金順利

(中鐵二十四局江蘇工程有限公司， 南京 210046)

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)日新月異，對(duì)其上部結(jié)構(gòu)的研究屢見(jiàn)不鮮，但結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)投入通常占總投資的30%～50%。例如，在軟土地區(qū)，天然地基的承載能力往往不能滿(mǎn)足沉降控制要求，工程中可以采用樁基礎(chǔ)形式來(lái)控制上部結(jié)構(gòu)的沉降[1]。顯然，如能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，不僅能夠改善其承載性能，還能夠有可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。建筑工程對(duì)沉降變形和不均勻沉降有較高的控制要求，這要求建筑基礎(chǔ)需具有一定的承重能力和變形控制能力，否則將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。因此對(duì)樁基礎(chǔ)形式進(jìn)行優(yōu)化，降低樁基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)成本具有工程意義。

螺桿樁是近年來(lái)工程中應(yīng)用較多的一種新型樁體，是一種上部為圓柱形、下部為螺絲形的組合式灌注樁。螺桿樁單樁具有承載能力高、節(jié)省材料、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2]，其承載力主要由直桿段摩阻力、螺桿段復(fù)合阻力、樁端端承力三部分構(gòu)成[3-5]。劉鐘等[4]研究發(fā)現(xiàn)螺桿樁樁側(cè)摩阻力先于樁端端承力發(fā)揮作用，且摩阻力自樁身上部向下部逐步發(fā)揮作用，端承力隨樁身壓縮變形增大而逐步發(fā)揮作用。

針對(duì)群樁基礎(chǔ)或復(fù)合地基，李應(yīng)保[6]針對(duì)摩擦端承樁復(fù)合基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為全面的研究，周峰等[7]針對(duì)如何提升樁土共同作用也開(kāi)展了一定的研究。但上述研究多針對(duì)直桿樁(常規(guī)樁基)而非螺桿樁。現(xiàn)階段，針對(duì)螺桿樁的研究主要局限于應(yīng)用在鐵路交通中的單樁承載性能，缺乏其在建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中的適用性討論。

本文基于螺桿樁的優(yōu)良特性，在螺桿樁復(fù)合路基研究[8-9]的基礎(chǔ)上，將螺桿樁運(yùn)用于建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，探究螺桿樁群樁基礎(chǔ)的承載機(jī)理和適用性能。

1 群樁基礎(chǔ)有限元模型建立

采用PLAXIS軟件分別建立直桿樁建筑群樁基礎(chǔ)和螺桿樁建筑群樁基礎(chǔ)有限元模型。考慮到建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)在長(zhǎng)度方向的幾何和物理特性均存在較好的延續(xù)性，即變異性不大，本文采用了二維模型進(jìn)行模擬；另外，考慮到群樁基礎(chǔ)平面的對(duì)稱(chēng)特性，建模時(shí)進(jìn)行了對(duì)稱(chēng)簡(jiǎn)化處理；且以施加荷載的形式考慮上部結(jié)構(gòu)。將直桿樁和螺桿樁群樁基礎(chǔ)對(duì)稱(chēng)簡(jiǎn)化處理后的幾何構(gòu)型總體情況，合并后統(tǒng)一繪制于圖1中。

圖1 螺桿樁與直桿樁群樁基礎(chǔ)示意

螺桿樁建筑群樁基礎(chǔ)模型中，螺桿樁樁間距為2.0 m；樁長(zhǎng)為10 m，其中螺桿段長(zhǎng)5 m，直桿段長(zhǎng)5 m；樁徑為600 mm；螺牙端部厚度為100 mm；螺牙葉片寬度為50 mm；螺牙間距為300 mm。直桿樁建筑群樁基礎(chǔ)模型中，直桿樁樁徑也為600 mm，樁長(zhǎng)也為10m。螺桿樁和直桿樁材料采用C30混凝土，兩者所在地基土層相同。其中，地基土層情況選取東部沿海典型土層工況：土層1厚度為10 m(軟土層)，土層2厚度為20 m，樁基礎(chǔ)以土層2為持力層。

考慮到對(duì)稱(chēng)簡(jiǎn)化，模型左側(cè)設(shè)置對(duì)稱(chēng)邊界，且僅約束邊界的水平向運(yùn)動(dòng)。模型右側(cè)和底部約束所有方向運(yùn)動(dòng)。模型的尺寸大小為50 m(長(zhǎng))×30 m(深)，模型側(cè)邊界和底部邊界距離樁體模型的距離均大于最大樁徑的20倍(20×0.6=12 m)，從而保證了樁基礎(chǔ)模型數(shù)值分析結(jié)果不受邊界影響[10-11]。

螺桿樁和直桿樁樁體采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型，土層采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型。為保障計(jì)算精度，模型中樁體和土體均選取15節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬。樁土相互作用通過(guò)PLAXIS中內(nèi)嵌的接觸單元實(shí)現(xiàn)，設(shè)置接觸參數(shù)來(lái)表征樁土之間相互作用的強(qiáng)弱。摩擦系數(shù)根據(jù)土體和樁體材料進(jìn)行選取，通常為0.3～1.0，本文取0.5[11]。樁體和土體材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

模型中樁體和土體材料物理力學(xué)參數(shù) 表1

2 螺桿樁群樁基礎(chǔ)承載特性

2.1 豎向荷載與豎向位移關(guān)系

圖2為群樁基礎(chǔ)的豎向荷載-豎向位移曲線(xiàn)。由圖2可知，螺桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移隨著豎向荷載的增大(建筑層數(shù)增加)呈先線(xiàn)性增大再緩慢增大的趨勢(shì)，分界點(diǎn)在3 000 kN附近；直桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移隨著豎向荷載的增加呈先線(xiàn)性增大再快速增大的趨勢(shì)，分界點(diǎn)在2 200 kN附近。

由圖2可發(fā)現(xiàn)，在相同豎向荷載作用下，螺桿樁群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的豎向位移明顯小于直桿樁群樁基礎(chǔ)；總體上，在相近豎向荷載作用下螺桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移較直桿樁群樁基礎(chǔ)可以減小10%以上。說(shuō)明螺桿樁群樁基礎(chǔ)具有較好的沉降控制能力及更高的承載力。豎向荷載加載至6 000 kN的全過(guò)程中，螺桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向荷載-豎向位移曲線(xiàn)均較為平緩，未發(fā)現(xiàn)明顯的突變；但直桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向荷載-豎向位移曲線(xiàn)卻在豎向荷載達(dá)到2 200 kN左右時(shí)發(fā)生突變，曲線(xiàn)斜率明顯增大，說(shuō)明，此時(shí)該基礎(chǔ)承載模式發(fā)生了明顯改變，承載模式可能由以側(cè)摩阻力為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐远顺辛橹鳌Ｂ輻U樁能夠在節(jié)省材料的同時(shí)(基于螺桿尺寸計(jì)算材料用量，經(jīng)計(jì)算，相比于直桿樁，螺桿樁可減少2%～10%材料)，可以提高建筑基礎(chǔ)的承載能力并且保持控制建筑結(jié)構(gòu)變形的能力。

圖2 群樁基礎(chǔ)豎向荷載-豎向位移曲線(xiàn)

2.2 基礎(chǔ)豎向變形

圖3、圖4分別為豎向荷載為3 000kN(多層建筑)和6 000kN(中高層建筑)時(shí)螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移云圖。當(dāng)荷載為3 000kN時(shí)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移(最大值95.8 mm)明顯小于直桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移(最大值140.4 mm)；兩個(gè)群樁基礎(chǔ)底部土體豎向位移分布形式總體相同，均呈現(xiàn)類(lèi)似“倒鐘形”分布，兩個(gè)群樁基礎(chǔ)整體承載能力均得到了較好的發(fā)揮。

圖3 豎向荷載3 000 kN時(shí)群樁基礎(chǔ)豎向位移云圖/(×10-3m)

圖4 豎向荷載6 000 kN時(shí)群樁基礎(chǔ)豎向位移云圖/(×10-3m)

當(dāng)豎向荷載增加到6 000kN時(shí)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)的最大豎向位移分別為250.0 mm和441.8 mm，螺桿樁群樁基礎(chǔ)的豎向位移明顯小于直桿樁群樁基礎(chǔ)；螺桿樁群樁基礎(chǔ)底部土體豎向位移仍保持為類(lèi)似“倒鐘形”分布，且分布較為均勻，樁與樁之間及樁土之間共同承載的效果發(fā)揮較好；但直桿樁群樁基礎(chǔ)底部土體豎向位移呈現(xiàn)類(lèi)似“倒三角形”分布，直桿樁群樁基礎(chǔ)和周邊土體變形有明顯差別，兩者豎向位移差值明顯變大，且群樁基礎(chǔ)中心底部土體豎向位移明顯大于其他部位土體。這表明，當(dāng)豎向荷載達(dá)到6 000kN時(shí)，直桿樁群樁基礎(chǔ)和周邊土體開(kāi)始發(fā)生相對(duì)滑移并造成土體剪切破壞，直桿樁群樁基礎(chǔ)中心部位向土體傳遞的荷載顯著大于其他部位，群樁基礎(chǔ)整體承載能力變?nèi)?。螺桿樁群樁基礎(chǔ)能夠發(fā)揮更大承載力的主要原因是螺紋的存在帶動(dòng)了更多周邊土體受荷，擴(kuò)大了荷載的傳遞范圍。

3 基礎(chǔ)周?chē)馏w受荷響應(yīng)

3.1 基礎(chǔ)周?chē)馏w有效剪應(yīng)力分布

圖5、圖6分別為豎向荷載為3 000 kN和6 000 kN時(shí)螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)有效剪應(yīng)力云圖。由圖5、圖6可知，在豎向荷載為3 000 kN和6 000 kN兩種工況下，群樁基礎(chǔ)外圍樁體樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮范圍約為靠近樁端L/2(L為樁長(zhǎng))部分，其他樁體樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮范圍約為靠近樁端L/10部分。當(dāng)豎向荷載為3 000kN時(shí)(圖5)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w最大有效剪應(yīng)力分別為76.01kN/m2和64.85kN/m2，提高約17.21%；當(dāng)豎向荷載為6 000kN時(shí)(圖6)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w最大有效剪應(yīng)力分別為155.2kN/m2和134.3kN/m2，提升約15.56%?？傊?，不論是螺桿樁群樁基礎(chǔ)還是直桿樁群樁基礎(chǔ)，均表現(xiàn)為群樁整體承載特性，因此除外圍樁體外，群樁基礎(chǔ)內(nèi)部樁體的樁側(cè)摩阻力仍未充分發(fā)揮。

圖5 豎向荷載為3 000 kN時(shí)土體有效剪應(yīng)力云圖/(kN/m2)

圖6 豎向荷載為6 000 kN時(shí)土體有效剪應(yīng)力云圖/(kN/m2)

圖7為豎向荷載為3 000kN時(shí)螺桿樁群樁基礎(chǔ)、直桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力的對(duì)比。由圖7可見(jiàn)，直桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力隨樁深度增大呈現(xiàn)相對(duì)線(xiàn)性增大的形式，螺桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力隨樁深度增大呈現(xiàn)凹凸波折形式。螺桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力明顯強(qiáng)于直桿樁群樁基礎(chǔ)，其中，螺桿段部分側(cè)摩阻力提升最大，可達(dá)20 kPa，螺桿樁上部直桿段側(cè)摩阻力也略有提高(約5 kPa)，說(shuō)明螺桿樁群樁基礎(chǔ)能夠更為高效地通過(guò)側(cè)摩阻力將荷載傳遞至樁周土體。

圖7 豎向荷載3 000kN時(shí)群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力

圖8為群樁基礎(chǔ)外圍樁體各部分分擔(dān)荷載情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于直桿樁群樁基礎(chǔ)，絕大部分荷載由樁端端承力承受，少部分由樁側(cè)摩阻力承受；對(duì)于螺桿樁群樁基礎(chǔ)，荷載由樁端端承力、樁側(cè)摩阻力共同承擔(dān)，其中螺桿段側(cè)摩阻力占有明顯比例，說(shuō)明螺桿段起到了明顯的荷載分擔(dān)作用，將荷載更高效地傳至樁周土體。并且螺桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體各部分分擔(dān)荷載總和高于直桿樁群樁基礎(chǔ)，說(shuō)明了螺桿樁群樁基礎(chǔ)能在節(jié)約材料的同時(shí)提高承載能力。

圖8 群樁基礎(chǔ)外圍樁體各部分分擔(dān)荷載情況

綜上，在承載上部建筑傳遞荷載的過(guò)程中，螺桿樁群樁基礎(chǔ)樁體側(cè)摩阻力發(fā)揮比直桿樁群樁基礎(chǔ)更為充分，不僅能帶動(dòng)更多的土層受荷還能更充分地利用周邊土體的抗剪能力。

3.2 基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)分布

圖9、圖10分別為豎向荷載為3 000kN和6 000kN時(shí)螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)分布圖。當(dāng)豎向荷載為3 000kN時(shí)(圖9)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)均主要分布在上層較軟弱土體中(土層1)，其中直桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)已開(kāi)始擴(kuò)散至土層2中。螺桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w靠近螺紋部分塑性點(diǎn)分布相對(duì)直桿部分更為密集，且塑性點(diǎn)分布范圍集中在樁體土體附近，表明，螺桿樁群樁基礎(chǔ)外圍樁體側(cè)摩阻力發(fā)揮較為充分，較好地實(shí)現(xiàn)了樁土共同承載。直桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)表現(xiàn)為“廣而散”的分布特性，直桿樁群樁基礎(chǔ)利用外圍樁體側(cè)摩阻力傳遞荷載的能力相對(duì)較弱。

圖9 豎向荷載3 000 kN時(shí)群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)分布

當(dāng)豎向荷載增加到6 000kN時(shí)(圖10)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)均擴(kuò)散至土層2中。其中，螺桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)在土層2中仍局限在外圍樁體底部，而直桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)已經(jīng)貫穿至土層2中群樁中心的下部區(qū)域。與豎向荷載3 000kN時(shí)工況相似，螺桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)分布呈現(xiàn)“緊而密”的特征而直桿樁群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)分布呈現(xiàn)“廣而散”的特征。此外，群樁基礎(chǔ)除外圍樁體外，其他樁體樁端附近的側(cè)摩阻力、樁端端承力也開(kāi)始發(fā)揮：在螺桿樁群樁基礎(chǔ)中，樁端附近樁體主要發(fā)揮側(cè)摩阻力作用，側(cè)摩阻力發(fā)揮的有效范圍約為靠近樁端L/8部分，樁端端承力發(fā)揮不明顯；在直桿樁群樁基礎(chǔ)中，樁端附近樁體的側(cè)摩阻力和樁端端承力均較為明顯，其中側(cè)摩阻力發(fā)揮的有效范圍約為靠近樁端L/10部分。這說(shuō)明，螺桿樁群樁基礎(chǔ)能夠與周邊土體形成更好的相互作用機(jī)制，特別是在螺紋段這種相互作用更加顯著，且在同樣設(shè)計(jì)條件下螺桿樁群樁基礎(chǔ)有更多的承重冗余度，為結(jié)構(gòu)提供了更大的安全保障。

圖10 豎向荷載6 000 kN時(shí)群樁基礎(chǔ)周?chē)馏w塑性點(diǎn)分布

4 結(jié)論

本文采用有限元模擬方法，通過(guò)對(duì)比應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的螺桿樁和直桿樁群樁基礎(chǔ)，探究螺桿樁群樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的承載能力、變形特性，得出以下結(jié)論：

(1)在本研究涉及的所有工況中，相較于直桿樁群樁基礎(chǔ)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)可以在更少物料消耗的情況下，具有更強(qiáng)的沉降控制能力(減小10%以上)和承載能力(增大15%以上)。

(2)當(dāng)豎向荷載較小時(shí)，螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)均能較好發(fā)揮共同承載作用；當(dāng)豎向荷載較大時(shí)，直桿樁群樁基礎(chǔ)和周邊土體的豎向位移有明顯的差別，兩者差值明顯變大，且直桿樁群樁中心底部豎向變形明顯大于其他位置。

(3)螺桿樁群樁基礎(chǔ)和直桿樁群樁基礎(chǔ)均表現(xiàn)為整體承載特性，且外圍樁體的側(cè)摩阻力可以發(fā)揮得充分。其中，群樁基礎(chǔ)外圍樁體樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮范圍約為靠近樁端L/2部分，其他樁體樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮范圍約為靠近樁端L/10部分。

(4)螺桿樁群樁基礎(chǔ)能夠發(fā)揮更大承載力的主要原因是螺紋的存在可以提供更多的機(jī)械咬合和滑動(dòng)范圍，從而帶動(dòng)其周邊更多土體受荷，即擴(kuò)大了荷載的傳遞范圍。