楊 軍, 吳建良, 周治國, 陳放鳴, 高柏輝

(1 廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣州 510520；2 廣東省裝配式地下結(jié)構(gòu)檢測與監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣州 510520；3 湖南理工學院土木建筑工程學院，岳陽 414000；4 卓典高麥高科技(廣東)有限公司，廣州 511450)

0 引言

隨著我國傳統(tǒng)工程建設(shè)模式逐漸向綠色、低碳和可持續(xù)方向轉(zhuǎn)變,為更加充分地發(fā)揮巖土體的承載能力,異形截面樁在土木工程領(lǐng)域的應用逐年遞增。螺桿樁是一種樁身強度高、施工快捷且無污染的變截面樁,由于施工過程完全擠土且始終保持樁側(cè)土體成螺紋形,其豎向抗壓和抗拔承載力均較直桿樁有不少提高。

國內(nèi)外學者針對螺旋樁受荷承載特性開展了較為深入的理論和試驗研究。Srijaroen等[1]依托現(xiàn)場試驗探討了水泥土螺桿樁的豎向抗壓承載機理,并建立了軟黏土中該樁型的承載力計算方法。Malik等[2]開展了螺旋樁單調(diào)和循環(huán)荷載作用下的室內(nèi)模型試驗,獲得了螺旋板直徑對螺旋樁承載力的影響規(guī)律,并建立了螺旋板下土體極限承載力計算經(jīng)驗公式。Sharif等[3]采用離散元法研究了螺旋樁推進比對樁體施工阻力和承載能力的影響,并評估了經(jīng)驗扭矩-承載力相關(guān)系數(shù)對大直徑螺旋樁的適用性,通過改進螺紋構(gòu)造,降低了螺桿樁旋入扭矩。Cerfontaine等[4]采用離散單元法模擬螺旋樁施工過程中復雜土體性狀變化規(guī)律,深入分析了土體顆粒尺寸、樁貫入率等因素對計算結(jié)果的影響。Stephen等[5]在冰磧黏土中進行了2×2螺旋群樁和單樁的現(xiàn)場受壓載荷試驗,分析了樁間距、螺旋間距等因素對群樁承載力的影響。Ho等[6]通過數(shù)值和模型試驗探討了砂土中螺旋葉片彎曲變形對端部承載力的影響、螺旋下土壓分布以及螺旋樁周圍土體變形規(guī)律,發(fā)現(xiàn)單樁承載力隨螺旋葉片撓度的增加呈線性下降趨勢。在國內(nèi),陳亞東等[7-8]采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究螺桿樁豎向受壓承載特性和樁周土體變形漸進性發(fā)展規(guī)律,發(fā)現(xiàn)螺桿樁整體承載力較等直徑直桿單樁可提高30%。左宏亮等[9]通過對螺桿灌注樁的靜載試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,建立了不同土質(zhì)情況下螺桿灌注樁單樁豎向極限承載力計算公式。高建中等[10]通過延安新區(qū)螺桿灌注樁的靜載試驗,對濕陷性黃土場地的螺桿灌注樁承載特性進行了研究。葉陽升等[11]結(jié)合某高速鐵路螺桿樁復合地基工程,開展螺桿樁復合地基原位測試試驗,研究了螺桿樁側(cè)摩阻力演化規(guī)律及螺桿樁荷載傳遞過程。馮浙[12]、王曙光等[13]通過室內(nèi)模型試驗和圖像處理技術(shù)獲得了螺桿樁和直桿樁的破壞形態(tài),并結(jié)合現(xiàn)場試驗對其承載機理和承載力計算公式進行探討。金順利[14]采用有限元方法對比分析螺桿樁群樁和直桿樁群樁的承載特性和承載機理差異,提出同等情況下螺桿樁群樁基礎(chǔ)比直桿樁群樁基礎(chǔ)具有更好的經(jīng)濟優(yōu)勢和承載性能。

綜上可知,已有研究成果主要是圍繞螺桿灌注樁的承載機理展開研究。近年來,一些地區(qū)開始采用鋼螺桿作為錨樁,將其與鋼梁等結(jié)構(gòu)組合成裝配式系統(tǒng),為基樁靜載試驗提供反力。鋼螺桿樁施工代替堆載試塊運輸和吊裝,現(xiàn)場裝拆便捷高效,相比傳統(tǒng)堆載試驗法可節(jié)省30%以上的成本,應用優(yōu)勢十分明顯[15-16]。然而,關(guān)于鋼螺桿樁承載理論的研究遠遠滯后于工程實踐,關(guān)于該樁型承載機理的研究工作鮮見報道,僅少數(shù)文獻對其工程應用問題進行了探討。筆者通過現(xiàn)場載荷試驗發(fā)現(xiàn),螺桿樁抗拔力發(fā)揮存在不可逆性,即當樁土界面產(chǎn)生一定相對位移后,若螺桿樁極限抗拔力不滿足最大加載量要求,現(xiàn)場暫停試驗或卸載后再加載,樁側(cè)抗拔摩阻力將顯著低于初次加載值,從而導致靜載試驗失效。因此,為避免基樁靜荷載試驗因錨固樁抗拔力不足情況的發(fā)生,建立鋼螺桿錨樁抗拔力公式,根據(jù)場地地層參數(shù)估算其單樁抗拔承載力設(shè)計值具有重要意義。

本文首先介紹基于鋼螺桿錨樁法的基樁靜載試驗實施過程,基于已完成的鋼螺桿錨樁現(xiàn)場抗拔試驗和場地工程地質(zhì)勘察資料,研究土質(zhì)條件、樁長及直徑等對鋼螺桿樁抗拔性能的影響,探討該類樁型的抗拔承載機理。然后,基于我國《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[17]推薦的直桿樁樁側(cè)抗拔摩阻力取值,建立與螺桿樁抗拔摩阻力的相關(guān)關(guān)系,給出不同類型土體的樁側(cè)抗拔摩阻力提高系數(shù)。最后建立鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力計算方法,并通過其單樁抗拔靜載試樁進行驗證。

1 鋼螺桿錨樁靜載試驗方法

鋼螺桿錨樁(圖1)由專用機械旋壓進入土層。螺紋桿是螺桿樁成樁的重要構(gòu)件,主要用于鉆孔擠土形成螺紋樁孔位,螺牙截面為梯形或三角形。

圖1 鋼螺桿錨樁實物照

鋼螺桿是在20mm壁厚的外徑300mm鋼管上焊接螺距約250mm的螺紋板,鋼螺桿的外徑通常有400mm和600mm兩種規(guī)格。鋼螺桿樁宜采用直徑400mm全螺紋樁,適用于砂質(zhì)黏性土、坡積黏土、風化殘積土,且厚度大于5.0m的地層。

現(xiàn)場載荷試驗過程包括以下步驟:

(1)設(shè)備入場時,采用汽車吊將螺桿鉆機、螺桿進行吊裝,堆放在測試場地上。

(2)鋼螺桿錨樁的施工采用轉(zhuǎn)速12轉(zhuǎn)/min、扭矩400kN·m的螺桿樁機,如圖2所示,可確保鋼管轉(zhuǎn)一圈入土深度等同25cm螺距,保證樁周土體結(jié)構(gòu)完整。每段螺桿長度6m,可根據(jù)需要進行接長。施工到錨樁機最大扭力的90%時停機終止鉆進。

圖2 鋼螺桿樁施工裝備

(3)鋼螺桿錨樁一般以試驗樁為中心對稱布置,也可在試驗樁旁進行杠桿式反力加載法布置[9]。鋼螺桿錨樁與反力裝置平臺采用螺紋精鋼連接。

(4)靜載試樁過程按照《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)進行,同時監(jiān)測鋼螺桿錨樁在試驗中的上拔量,上拔量不宜超過20mm。

(5)靜載試驗完成后,反轉(zhuǎn)螺桿取出鋼螺桿,采用最低轉(zhuǎn)速并逐步加大扭力達到額定值,暫停扭轉(zhuǎn)之后再重復上述反扭操作,讓螺桿與地基土之間的接觸阻力逐步降低,通過循環(huán)擰松將鋼螺桿拔出并回填鉆孔。

2 鋼螺桿錨樁現(xiàn)場抗拔試驗

為獲得多種地層條件鋼螺桿錨樁抗拔承載力數(shù)據(jù)資料,課題組依托廣州多個工程項目開展鋼螺桿錨樁靜載試驗。試驗場地主要地質(zhì)情況描述參見表1。

表1 試驗場地地質(zhì)情況

由表1可見,場地1～4均屬于典型的分層土地基,樁周土層最大標貫擊數(shù)不超過40,土體總體呈上軟下硬分布,鋼螺桿能穿過上述土層并順利成螺。

圖3為現(xiàn)場試驗照片。現(xiàn)場試驗采用的鋼螺桿錨樁樁徑包括400mm和600mm兩種規(guī)格,進入土層段均為全螺紋段,樁端土層類型包括淤泥質(zhì)土、砂質(zhì)黏土層、砂層和全風化花崗巖層。

圖3 鋼螺桿錨樁抗拔試驗現(xiàn)場照片

3 試驗結(jié)果分析

圖4為不同類別場地中入土深度15m的鋼螺錨桿錨樁上拔荷載-上拔位移關(guān)系曲線?？梢钥闯?鋼螺桿錨樁抗拔力由小到大對應的樁端土類型依次為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土(砂性土)和全風化花崗巖,說明場地土質(zhì)條件越好,鋼螺桿錨樁抗拔承載力越高;當鋼螺桿錨樁上拔位移小于10mm時,基本處于受荷線彈性變形階段。

圖4 試驗樁上拔荷載-上拔位移關(guān)系曲線

圖5為場地2中鋼螺桿錨樁樁長與單位樁長抗拔承載力及抗拔剛度關(guān)系柱狀圖。由圖5可見,隨著鋼螺桿錨樁下部樁段進入深部硬土層,樁側(cè)土體對樁身抗拔力的貢獻水平增加,故單位樁長抗拔承載力與樁長總體呈正相關(guān)關(guān)系。取各樁上拔位移量10mm,其對應的單樁抗拔剛度同樣隨樁長增加而提高。由此可知,對于上軟下硬這類典型地層,在滿足鋼螺桿錨樁鉆入和成螺的前提下,適當增加樁長并進入較好土層能夠有效提高單樁抗拔承載力。

圖5 樁長與抗拔承載力及剛度的關(guān)系

直徑400mm鋼螺桿錨樁的外周長為1 256mm,直徑600mm鋼螺桿錨樁的外周長為1 884mm,后者樁側(cè)土接觸面積超過前者約50%。圖6給出了兩種直徑鋼螺桿錨樁達到極限狀態(tài)時,在淤泥質(zhì)土(對應樁長12mm)、粉質(zhì)黏土(對應樁長15mm)和砂性土(對應樁長18mm)地層中的鋼螺桿錨樁樁側(cè)單位抗拔摩阻力(單樁抗拔承載力/樁側(cè)總面積)?？梢钥闯?兩種直徑鋼螺桿錨樁的單位抗拔摩阻力總體接近,通過增大螺紋直徑(樁徑)并未明顯提高鋼螺桿錨樁的單位抗拔摩阻力,推測這與400mm樁徑施工時更易實現(xiàn)等螺距同步鉆進,對土體結(jié)構(gòu)擠壓和擾動相對更小有關(guān)。

圖6 不同直徑、不同樁長鋼螺桿錨樁的單位抗拔摩阻力

4 鋼螺桿錨樁工作機理

采用螺樁機施工鋼螺桿錨樁,為樁基承載力靜載試驗提供反力,在國內(nèi)外樁基檢測領(lǐng)域尚無成熟的應用經(jīng)驗。現(xiàn)場試驗表明,鋼螺桿錨樁鉆進時,螺桿轉(zhuǎn)速與鉆入速度同步是保證樁周土體承載力的關(guān)鍵。隨著鉆入深度增加,地層硬度和抗力也增加。若螺桿轉(zhuǎn)速與鉆入速度不同步,土層中螺紋將受擾動破壞,無法為螺桿樁提供足夠錨力。

鋼螺桿錨樁抗拔承載性能發(fā)揮主要依靠樁側(cè)土體對樁體的約束作用。由于鋼螺桿錨樁自身剛度大,樁體向上運動時樁身螺牙擠壓上部土體,螺牙影響區(qū)域內(nèi)土體在機械咬合和擠密作用下與樁體共同移動,并與周圍土體產(chǎn)生相對剪切滑移。當樁頂上拔力逐漸接近峰值時,樁側(cè)破壞面平均直徑大于螺牙外徑,樁側(cè)土界面作用應力將超過傳統(tǒng)直桿樁界面抗拔摩阻力,這與螺桿灌注樁豎向抗拔試驗研究結(jié)論基本一致[13]。換句話說,鋼螺桿錨樁抗拔阻力表現(xiàn)為樁周各層土體的抗剪強度大小(與土性相關(guān))和發(fā)揮程度(與位移有關(guān)),土體抗剪強度往往大于樁土界面的摩擦阻力,故該類樁的抗拔力較直桿樁提高更顯著。

5 鋼螺桿錨樁抗拔承載力計算公式

根據(jù)文獻[7-8,12-13]開展的螺旋樁室內(nèi)模型試驗結(jié)果,本文假定鋼螺桿錨樁進入極限承載狀態(tài)后,樁與土沿著樁螺旋外徑界面產(chǎn)生相對滑移。樁自重相對其抗拔承載力較小(6m長螺旋樁段質(zhì)量約16t),分析時不考慮樁重量。鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力Q計算公式為:

Q=u∑βiqili

(1)

式中:qi為第i層土的極限抗拔摩阻力;li為螺桿樁接觸第i層土的厚度;u為螺桿樁周長;βi為抗拔摩阻力提高系數(shù)。

我國《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)對于樁側(cè)摩阻力不區(qū)分向上或向下,故各類土層qi值均依據(jù)該規(guī)范取值。螺桿樁旋入土體對周圍土體有擠密效應,能較好地保持樁側(cè)土體結(jié)構(gòu),提高樁側(cè)土體界面摩擦系數(shù),本文將該有利因素定義為抗拔摩阻力提高系數(shù)βi。

為確?？拱纬休d力推算值具有一定的安全儲備,抗拔摩阻力提高系數(shù)βi通過以下方法計算:

(1)根據(jù)地質(zhì)資料給定樁側(cè)各土層qi值,初次計算取《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)推薦范圍的最大值。

(2)將樁側(cè)土層qi按照數(shù)值大小分為qi≤50kPa、50kPa85kPa四個區(qū)間,依據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù),假定上述各區(qū)間βi值。土體越密實,βi值越大;松散和軟弱土的βi值較小。

(3)采用各土層βi值計算單樁抗拔承載力,將抗拔承載力計算值和實測抗拔承載值進行對比。若前者超過后者,則調(diào)整各類土的βi值重新計算,直至抗拔承載力計算值不超過實測抗拔承載力值,結(jié)束計算。

(4)通過上述步驟獲得不同強度土層的βi值。從偏于安全考慮,軟弱土層的βi值取1.0。表2為依據(jù)上述方法得到的各類土層抗拔摩阻力提高系數(shù)βi值。由表2可見,抗拔摩阻力提高系數(shù)βi取值范圍通常為1.2～1.6(軟弱土層不計)。

表2 抗拔摩阻力提高系數(shù)βi值

另取6根鋼螺桿錨樁SZ1～SZ6(基本情況見表3),采用本文計算公式(1)進行對其抗拔承載力估算,并與靜載試驗結(jié)果比較,見圖7。由圖7可以看出,鋼螺桿錨樁抗拔承載力計算值與實測值總體一致,且計算值相對偏小,能夠滿足鋼螺桿錨樁抗拔試驗承載力估算要求。

表3 鋼螺桿錨樁基本情況

圖7 抗拔承載力計算值與實測值對比

需要注意的是,依據(jù)本文式(1)計算鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力時,樁體上部若存在無螺紋段,則按照實際管樁外徑進行計算,不考慮抗拔摩阻力提高,取βi=1。施工時若無法保證螺旋鉆入(樁側(cè)土層結(jié)構(gòu)被破壞),計算時不應考慮摩阻力提高效應,取βi=1。

6 結(jié)論

本文基于鋼螺桿錨樁現(xiàn)場抗拔試驗成果,研究樁長、螺紋直徑等因素對鋼螺桿錨樁抗拔性能的影響,探討了鋼螺桿錨樁豎向抗拔承載機理,并建立了可用于估算鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力的計算方法。主要結(jié)論如下:

(1)鋼螺桿錨樁施工過程為完全擠土且樁側(cè)土體呈螺旋形,其單樁抗拔承載力較同等樁徑直桿樁有一定提高,并且土體性質(zhì)越好,其抗拔摩阻力提高越明顯。

(2)螺紋直徑400mm與600mm的鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力總體接近。螺桿旋進與進尺同步時單樁抗拔承載力較高,增大螺紋直徑并不能有效提高其抗拔性能。從便于現(xiàn)場施工角度考慮,采用400mm樁徑具有更大的經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢。

(3)本文采用試算法確定各類土層抗拔摩阻力提高系數(shù)βi值,根據(jù)土體軟硬和密實程度,抗拔摩阻力提高系數(shù)βi取值范圍通常為1.2～1.6(軟弱土層不計)。本文提出的鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力計算公式能夠有效指導鋼螺桿錨樁靜載反力系統(tǒng)設(shè)計,為順利開展基樁承載力檢測提供了可靠保證。