蔣鵬程

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070；2. 中國鐵路廣州局集團有限公司,廣東 廣州 510088)

高速鐵路對路基工后沉降提出了極其嚴格的要求。對于天然地基無法滿足工后沉降控制標準的深厚土質地段地基，采用剛性樁有效控制工后沉降是當前高速鐵路地基處理的主要思路和方法[1-2]。螺桿樁是一種上部為圓柱狀、下部為螺紋狀的變截面樁，與全螺紋灌注樁、普通泥漿護壁成孔的灌注樁相比，具有承載力高、 適用性廣、成樁速度快、樁型尺寸靈活、無噪聲、無振動等優(yōu)點。自2009年螺桿樁成樁設備及成樁工法獲得國家發(fā)明專利以來，螺桿樁在高層建筑地基處理中已廣泛應用。螺桿樁與鐵路工程中常用的CFG樁、管樁相比，具有單樁承載力高、每公里造價低等優(yōu)點，目前已在京滬、石濟、哈牡、鄭徐等多條高速鐵路、客運專線上使用[3-4]。

隨著螺桿樁的大規(guī)模使用，對螺桿樁承載特性的研究也逐漸得到重視，文獻[5]結合現(xiàn)場靜載試驗提出螺桿樁單樁極限承載力的計算公式，將灰色理論少數(shù)據(jù)建模法建立的模型與雙曲線模型比較，驗證了在螺桿樁極限承載力模擬推導方面灰色理論法更加精確。文獻[6]研究螺桿樁在豎向荷載作用下的荷載傳遞規(guī)律，分析其受力特性和破壞性狀。文獻[7]采用數(shù)值軟件研究螺桿樁在豎向荷載作用下的受力特性，并通過靜載試驗結果驗證有限元模擬計算的正確性。文獻[8]通過靜載試驗提出三種螺桿樁單樁極限承載力的計算方法。由于螺桿樁有特殊的截面形式，其工作性狀和承載機制比直桿樁復雜，目前國內外對其承載機制的研究還不成熟。

1 模型試驗設計

試驗采用的模型箱尺寸為120 cm×120 cm×120 cm。模型樁均采用四氟尼龍棒，經(jīng)測定，彈性模量為2.65 GPa，模型樁彈性模量與樁周土壓縮模量之比為1 305，模型試驗中樁、土彈性模量比與實際樁基工程基本一致。以呼準鐵路螺桿樁為原型，取幾何相似比為10∶1的模型樁，CFG樁樁徑50 mm，樁長800 mm。螺桿樁采用車床加工，直桿段300 mm，螺紋段500 mm，螺紋段直徑30 mm，螺牙端部厚10 mm，螺桿葉片厚5 mm，螺牙寬10 mm，螺距35 mm。圖1為試驗模型樁，沿樁身粘貼10個應變片，應變片沿樁身軸線的布置如圖2所示。應變片貼好后，在樁周采用環(huán)氧樹脂粘貼1～2 mm的砂做粗糙處理。

圖1 試驗用模型樁

圖2 應變片布置(單位：cm)

選用重塑蘭州粉土作為模型試驗填土，表1為重塑蘭州粉土的物理力學參數(shù)。在試驗中CFG樁和螺桿樁各埋設10根，按矩形布設成5行4列(2列螺桿樁、2列CFG樁)，橫向樁間距為20 cm，縱向樁間距為15 cm，如圖3所示。1號樁和2號樁為螺桿樁單樁承載，3號樁和4號樁為螺桿樁單樁復合地基，5號樁和6號樁為CFG單樁承載，7號樁和8號樁為CFG單樁復合地基。試驗前，鋪設一層厚度為1 cm、粒徑為2～5 mm的細粒石作為褥墊層，承壓板的尺寸為15 cm×20 cm。

表1 土體物理力學參數(shù)

圖3 粉土地基中模型樁布置

模型試驗填土控制含水率為18.17%，每填筑10 cm進行整平夯實，控制壓實度為0.8。在距離模型箱底部30、70、110 cm的位置，分別用環(huán)刀取兩個土樣，測定填土的含水率和密度，填筑含水率為17.72%，密度為1.46 g/cm3。

由千斤頂和反力架組成加載系統(tǒng)，采用慢速維持荷載法進行加載，即在試驗過程中逐級加載，待每級荷載達到相對穩(wěn)定后再進行下一級加載，直至破壞，最后分級卸載至0。

2 模型試驗結果分析

2.1 單樁承載特性分析

2.1.1 單樁Q-s關系曲線

圖4為單樁Q-s關系曲線，其中螺桿樁1、2分別對應圖3(a)中1、2號樁，CFG樁1、2對應圖3(a)中5、6號樁。當荷載較小時，Q-s曲線近似為一條直線，隨著荷載的逐漸增加，曲線呈現(xiàn)非線性特征，隨著荷載的進一步增加，曲線出現(xiàn)明顯的拐點，樁頂出現(xiàn)陡降，說明側阻力得到完全發(fā)揮，樁已破壞[9]。由此可判定螺桿樁單樁極限承載力為5 kN，CFG樁單樁極限承載力為3 kN，螺桿樁單樁極限承載力比CFG樁提高了67%。

2.1.2 單樁樁身軸力分析

圖5為5號樁單樁軸力分布曲線，圖6為1號樁單樁軸力分布曲線。由圖5、圖6可知，CFG樁單樁軸力沿樁身逐漸減小，而螺桿樁樁身軸力在直桿段與螺桿段的交界(深度30 cm)處出現(xiàn)了明顯的拐點：在直桿段，樁身軸力減小程度較大，在螺桿樁段，樁身軸力減小程度較小，說明在螺桿段除了所受的樁側摩阻力和軸力之外，還有螺紋與土體之間的機械咬合力、螺紋葉片的端阻力和樁端阻力共同分擔上部荷載，使軸力的減小程度降低。

圖4 單樁Q-s關系曲線(模型試驗)

圖5 CFG樁單樁軸力分布曲線(模型試驗)

圖6 螺桿樁單樁軸力分布曲線(模型試驗)

2.1.3 單樁樁側摩阻力分析

分析圖7 CFG樁樁側摩阻力分布曲線、圖8螺桿樁樁側摩阻力分布曲線可知，CFG樁樁側摩阻力沿樁深方向自上而下逐漸發(fā)揮，在中點處(深度約40 cm)樁側摩阻力達到最大值。螺桿樁直桿段樁側摩阻力分布與CFG樁類似，在直桿段中點處(深度約18 cm)樁側摩阻力達到最大值，在直桿段與螺桿段變截面處產生劇烈的衰減，在螺桿段，樁側摩阻力又逐漸發(fā)揮。

圖7 CFG樁樁側摩阻力分布曲線(模型試驗)

圖8 螺桿樁樁側摩阻力分布曲線(模型試驗)

2.2 單樁復合地基承載特性分析

2.2.1 單樁復合地基p-s關系曲線

分析圖9單樁復合地基p-s關系曲線可知，CFG樁和螺桿樁單樁復合地基p-s關系曲線均呈緩變型。加載至133 kPa前，兩種樁型的p-s關系曲線基本重合，變化規(guī)律相近；當荷載加至133 kPa以上時，CFG樁沉降的增加程度較大，明顯大于螺桿樁的沉降。對于CFG單樁復合地基，當加載至500 kPa時，地基沉降為66.59 mm，對于螺桿樁單樁復合地基，當加載至667 kPa時，樁體沉降為61.91 mm，說明螺桿樁復合地基的承載能力高于CFG樁。判定CFG樁單樁復合地基極限承載力為233 kPa，螺桿樁單樁復合地基的極限承載力為333 kPa。螺桿樁單樁復合地基比CFG樁單樁復合地基的極限承載力高43%。在同樣的試驗條件下進行天然地基承載力模型試驗，得到天然地基的承載力為167 kPa，CFG樁單樁復合地基比天然地基的極限承載力提高了40%，螺桿樁單樁復合地基比天然地基的極限承載力提高了100%。

圖9 單樁復合地基p-s關系曲線

2.2.2 單樁復合地基樁身軸力分析

分析圖10 CFG樁復合地基中單樁樁身軸力分布可知，單樁復合地基中CFG樁身軸力的分布與單樁軸力分布差異較大，單樁復合地基中CFG 樁樁身軸力沿深度先增加后減小，在樁頂下約35 cm處軸力最大，說明CFG樁復合地基存在負摩阻區(qū)，與京滬高速鐵路CFG 樁復合地基現(xiàn)場試驗結果一致[10-11]。

圖10 CFG樁復合地基單樁樁身軸力分布曲線

分析圖11螺桿樁復合地基中單樁樁身軸力分布可知，樁身軸力分布與單樁軸力分布類似，在30 cm深度處，軸力出現(xiàn)明顯拐點，樁身軸力在變截面處有較大衰減，與變截面樁樁身軸力傳遞規(guī)律一致[12]。

圖11 螺桿樁復合地基單樁樁身軸力分布曲線

2.2.3 單樁復合地基樁側摩阻力分析

分析圖12螺桿樁單樁復合地基樁側摩阻力分布可知，在直桿段與螺桿段的交界點下方出現(xiàn)了負摩阻區(qū)(深度30～40 cm范圍)，出現(xiàn)這種情況是由于樁身側阻力在直桿段逐漸充分發(fā)揮，樁身面積與土體的面積在變截面處急劇減小，直桿段下的土體有較大的支撐作用，使樁身摩阻力的分布方向發(fā)生改變，出現(xiàn)了負摩阻區(qū)。因此，在工程建設中，應注意變截面處的處理，以防止負摩阻力作用對樁體結構的破壞。在工程實踐中已發(fā)現(xiàn)變截面處的斷樁現(xiàn)象。

圖12 螺桿樁單樁復合地基樁側摩阻力分布曲線

圖13為CFG樁單樁復合地基樁側摩阻力分布曲線。CFG樁樁側摩阻力先負后正，這主要是由于樁體剛度較大，樁頂部分、樁間土在荷載作用下的壓縮變形大于樁體的變形，從而出現(xiàn)負摩阻力；隨著深度的增加，樁間土受力減小，土體變形也減小，樁體相對于土體向下運動，樁側摩阻力變?yōu)檎担柚箻扼w向下運動。

圖13 CFG樁單樁復合地基樁側摩阻力分布曲線

2.2.4 復合地基樁土應力比分析

分析圖14單樁復合地基樁土應力比可知，CFG樁和螺桿樁復合地基樁土應力比均隨著外荷載的增加而增大，最后基本趨于穩(wěn)定。當荷載較小時，樁間土承擔的荷載較大，隨著荷載的增加，荷載逐漸向樁頂轉移，當荷載增加到一定程度后，樁土變形協(xié)調，樁土分擔的荷載也趨于穩(wěn)定。對于CFG樁，樁土應力比變化范圍為2.86～5.22，樁間土荷載分擔比為17%～26%，CFG樁荷載分擔比為74%～83%；對于螺桿樁，樁土應力比變化范圍為2.27～4.33，樁間土荷載分擔比為19%～31%，螺桿樁荷載分擔比為69%～81%。說明與CFG樁相比，螺桿樁能更好地調整樁間土承載力發(fā)揮效應，從而提高復合地基承載力。

圖14 單樁復合地基樁土應力比

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

以呼準鐵路螺桿樁為原型尺寸，運用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件，建立樁-土三維模型，對CFG樁與螺桿樁的單樁承載特性進行計算對比分析。樁與土體均采用solid92單元模擬，樁與土體之間設置接觸單元，樁體、土體接觸面分別采用target170、contact174單元模擬。樁體運用彈性準則，土體運用Drucker-Prager準則模擬彈塑性材料。

樁體直徑為0.5 m，樁長為8 m，土體平面范圍為10 m×10 m，深度為16 m(2倍樁長)，土體四周及底部采用固定約束，有限元模型如圖15所示。模型采用的粉土和樁體參數(shù)見表2。為了使彈性模量相似比CE、泊松比相似比Cμ等于1，樁體的變形模量、泊松比、重度均取四氟尼龍棒的參數(shù)，樁型尺寸參數(shù)見表3。

圖15 有限元模型

土體類別內摩擦角/(°)黏聚力/kPa變形模量/MPa泊松比重度/(kN·m-3)粉土24.8438.523.420.318.18樁體——2 6500.423.0

注：土體變形模量根據(jù)天然地基承載力平板載荷模型試驗確定[13]。

表3 樁型尺寸參數(shù)

注：螺桿樁總長為8 m，螺桿段長為5 m，直桿段長為3 m；CFG樁樁長為8 m。

3.2 有限元結果分析

3.2.1 單樁Q-s關系曲線

有限元分析中，樁頂所施加荷載每級為100 kN。CFG樁在300 kN荷載作用下的樁土位移云圖如圖16所示，螺桿樁在500 kN作用下樁土位移云圖如圖17所示，CFG樁和螺桿樁的單樁Q-s曲線如圖18所示。

圖16 300 kN荷載作用下CFG樁樁土位移云圖

圖17 500 kN荷載作用下螺桿樁樁土位移云圖

圖18 單樁Q-s關系曲線(數(shù)值模擬)

分析圖18可知，Q-s曲線出現(xiàn)明顯的拐點，樁頂出現(xiàn)陡降，判定CFG樁的單樁極限承載力為300 kN，螺桿樁的單樁極限承載力為500 kN，螺桿樁單樁極限承載力比CFG樁高67%，提高比例與模型試驗結果相一致。

數(shù)值模擬中幾何相似比Cl=10∶1，荷載特征與幾何特征滿足式( 1 )的相似關系。

( 1 )

式中：Cl為幾何相似常數(shù)，取Cl=10；CE為彈性模量相似常數(shù)，取CE=1；CF為集中荷載的相似常數(shù)，經(jīng)計算CF=100。

模型試驗得到CFG樁單樁極限承載力為3 kN，螺桿樁單樁極限承載力為5 kN，本節(jié)數(shù)值模擬得到CFG樁的單樁極限承載力為300 kN，螺桿樁的單樁極限承載力為500 kN。在單樁極限承載力方面，數(shù)值計算與室內模型試驗符合相似條件，即CF=100，從而驗證了模型試驗的可靠性。

3.2.2 單樁樁身軸力分析

通過ANSYS三維有限元數(shù)值模擬分析，可以得到樁體在各截面位置處的應力，進而計算得到該截面樁身軸力。分別繪制CFG樁單樁軸力分布曲線、螺桿樁單樁軸力分布曲線，如圖19、圖20所示。

圖20 螺桿樁單樁軸力分布曲線(數(shù)值模擬)

分析圖19、圖20可知，CFG樁和螺桿樁樁身軸力均呈現(xiàn)出沿樁身深度方向逐漸減小的特征，螺桿樁在直桿段和螺桿段的變截面(深度3 m)處出現(xiàn)了明顯的拐點。

3.2.3 單樁樁側摩阻力分析

分析圖21 CFG樁樁側摩阻力分布曲線可知，CFG樁樁側摩阻力沿樁深方向自上而下逐漸發(fā)揮，在中點處(深度約4.5 m)樁側摩阻力達到最大值，樁側摩阻力呈D形分布。分析圖22螺桿樁樁側摩阻力分布曲線可知，螺桿樁樁側摩阻力在直桿段與螺桿段變截面處產生劇烈的衰減，在變截面下方，樁側摩阻力又逐漸發(fā)揮。單樁樁側摩阻力的分布規(guī)律與模型試驗所得結果一致。

圖21 CFG樁樁側摩阻力分布曲線(數(shù)值模擬)

圖22 螺桿樁樁側摩阻力分布曲線(數(shù)值模擬)

4 結論

(1)在相同樁徑和樁長條件下，螺桿樁單樁極限承載力比CFG樁提高約67%。CFG樁樁身軸力沿樁長逐漸減小，螺桿樁樁身軸力在直桿段與螺桿段的交界處有明顯拐點。

(2)螺桿樁單樁復合地基極限承載力比CFG樁提高約43%。螺桿樁樁土應力比變化范圍為2.27～4.33，CFG樁樁土應力比變化范圍為2.86～5.22，與CFG樁相比，螺桿樁能更好地調整樁間土承載力發(fā)揮效應，提高復合地基承載力。

(3)螺桿樁復合地基中樁身軸力分布與單樁軸力分布相類似，與變截面樁的軸力傳遞規(guī)律相一致；CFG樁復合地基中樁身軸力分布與單樁軸力分布差異較大，樁身軸力沿深度先增大后減小，負摩阻區(qū)在復合地基頂部。

(4)對于螺桿樁復合地基，負摩阻區(qū)出現(xiàn)在直桿段與螺桿段交界點下方，因此，在工程設計、施工中應注意變截面處的處理，以防止負摩阻力作用對樁體結構的破壞。