砂土中螺紋樁承載特性的模型試驗(yàn)研究

孟 振，陳錦劍，王建華，尹振宇

（上海交通大學(xué) 土木工程系，上海 200240）

1 引 言

灌注螺紋樁是一種變截面樁，由長螺旋鉆孔灌注樁改進(jìn)而來。因其能有效控制沉降量，抗拔、抗側(cè)能力強(qiáng)，造價(jià)低且環(huán)保，在工程中得到了較多的應(yīng)用，并引起了諸多學(xué)者的研究。吳敏等[1]對螺紋樁的承載機(jī)制進(jìn)行了初步探討，比較了螺紋樁與傳統(tǒng)的直壁灌注樁豎向承載力的基本特性，并根據(jù)試驗(yàn)及理論分析，探討了螺紋樁設(shè)計(jì)計(jì)算方法。李紅文等[2]從不同角度對螺紋樁的承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行了初步探討，對施工常見的問題提出了處理對策，并將其應(yīng)用到了具體項(xiàng)目。胡煥校等[3]根據(jù)根全螺旋灌注樁的實(shí)測樁頂載荷-樁頂沉降曲線，用雙曲線法預(yù)測了全螺旋灌注樁的極限承載力。孫文懷等[4]分析了螺紋樁的受力機(jī)制，探討螺紋樁單樁承載力的確定方法，指出螺紋樁單樁承載力高、節(jié)約材料顯著，在軟弱地層中的應(yīng)用優(yōu)勢顯著，并通過實(shí)際工程給予具體說明。陳樂求[5]進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，分析了螺紋樁的豎向承載特性。李成巍等[6]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了灌注螺紋樁的豎向承載機(jī)制，并提出了螺紋樁承載力計(jì)算公式。

目前利用室內(nèi)模型試驗(yàn)揭示螺紋樁承載機(jī)制方面的研究很少，文獻(xiàn)[5－6]的試驗(yàn)研究對象也僅僅是螺紋樁與直樁的直觀比對，并未討論螺紋樁樁身參數(shù)的影響。本次在文獻(xiàn)[6]的研究基礎(chǔ)上展開更深入的模型試驗(yàn)，重點(diǎn)分析螺距這一樁身重要參數(shù)對螺紋樁承載性能的影響，測試單樁極限承載力及荷載的傳遞，并且將螺紋樁與傳統(tǒng)的等直徑直樁進(jìn)行對比，說明螺紋樁承載能力的優(yōu)勢。

2 研究方法

模型樁樁身材料選用聚氯乙烯塑料。該材料能在加載試驗(yàn)過程中產(chǎn)生適量的應(yīng)變而滿足應(yīng)變片測試誤差的控制要求。為了合理地模擬實(shí)際工程樁，本次試驗(yàn)的2根螺紋模型樁的樁長1 m，外徑為90 mm，內(nèi)徑為60 mm。2根直樁的樁長1 m，直徑分別為90 mm和60 mm，模型樁的外形參數(shù)見表1。在模型樁的空腔內(nèi)部兩側(cè)對稱粘貼應(yīng)變片，模型樁的兩端空出40 mm，中間部分等間距（184 mm）布設(shè)6片應(yīng)變片，以測出加載過程中模型樁沿樁身的應(yīng)變值。

表1 模型樁的外形參數(shù)表Table1 Shape parameters of model piles

靜載試驗(yàn)采用杠桿加載法，將型鋼梁一端鉸接固定于支架上，中部通過壓力傳感器和加載連接裝置放置在樁頂，型鋼梁另一端通過砝碼加載。試驗(yàn)在1.5 m×1.2 m×1.2 m的鋼制模型箱內(nèi)進(jìn)行。為了盡量減小相鄰樁之間擠土效應(yīng)和模型箱邊界效應(yīng)的影響，4根模型樁的中心間距為0.4 m，到模型箱壁的距離均大于0.4 m，超過4倍樁徑。

模型樁的埋設(shè)過程：首先，在試驗(yàn)箱的內(nèi)壁每隔20 cm標(biāo)示刻度，控制樁周土分成鋪設(shè)時每層土的厚度。然后，在底部放入20 cm厚的泡沫板，將模型樁放在泡沫板上并進(jìn)行定位，用重錘糾正其垂直度，之后開始在樁周覆土。每填入20 cm厚度的砂之后在不同位置放入2個直徑為7 cm、高3.5 cm的鋁盒，用來取樣測定樁周土的密度和含水率。用輕便的夯錘對砂土進(jìn)行一定程度上的夯實(shí)，并用重錘校正模型樁的垂直度。之后，再進(jìn)行下一層砂土的鋪設(shè)。砂土的松密通過夯錘的夯實(shí)力度和夯實(shí)次數(shù)來控制。模型樁埋設(shè)完畢之后放置2 d，待土體變形穩(wěn)定后進(jìn)行加載試驗(yàn)。本次前后共進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，第一次試驗(yàn)的樁周土相對密實(shí)一些，第二次試驗(yàn)的樁周土相對松散。

3 加載試驗(yàn)過程

圖1為整套加載設(shè)備的照片。加載裝置為型鋼梁-砝碼聯(lián)合加載裝置，在加載梁一端分級放置砝碼并記錄樁身應(yīng)變、樁頂荷載和沉降。加載前需要對模型樁的極限承載力進(jìn)行預(yù)估，來擬定每級荷載的加載增量。在每級荷載作用下的模型樁沉降穩(wěn)定之后再施加下一級荷載?？紤]模型試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)和相關(guān)研究[5]，采用小于0.01 mm/4 min作為沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)某級荷載作用下的樁頂沉降量為前一級荷載樁頂沉降量的5倍時即認(rèn)為已破壞，停止加載。

圖1 加載設(shè)備Fig.1 Pictures of the whole loading equipments

試驗(yàn)結(jié)束后，將埋設(shè)在模型箱里的鋁盒挖出，利用所得土樣進(jìn)行試驗(yàn)，測定樁周砂土的密度及含水率。樁周砂土的含水率隨深度幾乎沒有變化，平均含水率為1.2%，基本為干砂。圖2為兩次試驗(yàn)樁周砂土的密度隨深度的變化曲線。通過顆粒級分試驗(yàn)得到樁周砂土顆粒級配曲線，如圖3所示。

對模型試驗(yàn)的砂土取樣進(jìn)行一維壓縮試驗(yàn)和常規(guī)三軸試驗(yàn)，測定樁周砂土回彈指數(shù)為0.002，壓縮指數(shù)為0.019，內(nèi)摩擦角為34.6°。

圖2 樁周砂土的密度與深度變化曲線Fig.2 Density-depth curves of sand

圖3 樁周砂土顆粒級配曲線Fig.3 Grading curve of size distribution of sand

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 荷載-沉降曲線的分析

圖4為兩次靜載荷試驗(yàn)得到的樁頂荷載與樁頂沉降曲線。達(dá)到極限承載力時，各模型樁均發(fā)生明顯的刺入破壞，荷載沉降曲線的拐點(diǎn)非常明顯。由圖4(a)可見，第一次試驗(yàn)中直徑60 mm和90 mm直樁的極限承載力分別為0.46 kN和1.07 kN；螺距為 60 mm和 90 mm螺紋樁的極限承載力分別為0.193 kN和1.986 kN。2根螺紋樁的極限承載力約為相同內(nèi)徑直樁的 4倍，或相同外徑直樁的 2倍。比較兩根螺紋樁的極限承載力相差不多，但螺距 60 mm螺紋樁在極限承載力下的樁頂沉降量較小。由圖 4(b)可見，第二次試驗(yàn)中直徑為 60 mm和 90 mm直樁的極限承載力分別為 0.33 kN和0.77 kN；螺距90 mm和60 mm螺紋樁的極限承載力分別為0.93 kN和0.114 kN。螺紋樁的極限承載力為相同 內(nèi)徑直樁的 2.82～3.45倍，或?yàn)橄嗤鈴街睒兜?.21～1.48倍。螺距60 mm螺紋樁的極限承載力較大，且在極限承載力下的沉降量明顯小于螺距90 mm的螺紋樁。

綜上可知，相同條件下的螺紋樁極限承載力遠(yuǎn)大于直樁。在一定范圍內(nèi)，螺紋樁的極限承載和控制沉降的能力隨著螺距減小逐漸增強(qiáng)。比較兩次試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)樁周土的密實(shí)度增大時，螺紋樁極限承載力增大的幅度要比直樁大得多。

4.2 樁身軸力的分析

對第一次靜載荷試驗(yàn)中的模型樁進(jìn)行軸力分析，各模型樁樁身軸力分布如圖 5、6所示。圖 5表明，直樁樁身軸力隨著深度的增加逐漸減小，荷載均勻的傳遞到土體中。樁底阻力隨樁頂荷載增加而不斷增大，即加載過程中直樁的樁側(cè)摩阻力很快達(dá)到極限值，后期荷載主要由樁端分擔(dān)。

圖4 兩次試驗(yàn)各模型樁荷載-沉降曲線Fig.4 Load-settlement curves of model piles of the two tests

圖5 直樁樁身軸力分布圖Fig.5 Axial force curves of straight piles

圖6表明，螺紋樁軸力隨著深度逐漸減小。隨著樁頂荷載的增大，軸力向樁身底部傳遞，樁身中下部軸力的衰減明顯要比上部快。加載過程中螺紋樁樁底阻力增長幅度很小，螺紋樁的樁頂荷載主要由樁側(cè)土體分擔(dān)；螺距60 mm螺紋樁的樁底阻力較小，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮更為充分。

圖6 螺紋樁樁身軸力分布圖Fig.6 Axial force curves of screw piles

4.3 樁側(cè)摩阻力的分析

根據(jù)圖6中的軸力測試結(jié)果，對不同模型樁的樁側(cè)摩阻力進(jìn)行比較分析?？紤]樁頂荷載和樁端阻力的影響，取樁身-0.2～-0.8 m區(qū)間的軸力來計(jì)算各段樁側(cè)阻力，分別稱為上半段、中間段和下半段阻力。由于螺紋樁的樁側(cè)與土體的相互作用相對直樁要復(fù)雜很多，為了與直樁樁側(cè)摩阻力進(jìn)行對比，采用“等效樁側(cè)摩阻力”來計(jì)算螺紋樁樁側(cè)阻力。螺紋樁某一樁段的等效樁側(cè)摩阻力等于該樁段上下兩個截面的軸力差除以由螺紋樁外徑計(jì)算的圓柱體側(cè)表面積。

圖7為不同直樁的樁側(cè)摩阻力-樁頂沉降關(guān)系曲線。由圖可見，直徑60 mm直樁的下半樁段的極限摩阻力最大，大約3.0 kPa；中間樁段次之，大約2.5 kPa；上半樁段最小，大約1.2 kPa。整個樁身段的摩阻力自上到下逐漸增大。當(dāng)樁頂沉降達(dá)到2.6 mm時，各個樁段均達(dá)到極限狀態(tài)。直徑90 mm直樁的上半樁段極限摩阻力最大，大約3.0 kPa；下半樁段次之，大約為1.5 kPa；中間樁段最小，大約為1.0 kPa。整個樁身段的摩阻力呈現(xiàn)中間小兩端大的趨勢。當(dāng)樁頂沉降達(dá)到2.8 mm時各個樁段均已經(jīng)達(dá)到極限摩阻力。

圖7 直樁的樁側(cè)摩阻力與沉降關(guān)系曲線Fig.7 Skin friction-settlement relation curves of straight piles

圖8(a)為螺距 90 mm 螺紋樁的等效樁側(cè)摩阻力與沉降關(guān)系曲線。由圖可見，該螺紋樁的中間段的極限摩阻力最大，大約為10.5 kPa；下半段次之，大約為5.6 kPa，上半段最小，大約為2.2 kPa。整個樁身段呈現(xiàn)兩端小中間大的趨勢，當(dāng)各個樁段達(dá)到極限狀態(tài)時，樁頂沉降達(dá) 8.4 mm。圖 8(b)為螺距60 mm螺紋樁等效樁側(cè)摩阻力與沉降關(guān)系曲線。由圖可見，該螺紋樁的下半段的極限摩阻力最大，大約為13 kPa；中間樁段和下半樁段相差不大，大約為 8 kPa。各個樁段達(dá)到極限狀態(tài)時樁頂沉降達(dá)7.2 mm。

圖7、8表明，螺紋樁的樁側(cè)極限摩阻力大約是與直樁樁側(cè)極限摩阻力的3.5～4.3倍。螺距 90 mm螺紋樁的等效樁側(cè)摩阻力比螺距60 mm螺紋樁小，當(dāng)兩者達(dá)到極限狀態(tài)時，螺距90 mm螺紋樁的樁頂沉降要比螺距 60 mm螺紋樁大，說明在一定范圍內(nèi)，隨著螺距的減小，螺紋樁的樁側(cè)極限摩阻力以及控制沉降的能力逐漸增強(qiáng)。

圖8 螺紋樁的等效樁側(cè)摩阻力與樁頂沉降關(guān)系曲線Fig.8 Skin friction-settlement relation curves of screw piles

極限荷載下的模型樁荷載傳遞分析見表 2。由表可見，在極限荷載下2根直壁樁的平均側(cè)阻力相差不多，但它們比螺紋樁的平均側(cè)阻力小很多；小螺距螺紋樁的平均側(cè)阻力較大。

表2 極限荷載下的模型樁荷載傳遞分析Table2 Composition of piles resistance

5 結(jié) 語

采用室內(nèi)模型試驗(yàn)，對螺紋樁的承載力特性進(jìn)行研究，對比分析了螺紋樁與直樁承載特性的不同以及螺距對螺紋樁承載力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩根螺紋樁的極限承載力，約是與它內(nèi)徑相同直樁極限承載能力的3～4倍，約是與它外徑相同直樁極限承載能力1～2倍。當(dāng)樁周土密實(shí)度的增大時，同一根螺紋樁極限承載力增大的幅度要比直樁大得多。在一定范圍內(nèi)隨著螺距的減小，螺紋樁的極限承載能力、樁側(cè)極限摩阻力以及控制沉降的能力逐漸增強(qiáng)。

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