螺纹桩的抗拔承载特性模型试验与螺距优化

马宏伟,胡志涛,袁 松,陈 鑫

(安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

我国建筑材料生产和工程建设施工中的碳排放量占全国碳排放总量的比重高达30%[1],工程建设行业亟需向低碳化、绿色化方向转型,以助力“双碳”目标的实现。工程建设中常用的直孔桩存在高能耗材料用量大、承载力有限的问题,为此,一些承载能力强、材料消耗少的异形桩逐渐用于工程建设。螺纹桩是一种典型的异形桩基础,其表面螺旋状分布的螺牙与桩周土可以形成机械咬合,从而具有良好的极限承载力[2-3]。

近年来,国内外学者广泛开展了竖向压力作用下螺纹桩荷载传递机理与桩周土破坏模式的研究。文献[4]采用室内模型试验方法分析了螺纹桩和直杆桩的承载力特性差异;文献[5]进行了砂土场地中螺纹桩抗压承载特性的数值模拟研究;文献[6]发现螺纹桩的承载力随螺距的增大先增大后减小,最佳螺距与桩外径之比介于0.5～2.0;文献[7]建立了竖向荷载作用下螺纹桩极限侧阻力计算方法,认为螺距接近第二临界螺距时螺纹桩可以形成最大的极限侧阻力。相较于抗压承载特性的研究,螺纹桩的抗拔承载性能研究工作开展得较少。文献[8-9]采用室内模型试验和数值模拟相结合的方法,对注浆成型螺纹桩的桩土接触面传力特性和桩的抗拔承载特性进行了研究,并开展了螺纹设计参数的优化分析。文献[10]通过现场工艺试验和静载试验,分析了注浆成型螺纹桩在软土地区的施工可行性和抗拔承载特性,结果表明该桩的承载能力较直孔桩提高了30%～40%,而其上拔变形量显著小于直孔桩。文献[11]采用数值模拟的方法研究了桩身局部设置螺纹的叶片桩的抗拔特性,重点分析了竖向上拔荷载作用下桩周土的剪应力分布特征和桩的承载机理。虽然螺纹灌注桩与注浆成型螺纹桩、叶片桩存在螺纹布置形式和承载机理上的差异,但上述研究工作为螺纹灌注桩的抗拔性能研究提供了参考。

由于螺纹桩抗拔承载特性的研究尚不够深入,其桩-土相互作用机理仍不明确,特别是螺距影响螺纹桩抗拔承载性能的原因未被揭示,使得螺纹灌注桩的推广应用受到了很大的限制。为了进一步揭示螺纹桩的抗拔承载机理和螺距对螺纹桩承载特性的影响规律,本文以室内模型试验为手段,探讨了螺纹桩Q-s曲线特征、螺距对上拔荷载与上拔位移的影响规律、桩体轴力与侧阻力分布规律,并开展了最大抗拔极限承载力条件下的螺纹桩螺距优化分析,以期为螺纹灌注桩在实际工程中的设计与施工提供一定的参考。

1 试验方案

1.1 模型桩的设计与制作

螺纹桩外形复杂,在小比尺模型试验中,若采用工程桩所使用的混凝土作为模型桩材料,桩体的加工精度很难控制。为此,试验采用6061铝合金(弹性模量E=69GPa)作为模型桩的制作材料,并使用铣削工艺进行桩的加工制作。

试验以内径300mm、外径600mm、长度13.5m的螺纹灌注桩为原型,按几何相似比CL=1∶30进行模型桩的设计。设计得到的模型桩内径d为20mm、外径D为30mm。为便于上拔荷载加载装置和桩顶位移测量装置的安装固定,在桩顶预留不带螺纹的外露段50mm,埋入地基土中的有效桩长,即带螺纹的桩段长度L为450mm。为分析螺距对螺纹桩抗拔承载性能的影响,制作了螺距S依次为20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm的7根螺纹LW-1～LW-7,引入无量纲参数距径比(螺距S与内径d之比)以便于问题的描述,7根模型桩的距径比分别为1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.25、2.50。在制作螺纹桩的同时,制作2根直孔桩模型用于对比分析,直孔桩的直径分别等于螺纹桩的内径20mm和外径30mm,并以ZK-1和ZK-2表示。为获取桩的轴力,在埋深分别为70mm、160mm、250mm、340mm处粘贴应变片。制作形成的9根模型桩如图1所示。

图1 模型桩实拍图

1.2 试验装置

试验所使用的模型箱由2块钢板和2块有机玻璃板作为侧板拼合而成,其内部净空尺寸为800mm(长)×600mm(宽)×580mm(高)。试验采用杠杆加载系统进行加载[12],加载系统主要由支撑钢支架、加载梁、配重块、砝码及挂钩等组成。加载点到平衡梁支撑点的距离为桩顶受力点到支撑点距离的一半,即每施加一级荷载,桩顶上拔荷载为所加砝码重量的1/2。加载装置如图2所示。

(a)模型桩与加载装置 (b)桩顶加载与位移测量装置

1.3 桩的埋设和加载方案

试验采用淮南市当地的砂土作为地基土,并在试验前对砂土进行筛分和晾晒处理。本次试验的模型桩全部采用预埋的方法置于地基土中,地基土分6层填入模型箱,并逐层用振动抹平机按相同的振动时间振实,以保证地基土的均匀性[13]。

模型试验参考《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)[14]的规定采用慢速维持荷载法进行加载。在加载试验前先通过预试验以初测模型桩被拔出前的最大承载能力,并按测试结果的1/10作为正式试验的每级加载量。在正式试验加载过程中,逐级等量施加荷载,每级荷载施加后按5min的时间间隔读取桩顶位移,当连续两次读数差不超过0.01mm时判定试验桩达到相对稳定状态,并继续进行下一级加载,直至模型桩达到破坏状态后终止加载。

模型桩达到破坏状态并终止加载以试验结果达到以下任一判定条件为准:①在某级荷载作用下桩顶上拔位移量超过前一级荷载作用下桩顶上拔量的5倍;②在某级荷载作用下桩顶上拔位移量虽未达到前一级荷载作用下桩顶上拔量的5倍,但经过1h上拔位移仍未达到相对稳定状态;③施加荷载后模型桩被拔出。

2 螺纹桩的抗拔承载特性

2.1 直孔桩与螺纹桩Q-s曲线对比

试验得到的直孔桩ZK-1、ZK-2和螺纹桩LW-1的Q-s(荷载-位移)曲线如图3所示。

图3 模型桩的Q-s曲线

由图3可知,在上拔荷载作用下,直孔桩的Q-s曲线为陡变型,而螺纹桩的Q-s曲线则为缓变型,两种桩型表现出不同类型的承载特性。螺纹桩的Q-s曲线位于直孔桩曲线的右侧,表明在同样的上拔位移下,螺纹桩的上拔荷载显著大于直孔桩,而在同样的上拔荷载作用下,螺纹桩具有较小的上拔位移,说明螺纹桩比直孔桩具有更优的抗拔承载性能。

对于直孔桩,按照《建筑基桩检测技术规范》5.4.2条的规定取Q-s曲线的陡变起始点对应的荷载值作为抗拔极限承载力,则模型桩ZK-1和ZK-2的抗拔极限承载力分别为105N和150N,后者为前者的1.43倍,两根直孔桩的抗拔极限承载力之比与它们的直径比基本一致,说明试验所采用的地基土填埋方法较好地保证了地基土的均匀性和重复性。

对于LW-1螺纹桩,其Q-s曲线为缓变型,根据Q-s曲线直接获取其抗拔极限承载力比较困难。为便于对比分析,取螺纹桩第8级加载时的荷载300N与直孔桩的抗拔极限承载力对比,此时3根模型桩具有相似的上拔位移。螺纹桩承载力为ZK-1桩承载力的2.86倍,说明在直孔桩表面增设一定的螺纹,可以使桩的抗拔能力显著提高;螺纹桩承载力为ZK-2桩承载力的2.00倍,说明通过开槽方式在直孔桩表面形成螺纹,不仅减少材料使用量还可以提升桩的抗拔能力。

2.2 螺纹桩的Q-s曲线特征

试验得到的7根具有不同螺距的螺纹桩的Q-s曲线如图4所示。7根螺纹桩的Q-s曲线均为缓变型,且螺距对螺纹桩的Q-s曲线存在影响。按照Q-s曲线的变化趋势可将螺纹桩承载过程划分为3个阶段:第Ⅰ阶段为加载初期的近似弹性承载段,此时桩顶的上拔位移量较小,且上拔位移与上拔荷载近似呈线性关系,桩周土体可视为弹性压密状态;第Ⅱ阶段为加载中期的非线性承载段,此时桩顶的上拔位移随上拔荷载的增大而明显增加,螺纹竖向挤压引起桩周土形成塑性非线性变形;第Ⅲ阶段为加载后期的位移快速增长段,此时桩顶的上拔位移随上拔荷载的增大急剧增加,桩周土在螺纹竖向挤压下逐渐剪切滑移面,随着剪切滑移面的不断扩展,桩周土进入失效状态,桩体最终被拔出。

图4 具有不同螺距的螺纹桩Q-s曲线

2.3 螺距对螺纹桩抗拔承载力的影响

为进一步分析螺距对螺纹桩Q-s曲线的影响,绘制距径比对螺纹桩抗拔承载力的影响关系曲线,如图5所示。

(a)距径比与上拔荷载的关系

图5(a)中的上拔荷载值采用线性插值方式得出,由图5(a)可知,在不同上拔位移下,螺纹桩的上拔荷载均随距径比的增大先增大后减小,且在距径比为1.25时达到最大值。当距径比大于1.25时,曲线斜率随距径比的增大不断减小,即螺纹桩承载力对螺距变化的影响随着螺距的增大将逐渐减小;当距径比小于1.25时曲线斜率较大,此时螺纹桩的承载力对螺距变化的影响较大。

根据图5(b)可知,在相同荷载作用下,螺纹桩的上拔位移随距径比的增大先减小后增大,且在距径比为1.25时出现最小值。在上拔荷载较小时,上拔位移与距径比的关系曲线较为平缓,此时桩的上拔位移对螺距不太敏感,进一步说明了桩周土在加载初期存在压密过程;曲线斜率随着上拔荷载的增大而增大,当荷载达到450N,即螺纹桩处于加载后期的位移快速增长阶段时,螺距的影响十分突出,其原因在于不同间距的螺纹引起的桩周土剪切滑移面形式存在极大差异,该现象与文献[7]104得到的承压螺纹桩的分析结果一致。

由此可见,螺距对螺纹桩抗拔承载力的影响主要体现在加载后期,实质上是对其抗拔极限承载力产生了影响,且抗拔试验工况下的距径比为1.25的螺纹桩具有最优的抗拔承载能力和上拔位移控制能力。

2.4 螺纹桩的轴力与侧阻力分布

螺纹桩抗拔力由桩侧阻力提供,分析侧阻力分布对揭示螺纹桩荷载传递过程是必要的。将承载力最大的LW-2桩按应变片粘贴位置分为5段,自上而下依次定义为桩段1～桩段5。试验得到桩的轴力和侧阻力分布如图6所示。

(a)轴力图

由图6(a)可知,螺纹桩的轴力沿桩长非线性分布,即侧阻力在桩长范围内是非均匀的。在上拔荷载小于187.5N的初期加载阶段,桩处于近似弹性承载段,其轴力图线性特征明显,此时桩体上半段的侧阻力分布十分均匀,桩周土受桩体上拔扰动发生弹性挤密,而桩体下半段对土体的扰动相对较小。随着上拔荷载增大,螺纹桩轴力图的非线性特征逐渐突出,轴力图斜率不断增大,即各桩段的侧阻力不断增大,此时,桩周土由塑性变形逐步转变至剪切滑移,直至滑移面贯通后桩被拔出。

由图6(b)可知,桩段1和2的曲线分别在荷载超过375.0N和512.5N后出现斜率突减,表明桩周土已临近滑移破坏。桩段4的曲线在上拔荷载超过487.5N后出现斜率的突增,说明侧阻力出现急剧增大,此后桩体被拔出。由此可知,在上拔荷载不断增大的过程中,桩周土自上而下逐步发生剪切失效,当浅层土体失效后,上拔荷载通过桩体传递至深部土体,而深部土体应力的急剧增大导致土体内部滑移面贯通,螺纹桩最终被拔出。在加载后期,桩段4的侧阻力相对于桩段3出现明显的降低,这与土压力的分布规律存在差异,显然深部土体的侧阻力在螺纹桩被拔出时并未充分发挥,螺纹桩的拔出具有突发性。因此,采用试验中的最后一级上拔荷载作为螺纹桩的抗拔极限承载力是不安全的。

3 螺纹桩的螺距优化分析

3.1 螺距对螺纹桩抗拔极限承载力的影响

竖向压力作用下Q-s曲线具有缓变型特征的桩,其极限承载力可采用双直线交汇法[15-16]进行确定。该方法选取荷载-位移图中首次出现斜率变化段的线段延伸线与末尾段的线段延伸线的交点所对应的荷载值作为该桩体的极限承载力。根据上述分析,以试验中的最后一级荷载作为螺纹桩的抗拔极限承载力存在不合理之处,而在上拔荷载作用下螺纹桩的Q-s曲线具有缓变型的特征,为此,采用Q-s曲线双直线交汇法确定螺纹桩的抗拔极限承载力是恰当的。典型模型桩的Q-s曲线双直线交汇结果如图7所示。由图7可知,具有不同螺距的螺纹桩的抗拔极限承载力存在差异,而这一差异在Q-s曲线中是无法直接获取的。

(a)LW-2桩 (b)LW-4桩 (c)LW-6桩

由Q-s曲线双直线交汇法确定的模型桩抗拔极限承载力如表1所示,为便于问题的分析,表1中引入了抗拔承载力增强系数k,即表示各螺纹桩与等外径ZK-2直孔桩的极限抗拔承载力之比。

表1 模型桩的抗拔承载力

由表1可知,试验中的各螺纹桩的抗拔极限承载力介于等直径直孔桩抗拔极限承载力的2.09～2.34倍。而螺纹桩的抗拔极限承载力随着距径比的增大先增大后减小,能使螺纹桩获得最大抗拔极限承载力的距径比在1.2～1.5。上述结果表明,螺距的合理设计可以提升螺纹桩的抗拔承载效果。

3.2 螺纹桩的最优螺距分析

根据表1所绘制的模型桩抗拔承载力增强系数k与距径比S/d的关系,如图8所示,并根据试验值良好的线性分布特征进行结果的线性拟合。在上述线性拟合中,两式的可决系数R2分别为0.999 6和0.972 6,均高于0.95,说明线性拟合对试验结果的规律表达较为准确,拟合结果可信度较高。

图8 距径比S/d与抗拔承载力增强系数k的关系

根据图9的线性拟合,螺纹桩的抗拔承载力增强系数k与距径比S/d之间的关系为

(1)

可见,模型桩存在临界距径比1.26,可以使试验工况下的螺纹桩抗拔承载力增强系数得到最大值2.36,该临界距径比即为最优距径比。当螺纹桩的距径比小于该值时,其抗拔承载力增强系数随着距径比的增加而线性增加;而当螺纹桩的距径比大于该值时,抗拔承载力增强系数则随距径比的增加而线性降低。当距径比S/d在0.68～2.09时,螺纹桩的抗拔承载力增强系数可超过2.2。

4 结语

本文开展的螺纹桩抗拔承载性能模型试验表明,上拔力作用下螺纹桩的Q-s曲线为缓变型,由近似弹性承载段、非线性承载段和位移快速增长段构成;随着上拔荷载的增大,桩周土自上而下逐步失效,深部土体的侧阻力在螺纹桩被拔出时不能充分发挥,螺纹桩的拔出破坏具有突发性;螺纹桩的极限抗拔承载力随着螺距的增大先线性增大、后线性减小,试验工况下的最优螺距为1.26d。

受试验条件限制,论文只开展了螺纹单桩在砂土中抗拔承载特性的探索,后续的研究工作可围绕螺纹群桩的承载特性以及相关理论展开分析。