肖雨晨 （北京化建建筑工程有限公司，北京 102300）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高速鐵路建設(shè)已經(jīng)步入一個(gè)相對(duì)高峰期。高鐵建設(shè)主要涉及路、橋、隧等基本建設(shè)，工程建設(shè)的核心問(wèn)題為如何控制好構(gòu)筑物及路基沉降，為高速通行的列車提供變形充分、沉降穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。

在高速鐵路路基建設(shè)中，為解決路基本體填筑前天然松軟地基沉降過(guò)大、承載力不足等問(wèn)題，設(shè)計(jì)多采取復(fù)合地基處理。較為常見(jiàn)軟基處理形式有CFG樁、水泥土攪拌樁、擠密樁、碎石樁等。經(jīng)過(guò)實(shí)際對(duì)比分析，在眾多處理樁型中，采用螺桿樁進(jìn)行地基加固施工，取得了較為良好的沉降控制效果。

1 研究樁型

螺桿樁是一種新型地基處理樁基，通過(guò)大扭力鉆機(jī)及特殊鉆桿在土體中形成帶有螺紋的混凝土樁，該螺紋改變了傳統(tǒng)直壁樁型靠樁側(cè)摩擦提供樁體承載能力，而是靠螺紋剪力大大提高樁體承載能力。

螺桿樁是采用了變截面的構(gòu)造形狀，一般分為上部直桿段及下部螺紋段。成孔過(guò)程中樁側(cè)土體受到擠密作用，成樁后原部分土體被鉆桿擠密并泵送混凝土形成螺紋，而樁側(cè)土體形成螺母，樁體螺紋與樁側(cè)土螺母緊密咬合，當(dāng)樁頂受荷時(shí)，螺紋段的樁側(cè)土“螺母”受到壓縮，環(huán)狀“螺母”的根部受到剪切。樁的承載力有直桿段的側(cè)阻力（摩阻力），螺紋段的抗剪強(qiáng)度和樁端的端承載力組成，而螺紋段的抗剪力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同等條件下的側(cè)阻力，滿足了附加應(yīng)力的分布規(guī)律和應(yīng)力分擔(dān)比及剛度變化的要求，調(diào)整了樁與土之間的作用，樁側(cè)土體應(yīng)力分?jǐn)偙燃皯?yīng)力擴(kuò)散度提高，樁端荷載減少，使樁身受力與土體受力協(xié)調(diào)一致。

2 工程概況

新建×××鐵路DK18+404.99～DK19+804.93站場(chǎng)正線路基范圍內(nèi)設(shè)計(jì)采用螺桿樁進(jìn)行地基加固處理。螺桿樁幾何斷面“上部為直桿型，下部為螺紋型”，直桿段長(zhǎng)度不小于有效樁長(zhǎng)的1/3，螺桿樁樁底應(yīng)深入細(xì)圓礫土≮0.5m，螺桿樁樁徑0.5m，螺紋段直徑等于直桿段直徑，樁間距2m，平面呈正方形布置，樁長(zhǎng) 7.0～14.5m。螺桿樁樁體采用 C25混凝土泵送成樁，螺牙寬度一般為5～6cm寬，螺牙端部厚度約5cm，根部厚度一般為10cm，樁徑與螺距之比為1:0.6 ～1。

結(jié)合該施工段落內(nèi)地質(zhì)特點(diǎn)，原地面以下主要地層土質(zhì)依次為粉質(zhì)黏土（原地面～1.3m）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（1.3～7.4m）、細(xì)砂（7.4～10.75m）、細(xì)圓礫土（10.75～15m）。土層主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

土層物理力學(xué)參數(shù)表 表1

圖1 路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

3 計(jì)算模型建立

3.1 模型概述

本文采用Midas GTS NX有限元軟件進(jìn)行數(shù)值建模分析，模擬螺桿樁在相同地質(zhì)條件下，針對(duì)相同樁徑不同螺距、不同螺紋寬度及不同直桿與螺桿長(zhǎng)度分配比例下樁體沉降情況及土體等效塑性應(yīng)變來(lái)分析樁體承載能力及土體受荷后應(yīng)變特性。

為充分模擬螺桿樁螺紋部分，土體及螺桿樁在軟件中均采用實(shí)體單元模擬。土體采用能較好反映土體非線性變化的德魯克-普拉格（D-P）理想彈塑性本構(gòu)、樁體采用彈性本構(gòu)，樁體與土體摩擦采用界面單元進(jìn)行模擬，接觸非線性選擇庫(kù)倫摩擦準(zhǔn)則。為提高模型分析精度，實(shí)體網(wǎng)格劃分采用軟件中尺寸控制功能，樁體網(wǎng)格尺寸控制為0.1m，土體網(wǎng)格尺寸控制為0.5m，模型實(shí)體網(wǎng)格采用程序四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 模型參數(shù)

為真實(shí)反映螺桿樁實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變情況，模型選取樁長(zhǎng)11.25m為研究長(zhǎng)度，土層建立尺寸為15m×15m×15m（長(zhǎng)×寬×高）。由于該施工段落為軟土地層，各個(gè)地層土體彈性模量E選取設(shè)計(jì)地勘文件3倍的壓縮模量Es，界面單元中結(jié)構(gòu)參數(shù)及接觸非線性參數(shù)由軟件界面屬性助手生成。模型結(jié)構(gòu)約束及重力均由軟件自動(dòng)設(shè)置完成。樁體加載按1500kN作為最大加載控制值，共分為10級(jí)加載，每級(jí)加載150kN，得到樁體數(shù)值模擬加載沉降位移Q-s曲線。

4 螺桿樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

根據(jù)《螺紋樁技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T379-2016） 第 4.3.4-1、4.3.4-2 及4.3.4-3中相關(guān)要求，螺紋樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可采用下列公式計(jì)算：

式中：u―按螺紋樁外徑計(jì)算的周長(zhǎng)（m）；

qlwsik―螺紋樁穿過(guò)第i層土層的等效側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

qsik―干作業(yè)鉆孔樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

β―增強(qiáng)系數(shù)，直桿段取1.0；螺紋段可取 1.3～1.6,砂土取高值，黏性土取低值；

qpk―極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

ιi―螺紋樁穿過(guò)的第i層土層厚度（m）；

Ap―螺紋樁外徑在樁端的投影面積（m2）；

D―螺紋樁外徑（m）。

結(jié)合螺桿樁施工地質(zhì)條件，在螺桿樁樁徑為0.5m，樁長(zhǎng)為11.25m，直桿段長(zhǎng)度為有效樁長(zhǎng)1/3的工況條件下，求得螺桿樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1369.34kN，安全系數(shù)取2，則有螺桿樁單樁豎向承載力特征值為684.67kN。

（a）螺紋間距40cm土體等效塑性應(yīng)變（樁頂荷載750kN）

（b）螺紋間距50cm土體等效塑性應(yīng)變（樁頂荷載750kN）

5 三維數(shù)值模擬結(jié)果分析

5.1 螺紋間距對(duì)樁基承載影響

通過(guò)對(duì)螺紋間距為30cm、40cm、50cm的螺桿樁及等直徑全直壁CFG樁分別進(jìn)行模擬對(duì)比分析。通過(guò)圖3、圖4分析，在螺桿樁單樁豎向承載力特征值范圍內(nèi)，不同的螺紋間距對(duì)樁體沉降有一定影響，但樁頂沉降值差異不大較為接近。螺紋間距是影響樁體沉降控制指標(biāo)之一，且明顯存在最優(yōu)螺紋間距。通過(guò)對(duì)相同荷載下土體等效塑性應(yīng)變分析，由于螺紋間距的不同，改變了土體與樁體之間的摩擦特性，土體應(yīng)力-應(yīng)變也不相同。通過(guò)對(duì)等直徑全直壁CFG樁與螺桿樁數(shù)值模擬對(duì)比分析，CFG樁在達(dá)到土體塑性破壞后，相比各螺紋間距螺桿樁沉降產(chǎn)生突變式變化，不利于沉降控制。

圖3 不同螺紋間距加載沉降曲線

圖4 不同螺紋間距每級(jí)加載沉降變化曲線

5.2 螺紋寬度對(duì)樁基承載影響

通過(guò)對(duì)螺紋寬度為30mm、40mm、50mm的螺桿樁分別進(jìn)行模擬對(duì)比分析，螺紋的寬度對(duì)樁體承載影響較大。通過(guò)對(duì)圖5、圖6進(jìn)行對(duì)比分析，螺桿樁在樁頂受荷750kN后，螺紋寬度為6cm較螺紋寬度為3cm及9cm樁體最大沉降小，且變化速率慢，螺桿樁螺紋寬度存在最優(yōu)寬度。結(jié)合土體等效塑性應(yīng)變情況，由于螺牙寬度不同，改變了樁土受力界面，螺紋寬度在6cm時(shí)，土體等效塑性應(yīng)變區(qū)域明顯小于螺紋寬度為3cm及9cm，土體等效塑性應(yīng)變較小，樁體受力較為均勻，承載力大，沉降較小。

圖5 不同螺紋寬度加載沉降曲線

圖6 不同螺紋寬度每級(jí)加載沉降變化曲線

（a）螺紋寬度3cm土體等效塑性應(yīng)變

（b）螺紋寬度6cm土體等效塑性應(yīng)變

（c）螺紋寬度9cm土體等效塑性應(yīng)變

5.3 螺紋長(zhǎng)度對(duì)樁基承載影響

通過(guò)對(duì)螺紋長(zhǎng)度占樁體有效長(zhǎng)度的1/3、1/2、2/3、全螺紋的螺桿樁及CFG樁分別進(jìn)行模擬，并對(duì)圖7、圖8進(jìn)行對(duì)比分析,在螺桿樁單樁極限承載力下，2/3樁身螺紋位移沉降最小，且變化速率相對(duì)較為平緩，其余螺紋長(zhǎng)度比例相比之下均存在沉降變化速率快，沉降值過(guò)大等情況，因此得出在同一地質(zhì)條件且相同樁長(zhǎng)下，樁體螺紋長(zhǎng)度設(shè)置與土體性質(zhì)關(guān)系較為密切。

圖7 不同螺紋長(zhǎng)度加載沉降曲線

圖8 不同螺紋長(zhǎng)度每級(jí)加載沉降變化曲線

5.4 螺桿樁受力情況分析

通過(guò)對(duì)直徑50cm、螺紋寬度6cm、螺距40cm及螺紋長(zhǎng)度為2/3樁身的螺桿樁進(jìn)行細(xì)化分析，螺桿樁在受荷過(guò)程中有明顯的彈性壓縮，如圖9所示。在土體彈性階段內(nèi)，樁周土體給螺桿樁有效的樁側(cè)摩擦阻力，隨著荷載增大，樁體與土體產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，樁底承載增加，樁周土體塑性區(qū)變小，當(dāng)荷載增大到極限荷載后，由于土體產(chǎn)生塑性破壞，無(wú)法為樁體提供側(cè)阻力，螺桿樁將產(chǎn)生刺入式破壞。

圖9 螺桿樁樁頂樁底差異沉降變化值

6 結(jié)論

本文利用midas GTS NX有限元軟件對(duì)螺桿樁采用數(shù)值模擬方式針對(duì)不同螺紋工況進(jìn)行對(duì)比分析。模型本構(gòu)選用合理、界面接觸單元參數(shù)正確，模擬效果良好，模擬結(jié)果進(jìn)一步揭示了螺桿樁在不同工況下的加載沉降情況，可為螺桿樁施工及設(shè)計(jì)提供有效的參考。

①通過(guò)對(duì)比分析可知，同直徑CFG樁與合理設(shè)置螺紋構(gòu)造的等直徑螺桿在單樁承載力特征值范圍內(nèi)位移沉降較小，承載力相對(duì)較大，CFG樁在土體產(chǎn)生塑性破壞后，沉降速率有突變情況，樁體承載能力損失較快，不利于樁體受荷沉降控制，且在螺桿樁單樁極限承載力范圍內(nèi)，螺桿樁承載力明顯優(yōu)于同直徑CFG樁，且同直徑CFG樁相比螺桿樁截面尺寸較大，在大體量軟基處理中不利于混凝土材料節(jié)約。

②針對(duì)螺桿樁不同螺紋構(gòu)造進(jìn)行分析，螺紋寬度、長(zhǎng)度及螺紋間距均存在最優(yōu)值，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮不同地質(zhì)條件下的最優(yōu)螺桿樁螺紋構(gòu)造設(shè)計(jì)參數(shù)，以充分提高螺桿樁承載能力及減小復(fù)合地基工后沉降。

③螺桿樁施工前應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求選用符合要求的鉆桿，在施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格保證鉆孔速度及成樁直徑，控制螺桿樁鉆桿下鉆速度與鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)速度相匹配，提鉆速度與轉(zhuǎn)動(dòng)速度相匹配，且下鉆速速與提鉆速度相同，保證螺紋有效形成。

④綜上所述，結(jié)合該地質(zhì)情況，通過(guò)數(shù)值模擬分析，該處軟基處理采用螺桿樁（具體樁體要求為：設(shè)計(jì)直桿段長(zhǎng)度不小于有效樁長(zhǎng)的1/3，螺桿樁施工樁底應(yīng)深入細(xì)圓礫土≮0.5m螺桿樁樁徑0.5m，螺紋段直徑等于直桿段直徑，螺桿樁螺牙寬度一般為5～6cm寬，螺牙端部厚度約5cm，根部厚度一般為10cm，樁徑與螺距之比為1:0.6～1）。設(shè)計(jì)合理，與數(shù)值模擬結(jié)果相一致，此設(shè)計(jì)有利于該處高鐵路基地基處理沉降及承載控制，為后期高速鐵路運(yùn)行提供了良好的運(yùn)行條件。