袁 松，馬宏偉，楊曉麗，何青睿

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

螺桿樁全稱為半螺旋擠孔管內(nèi)泵壓混凝土灌注樁，是一種上部為直桿段、下部為螺紋段的新型螺紋式異形樁，屬于半擠土灌注樁[1]。螺桿樁具有污染小、造價(jià)低、樁身質(zhì)量可靠、施工效率高、單樁承載力高等優(yōu)點(diǎn)。樁體螺紋段改變了樁土之間相互作用的形式，使其承載性能優(yōu)于同類型其他樁型，因此，在基礎(chǔ)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展的螺桿樁承載特性研究工作進(jìn)行了總結(jié)分析，并基于單樁極限承載力計(jì)算方法探討了現(xiàn)有計(jì)算方法存在的問(wèn)題。

1 螺桿樁豎向承載特性的研究現(xiàn)狀分析

螺桿樁的特殊構(gòu)造形式主要用于提高其豎向承載力，因此，大量的研究工作集中于豎向承載特性的研究。整體來(lái)看，具體研究工作主要從理論分析、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)和數(shù)值模擬等四個(gè)方面展開(kāi)。

1.1 螺桿樁承載特性的理論分析

在螺桿樁的承載特性理論分析方面，彭奎森等[2]利用雙線性荷載傳遞函數(shù)法初步解釋了螺桿樁的荷載傳遞機(jī)理，得出不同樁側(cè)、樁端土形態(tài)下的單樁P-s(荷載-沉降)顯式解，理論計(jì)算得到的樁基P-s曲線與ANSYS有限元數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，證明了荷載傳遞法在螺桿單樁極限承載力計(jì)算中的可行性。王成武等[3]采用Richards模型對(duì)螺桿樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的P-s曲線進(jìn)行擬合，并與雙曲線模型和指數(shù)曲線模型的擬合結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明Richards模型擬合精度高于其他兩種模型，但前者對(duì)極限承載力的預(yù)測(cè)偏于保守。劉劍雄等[4]采用雙曲線法擬合出與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合的曲線，所得螺桿樁極限承載力偏差較小，與文獻(xiàn)[3]所得結(jié)果基本一致。以上研究表明，采用預(yù)測(cè)函數(shù)進(jìn)行螺桿樁承載特性的分析是可行的，但計(jì)算結(jié)果較實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定偏差，預(yù)測(cè)函數(shù)的準(zhǔn)確性受參數(shù)取值的影響很大。

1.2 螺桿樁的模型試驗(yàn)研究

目前，螺桿樁室內(nèi)模型試驗(yàn)研究大多為宏觀力學(xué)響應(yīng)的研究，表現(xiàn)為樁周土體宏觀強(qiáng)度、變形和破壞模式。針對(duì)螺桿樁的模型試驗(yàn)研究，胡金山[5]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了粉土場(chǎng)地中螺桿樁復(fù)合地基和CFG樁復(fù)合地基的承載特性。馮浙[6]采用基于應(yīng)變測(cè)試技術(shù)和數(shù)字圖像軟件技術(shù)的室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)豎向荷載下螺桿樁的承載機(jī)理和樁周土體位移規(guī)律展開(kāi)研究。王曙光等[7]對(duì)螺桿樁進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，探討了螺桿灌注樁和等外徑的直桿灌注樁抗壓承載機(jī)理的差異，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，螺桿樁側(cè)摩阻力顯著提高是其承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直桿樁的根本原因。在揭示全螺紋樁承載機(jī)理的模型試驗(yàn)研究中，汪鵬等[8]所得結(jié)論與螺桿樁(半螺紋樁)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。顯然，模型試驗(yàn)在揭示螺桿樁承載機(jī)理方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但與實(shí)際工程樁相比，模型樁尺寸效應(yīng)引起的測(cè)試誤差是客觀存在的，采用模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行工程樁的承載力預(yù)測(cè)存在一定的問(wèn)題。

1.3 螺桿樁的現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)研究

在螺桿樁的現(xiàn)場(chǎng)靜荷載試驗(yàn)研究方面，方崇等[9]通過(guò)螺桿樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)，初步探討了螺桿樁的豎向荷載傳遞機(jī)理和破壞特征，指出螺桿樁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是螺距，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，認(rèn)為最優(yōu)螺距應(yīng)取1.0～1.5倍螺桿樁外徑。此后，徐佩洪等[10]利用現(xiàn)場(chǎng)螺桿樁靜載荷試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了螺桿樁荷載傳遞機(jī)理，并提出螺桿樁極限承載力的判定方法。結(jié)合螺桿樁在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用，高建中等[11]分析了螺桿樁在濕陷性黃土中的樁土擠密效應(yīng)，并通過(guò)靜載荷試驗(yàn)結(jié)果得出螺桿樁在濕陷性黃土地區(qū)亦可提供較高承載力，具有良好的應(yīng)用前景。對(duì)于擠密效果的研究，黃雪峰等[12]認(rèn)為螺桿樁消除濕陷性作用效果明顯?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)真實(shí)反映了工程樁在場(chǎng)地中的承載特性，但試驗(yàn)結(jié)果不可避免地受到場(chǎng)地中土層分布的離散性和施工偏差的影響，將試驗(yàn)結(jié)果直接用于其他工程樁的承載力預(yù)測(cè)存在很大的不確定性。

1.4 螺桿樁的數(shù)值模擬分析

在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，有學(xué)者采用有限元數(shù)值分析方法進(jìn)行了螺桿樁承載性能的數(shù)值模擬研究。周閃[13]利用有限元軟件ABAQUS對(duì)螺桿樁進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。陳亞?wèn)|等[14]基于離散元法的二維顆粒流數(shù)值模擬技術(shù)，分析了螺距、螺紋段長(zhǎng)度及樁徑等幾何參數(shù)對(duì)螺桿樁承載力和沉降變形的影響，加深了對(duì)螺桿樁荷載傳遞機(jī)理的認(rèn)識(shí)。張璐[15]根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)比分析了螺桿樁和灌注樁在樁身軸力及樁頂沉降方面的差異性，證明了螺桿樁在承載力提高和沉降控制方面的優(yōu)越性。Zhao[16]對(duì)螺桿樁復(fù)合地基的承載特性做了進(jìn)一步分析，得出高速鐵路螺桿樁樁基的螺桿段部分摩阻力發(fā)揮度較高；同時(shí)也分析了螺桿樁復(fù)合路基的沉降控制能力影響因素：螺桿段長(zhǎng)度、螺牙寬度、樁間距，其中樁間距對(duì)其影響較大，且合理樁間距為4倍樁體外徑。顯然，數(shù)值模擬方法能夠較好地反映加載過(guò)程中樁與地基土的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)揭示螺桿樁承載特性是十分有利的，特別是建模計(jì)算具有很好的便利性，但采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行實(shí)際工程樁承載特性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性仍然受到材料本構(gòu)關(guān)系選擇、關(guān)鍵參數(shù)取值的影響。

整體來(lái)看，螺桿樁的承載特性研究方法多樣，但每種方面均存在一定的優(yōu)勢(shì)和弊端，在實(shí)際工程樁承載力預(yù)測(cè)和承載特性研究中，宜綜合運(yùn)用上述方法進(jìn)行實(shí)施，具體來(lái)說(shuō)，可采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法進(jìn)行樁體承載特性的一般規(guī)律和關(guān)鍵影響因素分析，在此基礎(chǔ)上，建立螺桿樁承載力計(jì)算的理論分析模型，并以實(shí)際工程樁的現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論分析模型中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修正，由此得到可用于一般工程樁承載力預(yù)測(cè)的計(jì)算方法，為螺桿樁在不同場(chǎng)地中的應(yīng)用提供參考。

2 螺桿樁豎向承載力的計(jì)算方法對(duì)比分析

螺桿樁的承載能力不僅與樁體混凝土強(qiáng)度有關(guān)，而且與樁周土體的性質(zhì)有很大關(guān)系。既有研究表明，螺桿灌注樁的承載機(jī)理與直桿樁有較大的差異，螺桿灌注樁側(cè)摩阻力表現(xiàn)為樁周土體對(duì)螺紋的剪切及螺紋間土體抗剪強(qiáng)度，而直桿灌注樁的側(cè)摩阻力表現(xiàn)為樁周土體和樁體本身的摩擦力，兩者存在本質(zhì)區(qū)別?，F(xiàn)有的螺桿樁極限承載力計(jì)算方法包括基于土體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法和現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算法兩種。

2.1 基于土體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法

同望民等[17]建立了基于土體抗剪強(qiáng)度的螺桿樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

Quk=u[∑qsikli+∑(cj+σjtanφj)lj]+qpkAp

(1)

式中，Quk為單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值；u為螺桿樁外周長(zhǎng)；qsik為直桿段樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為直桿段第i層土的厚度；cj為第j層土的黏聚力；σj為第j層土的抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力；φj為第j層土的內(nèi)摩擦角；lj為螺紋段第j層土的厚度；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為按螺桿樁外徑計(jì)算的樁端面積。

基于土體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法本質(zhì)上是假定樁周土破壞面為沿螺紋外緣形成的圓柱面，極限側(cè)阻則由圓柱形破壞面的剪切強(qiáng)度決定，圓柱面剪切強(qiáng)度被視為由螺紋外表面與土體的剪切強(qiáng)度和螺紋間土體剪切強(qiáng)度兩部分組成，兩組剪切面的大小體現(xiàn)了螺紋間距及其外緣高度對(duì)樁體承載力的影響，因此，該方法具有一定的先進(jìn)性，但由于假定的樁周土破壞面與實(shí)際工程樁存在較大出入，計(jì)算結(jié)果明顯小于樁的實(shí)際承載力，且樁土界面摩擦角的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很大，使得計(jì)算結(jié)果的可信度不高。

2.2 現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算方法

現(xiàn)行《螺紋樁技術(shù)規(guī)程》[18](JGJ/T 379—2016)規(guī)定的螺桿樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

Quk=u(∑qsikli+∑βqsjklj)+qpkAp

(2)

式中，qsjk為螺紋段樁側(cè)第j層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；β為螺紋段樁側(cè)摩阻力增強(qiáng)系數(shù)；其余符號(hào)的物理意義與公式(1)中的一致。

現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算方法雖然也將樁周土破壞面假定為沿螺紋外緣形成的圓柱面，但在側(cè)阻力取值時(shí)考慮了圓柱面假定帶來(lái)的偏差，采用引入側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)的方法對(duì)側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了修正，因此，計(jì)算結(jié)果較基于土體抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法更準(zhǔn)確。不過(guò)在該方法中，側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)采用1.3～1.6的取值范圍是值得商榷的，大量研究工作表明側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)的大小與螺紋間距存在顯著的相關(guān)性，最優(yōu)螺距下的側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)最高可達(dá)2.0以上，規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法顯然沒(méi)有考慮到這一影響，計(jì)算結(jié)果仍然偏于保守。

綜合來(lái)看，現(xiàn)有螺桿樁豎向承載力計(jì)算方法中對(duì)樁-土相互作用方式的處理與大量研究結(jié)果存在顯著差異，這也是引起計(jì)算方法準(zhǔn)確性差的關(guān)鍵原因，在建立螺桿樁側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)與螺紋間距相互關(guān)系表達(dá)式的基礎(chǔ)上，采用規(guī)范經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行樁基極限承載力計(jì)算不失為解決問(wèn)題的有效途徑。

3 結(jié) 論

螺桿樁的承載特性分析與極限承載力預(yù)測(cè)具有重要的意義，本文對(duì)螺桿樁承載特性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，評(píng)述了四種研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出既有螺桿樁豎向承載力計(jì)算方法存在的諸多問(wèn)題及解決方法。

[ID:013177]