黃土地區(qū)螺桿樁與CFG樁復(fù)合地基承載特性對(duì)比研究

胡金山

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 地質(zhì)路基處，陜西 西安 710043)

高速鐵路對(duì)路基工后沉降提出了極其嚴(yán)格的要求，采用剛性或半剛性樁處理天然地基是高速鐵路通常采用的方法[1-3]。螺桿樁是一種上部為圓柱形，下部為螺紋形的變截面樁。具有施工速度快、承載力高等優(yōu)點(diǎn)。2009年，國內(nèi)螺桿樁成樁工法獲得國家發(fā)明專利，螺桿樁在高層建筑地基處理中已廣泛應(yīng)用。在京滬、石濟(jì)、哈牡、鄭徐等多條高速鐵路和客運(yùn)專線上也廣泛采用螺桿樁復(fù)合地基[4-6]。

隨著螺桿樁的大規(guī)模使用，對(duì)螺桿樁承載特性的研究也逐漸得到重視。方崇等[7]對(duì)螺桿樁進(jìn)行單樁靜載試驗(yàn)，研究了螺桿樁在豎向荷載作用下荷載傳遞規(guī)律，并對(duì)螺桿樁的受力特性和破壞性狀進(jìn)行了分析。張偉等[8]通過現(xiàn)場靜載試驗(yàn)，提出了螺桿樁單樁極限承載力計(jì)算公式。徐梁[9]依據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果，提出了3種螺桿樁單樁極限承載力計(jì)算方法。螺桿樁由于其獨(dú)特的變截面設(shè)計(jì)，使得其受力機(jī)理和承載特性遠(yuǎn)比普通直桿樁復(fù)雜。周閃[10]通過單樁豎向靜載荷試驗(yàn)，對(duì)比分析了螺桿樁單樁承載力理論計(jì)算值與實(shí)測值的差異，驗(yàn)證了螺桿樁具有較高的單樁承載力。目前，針對(duì)螺桿樁承載特性的研究，都是基于現(xiàn)場靜載試驗(yàn)結(jié)果，在常規(guī)樁基承載力計(jì)算公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正和簡化，國內(nèi)外對(duì)螺桿樁復(fù)合地基的承載特性研究還不成熟。

本文以新建吳忠—中衛(wèi)鐵路為工程背景，針對(duì)黃土地區(qū)螺桿樁的使用，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)比分析螺桿樁復(fù)合地基和CFG樁復(fù)合地基承載特性，為我國特殊土地區(qū)鐵路工程地基處理提供參考。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模型箱尺寸為1.2 m×1.2 m ×1.2 m。模型樁采用彈性模量為2.65 GPa的四氟尼龍棒。以新建吳忠—中衛(wèi)鐵路螺桿樁為原型，按幾何相似比10∶1制作模型樁。CFG樁樁長80 cm，樁徑5 cm。螺桿樁直桿段長30 cm，直徑5 cm;螺紋段長50 cm，直徑3 cm,螺牙端部厚1 cm，螺桿葉片厚0.5 cm，螺牙寬1 cm，螺距3.5 cm，見圖1，沿樁共布置10個(gè)應(yīng)變片，在樁周采用環(huán)氧樹脂粘貼粒徑1～2 mm的砂做粗糙處理。

圖1 試驗(yàn)用模型樁

模型試驗(yàn)地基土采用重塑蘭州粉土，物理力學(xué)參數(shù)見表1。共設(shè)置10根CFG樁和10根螺桿樁，按正方形布設(shè)成5行4列，2列螺桿樁和2列CFG樁，樁間距為4倍樁徑(20 cm)，如圖2所示。1#,2#,5#,6#樁進(jìn)行單樁靜載試驗(yàn)，3#,4#,7#,8#樁進(jìn)行單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，承壓板尺寸為20 cm×20 cm。

填土?xí)r，按每填筑10 cm進(jìn)行夯實(shí)整平，控制含水率為17.8%，壓實(shí)度為80%。填土后不同深度采用環(huán)刀取樣，測定填土的含水率和密度，含水率為17.72%，密度為1.46 g/cm3。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 粉土地基中模型樁布置

由千斤頂和反力架組成加載系統(tǒng)，采用慢速維持荷載法，待每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后再進(jìn)行下一級(jí)加載，直至破壞，最后分級(jí)卸載。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單樁復(fù)合地基荷載—沉降(p-s)關(guān)系曲線

單樁復(fù)合地基p-s關(guān)系曲線見圖3。

圖3 單樁復(fù)合地基p-s關(guān)系曲線

由圖3可見，2種樁的單樁復(fù)合地基p-s關(guān)系曲線均呈緩變型。當(dāng)p<130 kPa，兩者p-s關(guān)系曲線趨于一致。當(dāng)p>130 kPa后，相同荷載作用下CFG樁復(fù)合地基沉降明顯大于螺桿樁復(fù)合地基。當(dāng)荷載增至500 kPa 時(shí)CFG樁復(fù)合地基沉降達(dá)到66.6 mm，而當(dāng)荷載增至667 kPa時(shí)螺桿樁復(fù)合地基沉降為61.9 mm，說明螺桿樁復(fù)合地基承載力明顯高于CFG樁。CFG樁復(fù)合地基極限承載力為330 kPa，螺桿樁復(fù)合地基極限承載力為460 kPa。螺桿樁復(fù)合地基極限承載力較CFG樁復(fù)合地基增大了39%。取極限承載力的1/2，得出CFG樁復(fù)合地基承載力為165 kPa，螺桿樁復(fù)合地基承載力為230 kPa。

2.2 樁身軸力

由樁身應(yīng)變測試值，可得樁身截面應(yīng)力。計(jì)算公式為

σ=Eε

(1)

式中：σ為樁身截面應(yīng)力，kPa；ε為樁身應(yīng)變；E為樁體彈性模量,MPa。

樁身軸力計(jì)算公式為

Q=σA

(2)

式中：Q為樁身軸力，kN；A為樁身截面面積，m2。

螺桿樁樁身軸力分布曲線見圖4?？梢姡弘S著深度的增加樁身軸力逐漸減??；在30 cm深度處(變截面處)曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，樁身軸力有較大衰減。說明部分荷載傳遞到螺紋段，螺紋葉片的端阻力、螺紋與土體之間的機(jī)械咬合力起到了端承作用。

圖4 螺桿樁樁身軸力分布曲線

CFG樁樁身軸力分布曲線見圖5?？梢姡弘S著深度的增加，樁身軸力先增大后減小；在埋深35 cm處存在最大軸力，即在CFG樁頂部存在負(fù)摩阻區(qū)，與京滬高速鐵路CFG 樁復(fù)合地基現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果[11]相一致。

圖5 CFG樁樁身軸力分布曲線

2.3 樁側(cè)摩阻力

根據(jù)靜力平衡原理，樁側(cè)摩阻力計(jì)算公式為

(3)

式中：qs為樁側(cè)摩阻力，kPa；Q0，Q1分別為樁身單元上、下截面的軸力，kN；L0為樁身單元長度，m；D為樁身直徑，m。

螺桿樁樁側(cè)摩阻力分布曲線見圖6。直桿段與螺紋段的交界點(diǎn)下方(深度33～40 cm)出現(xiàn)負(fù)摩阻區(qū)。主要原因：直桿段樁身側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮作用，在變截面處樁身與土體的接觸面積急劇減小，直桿段下的土體有較大的支撐作用，從而改變了側(cè)摩阻力的分布方向。

圖6 螺桿樁樁側(cè)摩阻力分布曲線

CFG樁樁側(cè)摩阻力分布曲線見圖7?？梢姡簶秱?cè)摩阻力先負(fù)后正，存在負(fù)摩阻區(qū)。主要原因：樁體剛度大，上部樁間土的壓縮變形大于樁身沉降；隨著深度的增大，樁間土受力減小，土體變形減小，樁間土的壓縮變形小于樁身沉降，樁側(cè)摩阻力變?yōu)檎怠?/p>

圖7 CFG樁樁側(cè)摩阻力分布曲線

2.4 復(fù)合地基樁土應(yīng)力比

圖8 復(fù)合地基樁土應(yīng)力比隨荷載變化曲線

螺桿樁和CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比隨荷載變化曲線見圖8。可見：2種樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比均隨著荷載的增大而增大，最后基本趨于穩(wěn)定。當(dāng)荷載較小時(shí)樁間土承擔(dān)的荷載較大，隨著荷載的增大，荷載逐漸向樁頂轉(zhuǎn)移；當(dāng)荷載增大到一定程度后，樁土變形協(xié)調(diào)，樁土分擔(dān)的荷載也趨于穩(wěn)定。螺桿樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比為2.27～4.33，荷載分擔(dān)比為69%～81%；CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比為2.86～5.22，荷載分擔(dān)比為74%～83%。說明相比于CFG樁復(fù)合地基，螺桿樁復(fù)合地基更有利于樁間土承載力的發(fā)揮，提高復(fù)合地基承載力。

3 結(jié)論

1)在相同樁徑和樁長條件下，螺桿樁復(fù)合地基的承載力比CFG樁復(fù)合地基高39%。螺桿樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比為2.27～4.33，CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比為2.86～5.22，螺桿樁復(fù)合地基更有利于樁間土承載力的發(fā)揮，提高復(fù)合地基承載力。

2)螺桿樁樁身軸力在變截面處有較大衰減，部分荷載傳遞到螺紋段，螺紋葉片的端阻力、螺紋與土體之間的機(jī)械咬合力起到了端承作用；CFG樁樁身軸力隨著深度的增加先增大后減小，樁頂部存在負(fù)摩阻區(qū)。

3)螺桿樁直桿段與螺紋段的交界點(diǎn)下方出現(xiàn)了負(fù)摩阻區(qū)，在工程設(shè)計(jì)、施工中應(yīng)注意變截面處的處理。

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