mm的螺纹桩极限承载力相近,随螺距的减小,在相同桩顶荷载作用下,螺纹桩的沉降位移逐渐减小,螺纹桩的承载性能加强。由以上数据可知螺距在500～800 mm时,单桩的极限承载力较大,在设计合理桩型尺寸时螺距在500～800mm较优,综合考虑施工条件以及经济指标适宜选取螺距为600 mm～700 mm。

2.4 螺纹桩内、外径的设计

螺纹桩的内径首先应满足其自身的安全要求,由于螺纹齿增加了单桩极限承载力,但螺齿对于桩的抗压性能影响较小,因此螺纹桩的设计应重视螺纹桩内径的设计,而且要满足式(2)和式(3)的要求：

对于轴心受压桩：

对于轴心抗拉桩：

可以根据以上公式来设计螺纹桩的内径尺寸、配筋及选用的混凝土标号。

3 单桩竖向承载力特征值的确定

3.1 桩端阻力特征值

螺纹桩端受力原理与普通桩相同,螺纹桩承力公式中仍采用钻孔灌注桩的端承力特征值 ：

3.2 桩侧阻力特征值

由于螺纹桩桩身有螺齿与土体直接接触,使得桩周土体的破坏机理与普通直型桩截然不同。螺纹桩在竖向荷载作用下,产生竖向位移,因此每周螺齿直接挤压剪切其下土体,使桩周土体承载能力得到了充分的发挥,从而提高了桩的极限承载力。桩周土体对桩螺齿的反力通过螺齿传递给桩体,以平衡上部结构传递下来的荷载。螺纹桩侧承受阻力分为3部分：直桩侧阻力、螺齿外侧阻力、螺齿底端阻力。

直桩侧阻力：螺纹桩在受力时,螺齿挤压剪切其下土体,使得土体产生压缩变形,此时螺纹桩直桩段相对于桩周土体有相对移动的趋势,由此产生了直桩段的桩侧阻力,随应力水平的提高,此段土体随螺纹桩同时产生竖向位移,这时直桩侧阻力将发挥到最高值。

螺齿外侧阻力：螺齿外侧阻力相当于普通直型桩的侧阻力,随桩顶竖向荷载的施加,桩体将相对于土体产生竖向相对位移,此时螺齿外侧的土体对螺齿外侧产生侧阻力。

螺齿底端阻力：螺纹桩在竖向荷载作用下,桩体将产生竖向位移,产生竖向位移的过程就是螺齿挤压其下土体的过程,土体受到压缩将有反作用力作用于螺齿即螺齿端阻力。

不同的桩型参数下的极限承载力曲线如图7所示。

通过试验以及有限元数值计算的结果,推荐螺纹桩承载力特征值计算采用公式(5)：

图7 桩侧阻力系数拟合曲线

4 外径相同直径桩与螺纹桩静载荷试验研究

4.1 试桩内容

现场测试试验根据《建筑桩基检测规范》(JGJ106-2003),试验采用快速维持荷载法,由电动液压千斤顶分级加载。主要试验内容为利用静载荷试验方法测各种桩的极限承载力。

试验现场地质资料包括岩土名称、土质描述以及土的物理力学指标如表3和表4所示。

表3 试验场地土层分布

表4 土的物理力学指标

续表4

试验设备如表5所示。

表5 试验设备

试验桩的具体尺寸如表6。

表6 静载荷试验桩情况

4.2 试桩结果

第1组试验测试数据如表7。

表7 桩径400的静载试桩结果表

3根试验桩试验在同一试验场地,桩型以及桩体材料均相同,对比3根试验桩的试验结果可知,此3根试验桩的P-S曲线均为陡降型沉降曲线,其承载力极限为陡降前一级荷载,极限承载力均在1 200 kN～1 400 kN左右,3根实验桩的曲线如图8。

图8 桩径400mm的静载荷试验P-S曲线

第2组试验数据如表8所示,螺纹桩的测试结果见图9。

表8 螺纹桩的静载试桩结果表

图9 螺纹桩静载荷试验P—S曲线

由试验结果可见,螺纹桩的P-S曲线属于典型的缓变型,通过分析P-S曲线可知典型螺纹桩的试桩曲线大体分3个阶段：第1阶段桩身稍微压缩,与土体紧密接触并与土体产生侧摩阻力,表现为弹性阶段。第2阶段以摩阻力不断增加至极限,桩端土层以受挤压变形为主,桩侧土体出现塑性变形,桩端土体表现为弹性。第3阶段表现为桩侧土体进入塑性状态,桩端土体受挤压、剪切变形急剧发展,此时桩端土体塑性变形较大,桩沉降量急增。

第3组静载试验检测数据如表9,将该组试验所测得沉降与荷载绘制图10。

表9 桩径560的试桩结果表

第1组静载荷试验曲线(桩径为400 mm的普通直型桩)均为陡降型曲线,此类桩破坏比较明显,属于刺入式破坏,达到承载力极限时桩的位移将突然剧增如图8;第2组静载荷试验曲线(螺纹桩)属于缓变型曲线,此曲线没有明显的拐点,桩的承载力极限根据沉降位移确定如图9;第3组静载荷试验曲线(桩径为560mm的普通直型桩)属于陡降型曲线如图10,但是其没有第1组陡降明显,分析原因是直径大的桩,端截面相对较大刺入式破坏难度较大。

图10 桩径560mm的静载荷试验P—S曲线

5 结 论

1)螺纹桩在低荷载水平下,桩侧阻力沿桩身均匀发挥,桩端阻力较小,随荷载水平的增大,桩端阻力大幅提高,桩侧阻力从桩端处开始大幅提高,随荷载水平继续增大,桩端土体在高应力水平下发生较大的压缩变形,桩体发生较大的沉降位移,此时桩顶位移达到了沉降极限,即荷载达到了极限荷载。

2)螺纹桩单桩极限承载力较相同桩外径的直型桩极限承载力稍高,螺齿宽度对螺纹桩的极限承载力影响非常明显,随螺齿宽度的增加螺纹桩的极限承载力增大;螺距对极限承载力影响也较为明显,随螺距的减小,螺纹桩的极限承载力增大。

3)对数值计算的极限承载力结果进行数理统计,得出了螺纹桩的竖向极限承载力公式。螺纹桩的极限承载力曲线属于缓变型曲线,为其极限承载力的确定提供了理论依据。

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(编辑 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

国家自然科学基金项目(40571032);铁道部科技开发计划项目(2006G001-B-3)

徐学燕(1946-),女,教授,博士生导师,主要从事岩土工程、冻土工程方面的研究,(Emai)lubote_2008@163.com。