单叶片螺载特性数值分析

2019-07-10王希云刘凯文

铁道标准设计 2019年7期

关键词：砂土螺旋承载力

王希云，邵康，苏谦，刘凯文，邹婷

(1.神华包神铁路集团有限责任公司，包头 014000；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031；3.国电大渡河流域水电开发有限公司，成都 610041)

1 概述

螺旋钢桩具有施工速度快，施工质量易保证，无振动和噪声，可回收利用等优点。因此，螺旋钢桩具有广泛的发展前景[1]。螺旋钢桩主要用于路基以及边坡工程的快速加固。其中，螺旋钢桩轴向承载力研究是一个重要方向。目前，关于国内螺

载特性方面的研究主要在以下3个方面。

(1)螺旋钢桩在冻土中抗冻特性研究，王腾等[2-6]通过模型试验和数值模拟等研究螺旋钢桩在季节性冻土中的抗冻拔特性，提出减轻季节性冻土不均匀冻胀的危害措施。孟凯[7]通过ABAQUS有限元软件对季节性冻土区光伏螺旋钢桩基础在季节冻结期和融化期在竖向和水平荷载作用下的受力、位移等特征以及螺旋钢桩设计参数对其抗冻拔性能的影响规律进行研究。田彦德[8]采用室内模型试验的方法，对桩型参数不同的螺旋钢桩进行冻胀融沉特性研究。

(2)螺旋钢桩在黏性土地层的轴向承载特性研究。乔红军等[9]研究单叶片螺旋钢桩在黏性土地层静载试验并使用有限元进行精确模拟。马艺琳等[10]通过在黏性土地层中的螺旋钢桩不同叶片个数、不同叶片直径和不同桩径分析各参数对螺旋钢桩承载力的影响大小。王健等[11-12]通过理论推导得到在黏性土地层中螺旋钢桩抗压极限承载力的理论公式，同时还讨论黏性土地层中螺旋钢桩安装扭矩与抗压极限承载力关系。王达麟[13]在黏性土地层中进行螺旋钢桩抗拔和抗压承载静载试验，分析其轴向荷载传递特征。董天文等[14]研究在软土地基中螺旋钢桩计算方法。

(3)螺旋钢桩在砂土地层研究。董天文等[15]通过室内模型试验，分析螺旋钢桩在拉拔荷载作用下，叶片与地基之间的相互作用。胡伟等[16]通过模型试验，研究单叶片螺旋钢桩在砂土地层中的抗拔特征。Zeyad H. Elsherbiny等[17]分析砂土地层中螺旋钢桩抗压承载特性，采用有限元软件进行数值模拟。Kenneth Gavin等[18]在密砂地层场地研究单叶片螺旋钢桩抗压承载特性，并采用有限元软件进行实测结果验证分析。

综上，螺旋钢桩在冻土、黏性土、砂土中均有研究，但是在砂土地层中研究还不够完善，针对砂土相对密实度，钢桩埋深，钢桩尺寸等参数变化时对其竖向抗压承载力的研究也较少。为进一步研究砂土地层中单叶片螺旋钢桩承载特性，采用数值分析方法，研究单叶片螺旋钢桩在砂土地层中竖向承载特性。首先通过文献资料中在砂土地层中单叶片螺旋钢桩现场静载试验进行数值模拟分析，验证有限元软件有限元计算结果可靠性，其次分析单叶片螺旋钢桩在砂土相对密实度、钢桩埋深、叶片直径、钢轴直径4个参数变化时，对其承载力的影响分析。

2 有限元计算实例验证

2.1 静载试验

该静载试验采用文献[17]中报道位于加拿大阿尔伯塔省北部，场地土层的基本性质如表1所示，场地无地下水。

场地土层中砂土层标准贯入击数在10～30，标准贯入击数基本呈现随着深度增加而线性增加趋势，土层的含水率在20%左右。

表1 场地土层参数

静载试验所用单叶片螺旋钢桩试验桩几何尺寸如表2所示。

表2 试验桩参数

静载试验反力装置采用锚桩横梁反力装置，反力桩数量为2根，长度8 m，每根钢轴直径140 mm，叶片直径为457 mm，反力桩与试验桩之间的间距为2.35 m，反力桩通过高强钢棒连接到反力梁上。液压千斤顶吨位为1 000 kN，采用轴力传感器记录桩顶轴向荷载，桩顶位移采用两个位移传感器测量，位移传感器的精度为0.01 mm，量程为100 mm。加载过程中采用快速荷载法，每级荷载加载量为预估最大荷载的10%，预估最大加载值为设计承载力的2倍。每施加一级荷载，等待位移稳定后，记录该级荷载下的位移和荷载值。

2.2 计算过程

值得注意的是，文献[19]研究分析螺旋钢桩叶片螺距对其承载力影响较小，因此数值计算模型不考虑螺旋叶片螺距变化的影响，计算中均将螺旋叶片简化为钢质圆盘。因此，根据对称性，可取实际钢桩的1/4模型计算。

钢轴与叶片均为板单元，计算中认为叶片和钢轴为线弹性模型，钢桩材料类型为Q235钢，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。

土体采用实体单元，本构模型为摩尔库伦模型，简化计算模型的土层设置，根据标准贯入击数特征将土层分为两层。土层的计算参数如表3所示。

表3 计算土层参数

桩编号为PA-1单叶片螺旋钢桩数值计算模型如图1所示。横向长度为4 m(6.5Dh)(Dh为螺旋叶片直径)，纵向长度为4 m(6.5Dh)，竖向长度为9 m，其中螺旋叶片距离模型底部距离为3.5 m(5.7Dh)。保证加载过程中钢桩受力与变形尽量不受到模型边界条件影响[20-21]。

图1 计算模型示意(PA-1)(单位：m)

螺旋钢桩钢轴以及叶片与土之间接触选用界面单元模拟，界面单元是使用弹塑性模型描述界面行为，进而来模拟土与结构的相互作用，但界面强度属性会根据其相关材料组的土体强度属性和强度折减因子计算得出。一般情况下，界面强度是土体强度参数乘以界面摩擦因子。

计算过程中，第一步地应力平衡，本文中桩周土层为无黏性土，地应力认为是K0固结过程，因此选用土的侧压力系数为0.55(≈1-sinφ)(φ为土体有效内摩擦角)；第二步激活板单元和界面单元；第三步在桩顶施加位移荷载，同时记录桩顶的荷载-位移曲线。

2.3 计算结果分析

结合有限元软件进行数值计算，得到图 2中桩顶荷载-位移曲线。值得注意的是，有限元软件计算模型为1/4实体模型，因此，本文数值计算得到桩顶反力需乘以系数4得到完整单桩的桩顶反力值。

图2 桩PA-1现场实测与数值模拟荷载位移曲线

从图2可知，有限元计算结果与现场实测数据吻合度较高，对于桩PA-1的数值模拟结果基本与实测曲线吻合，能较好反映现场实际情况。其中，在初始弹性变形为主阶段和由主要弹性变形阶段变为主要塑性变形阶段中间的过渡段曲线也能较好模拟。

3 有限元计算方案

前节已经验证有限元软件模拟砂土地层中单叶片螺旋钢桩静载试验的可靠性。为进一步研究单叶片螺旋钢桩在砂土地层竖向抗压承载特性，考虑砂土相对密实度、钢桩埋深、螺旋叶片直径、钢轴直径4个参数对单叶片螺旋钢桩极限承载力影响。

3.1 不同密实度砂土参数

选用3种不同相对密实度砂土，相对密实度分别为30%、50%和80%对应松砂、中密砂和密砂3种砂土，3种砂土的计算参数如表4所示，计算模型选用摩尔库伦弹塑性本构模型计算。

与上文所述一致，钢桩与土之间相互作用采用界面单元模拟，界面单元强度为界面摩擦因子乘以桩周土的强度参数。

表4 3种不同相对密实度砂土计算参数

3.2 钢桩参数

单叶片螺旋钢桩主要变化的3个参数为：桩埋深、螺旋叶片直径和中心钢轴直径。单叶片螺旋钢桩埋深分别为3，6，9，12 m；钢桩叶片直径分别为450，500，550，600 mm，中心钢轴外径分别为200，230，260 mm。钢桩钢轴的壁厚为8 mm，螺旋叶片厚度为10 mm。数值计算中，钢桩在加载过程中认为是弹性体，不产生塑性变形，因此钢桩计算本构模型选设置为线弹性模型，钢材型号为Q235，弹性模量206 GPa，泊松比0.3。

3.3 计算过程

与上文所述一致，钢桩同样采用1/4实际模型计算。第一步，地应力平衡，土的侧压力系数为0.5，不考虑桩安装到土层过程中，对其扰动的影响；第二步，激活钢桩与界面单元并赋予材料属性；第三步，位移加载控制，同时记录桩顶位移与反力之间变化曲线。

计算模型几何尺寸为横向2.5 m(5Dh)，纵向2.5 m(5Dh)，竖向9 m，叶片距离模型底部距离为3 m(6Dh)。见图3。

图3 松砂中桩埋深6 m计算模型示意(单位：m)

参考文献[17]选用桩顶荷载-位移曲线中螺旋叶片直径的5%位移量所对应的荷载作为桩的轴向抗压极限承载力，若计算中采用无叶片的钢桩时，取钢管桩外径的5%的位移量对应的荷载作为桩极限承载力。

4 参数研究

4.1 砂土相对密实度影响

为研究不同相对密实度土层下，单叶片螺旋钢桩极限承载力变化规律，选取单叶片螺旋钢桩钢轴直径为200 mm，叶片直径为500 mm，分别在三种不同相对密实度砂土(即松砂、中密砂、密砂)的不同埋深进行研究。

图4 不同砂土密实度下钢桩深度与承载力变化曲线

由图4可知，单叶片螺旋钢桩在砂土地层中的极限承载力随着桩埋深的增加而增加，且松砂地层中承载力与桩埋置深度基本呈线性增加趋势，中密实砂在9 m埋深内承载力与深度基本也呈线性关系，埋深超过9 m后承载力随着桩埋深增加而承载力增量变大，承载力随着埋深变化率增大；同时在密砂中桩埋深6 m以内时呈现线性关系，超过6 m后呈现明显线性关系，较6 m深度内承载力变化率更大。同时，在钢桩的埋置深度相同情况下，单叶片螺旋钢桩承载力在密砂中最大，中密砂中次之，松砂中最小。

图5中纵坐标中Qh为带有螺旋叶片钢桩即钢轴直径为200 mm，叶片直径为500 m m的螺旋钢桩承载力大小，Qs表示不带有螺旋叶片的直径为200 mm的钢管桩的极限承载力。H为桩的埋置深度，分别为3，6，9，12 m。Dh为螺旋钢桩螺旋叶片直径，本图中Dh=500 mm。

图5 不同密实度砂土下钢桩相对埋深与承载力增量比关系曲线

根据图5可知，在不同相对密实度的砂土中，随着埋深增加，相对于无叶片钢桩，螺旋钢桩承载力增加百分比慢慢减小，且不同密实度砂土中承载力增量百分比差异较小，但是在同样埋置深度情况下，松砂中的承载力增量百分比最大，中密砂次之，密砂最小。深度与叶片直径比在5左右时，钢桩承载力增量最大，其中在松砂中达到400%，中密砂377%，密砂达到354%。

4.2 叶片直径影响

选用钢轴直径为200 mm，叶片直径为450，500，550，600 mm的单叶片螺旋钢桩埋深为3，6，9，12 m土层中分别进行静载试验数值模拟。作为对比组，将直径为200 mm的无叶片钢管桩进行不同埋深静载试验数值模拟。土层类型均为相对密实度为30%的砂土(松砂)。

由图 6可看出，螺旋钢桩的承载力相比相同直径钢管桩承载力有明显提高，以叶片直径为450 mm为例，在桩埋深3，6，9，12 m承载力分别比相同直径钢管桩增加2.97倍，2.17倍，1.49倍，1.07倍。螺旋钢桩与相同直径钢管桩的承载力与埋深基本都呈线性关系，同时，不同叶片直径下承载力随着埋深变化率也基本相同，增加量也基本相同。

选用相同埋深(6 m)下螺旋钢桩在松砂，中密砂和密砂3种土层中，分别模拟叶片直径为450，500，550，600 mm的静载试验。

图7中横坐标与纵坐标所述符号意义与上文一致，在叶片直径增加时，中密砂和密砂的承载力在叶片直径增量比1.75后增加不明显，而在松砂中叶片直径增量比超过1.75后仍然增加明显，在叶片直径增量比相同时，松砂中的承载力增加百分比为216%，中密砂增加百分比为204%，密砂增加百分比为193%。

图6 不同叶片直径下钢桩埋深与极限承载力关系曲线

图7 不同砂土密实度下螺旋叶片增量比与承载力增量比关系曲线

4.3 钢轴直径影响

图8 不同钢轴直径下钢桩埋深与承载力关系曲线

为分析钢轴直径变化对钢桩承载力影响，分别采用钢轴直径为200，230，260 mm，叶片直径为500 mm的单叶片螺旋钢桩在相对密实度为30%砂土中进行3，6，9 m和12 m四种不同埋深静载试验数值模拟。

由图 8可看出，随着钢桩埋深增加，钢桩承载力基本呈现线性增加的趋势。钢桩埋深在6 m以内时，改变钢轴直径大小对钢桩承载力基本无变化，埋深超过6 m后，改变钢轴直径大小时，钢轴直径越大，承载力越大，但是增加钢轴直径时，承载力增加量不明显。如在埋深12 m时，钢轴直径分别为200，230，260 mm时对应的承载力分别为321，332，350 kN。