粉土地基CFG樁與螺桿樁復(fù)合地基承載特性對(duì)比分析

蔣鵬程

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2. 中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510088)

高速鐵路對(duì)路基工后沉降提出了極其嚴(yán)格的要求。對(duì)于天然地基無(wú)法滿足工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的深厚土質(zhì)地段地基，采用剛性樁有效控制工后沉降是當(dāng)前高速鐵路地基處理的主要思路和方法[1-2]。螺桿樁是一種上部為圓柱狀、下部為螺紋狀的變截面樁，與全螺紋灌注樁、普通泥漿護(hù)壁成孔的灌注樁相比，具有承載力高、 適用性廣、成樁速度快、樁型尺寸靈活、無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。自2009年螺桿樁成樁設(shè)備及成樁工法獲得國(guó)家發(fā)明專利以來(lái)，螺桿樁在高層建筑地基處理中已廣泛應(yīng)用。螺桿樁與鐵路工程中常用的CFG樁、管樁相比，具有單樁承載力高、每公里造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，目前已在京滬、石濟(jì)、哈牡、鄭徐等多條高速鐵路、客運(yùn)專線上使用[3-4]。

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，文獻(xiàn)[5]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)提出螺桿樁單樁極限承載力的計(jì)算公式，將灰色理論少數(shù)據(jù)建模法建立的模型與雙曲線模型比較，驗(yàn)證了在螺桿樁極限承載力模擬推導(dǎo)方面灰色理論法更加精確。文獻(xiàn)[6]研究螺桿樁在豎向荷載作用下的荷載傳遞規(guī)律，分析其受力特性和破壞性狀。文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值軟件研究螺桿樁在豎向荷載作用下的受力特性，并通過(guò)靜載試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證有限元模擬計(jì)算的正確性。文獻(xiàn)[8]通過(guò)靜載試驗(yàn)提出三種螺桿樁單樁極限承載力的計(jì)算方法。由于螺桿樁有特殊的截面形式，其工作性狀和承載機(jī)制比直桿樁復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其承載機(jī)制的研究還不成熟。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的模型箱尺寸為120 cm×120 cm×120 cm。模型樁均采用四氟尼龍棒，經(jīng)測(cè)定，彈性模量為2.65 GPa，模型樁彈性模量與樁周土壓縮模量之比為1 305，模型試驗(yàn)中樁、土彈性模量比與實(shí)際樁基工程基本一致。以呼準(zhǔn)鐵路螺桿樁為原型，取幾何相似比為10∶1的模型樁，CFG樁樁徑50 mm，樁長(zhǎng)800 mm。螺桿樁采用車床加工，直桿段300 mm，螺紋段500 mm，螺紋段直徑30 mm，螺牙端部厚10 mm，螺桿葉片厚5 mm，螺牙寬10 mm，螺距35 mm。圖1為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?，沿樁身粘貼10個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片沿樁身軸線的布置如圖2所示。應(yīng)變片貼好后，在樁周采用環(huán)氧樹(shù)脂粘貼1～2 mm的砂做粗糙處理。

圖1 試驗(yàn)用模型樁

圖2 應(yīng)變片布置(單位：cm)

選用重塑蘭州粉土作為模型試驗(yàn)填土，表1為重塑蘭州粉土的物理力學(xué)參數(shù)。在試驗(yàn)中CFG樁和螺桿樁各埋設(shè)10根，按矩形布設(shè)成5行4列(2列螺桿樁、2列CFG樁)，橫向樁間距為20 cm，縱向樁間距為15 cm，如圖3所示。1號(hào)樁和2號(hào)樁為螺桿樁單樁承載，3號(hào)樁和4號(hào)樁為螺桿樁單樁復(fù)合地基，5號(hào)樁和6號(hào)樁為CFG單樁承載，7號(hào)樁和8號(hào)樁為CFG單樁復(fù)合地基。試驗(yàn)前，鋪設(shè)一層厚度為1 cm、粒徑為2～5 mm的細(xì)粒石作為褥墊層，承壓板的尺寸為15 cm×20 cm。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

圖3 粉土地基中模型樁布置

模型試驗(yàn)填土控制含水率為18.17%，每填筑10 cm進(jìn)行整平夯實(shí)，控制壓實(shí)度為0.8。在距離模型箱底部30、70、110 cm的位置，分別用環(huán)刀取兩個(gè)土樣，測(cè)定填土的含水率和密度，填筑含水率為17.72%，密度為1.46 g/cm3。

由千斤頂和反力架組成加載系統(tǒng)，采用慢速維持荷載法進(jìn)行加載，即在試驗(yàn)過(guò)程中逐級(jí)加載，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)卸載至0。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單樁承載特性分析

2.1.1 單樁Q-s關(guān)系曲線

圖4為單樁Q-s關(guān)系曲線，其中螺桿樁1、2分別對(duì)應(yīng)圖3(a)中1、2號(hào)樁，CFG樁1、2對(duì)應(yīng)圖3(a)中5、6號(hào)樁。當(dāng)荷載較小時(shí)，Q-s曲線近似為一條直線，隨著荷載的逐漸增加，曲線呈現(xiàn)非線性特征，隨著荷載的進(jìn)一步增加，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，樁頂出現(xiàn)陡降，說(shuō)明側(cè)阻力得到完全發(fā)揮，樁已破壞[9]。由此可判定螺桿樁單樁極限承載力為5 kN，CFG樁單樁極限承載力為3 kN，螺桿樁單樁極限承載力比CFG樁提高了67%。

2.1.2 單樁樁身軸力分析

圖5為5號(hào)樁單樁軸力分布曲線，圖6為1號(hào)樁單樁軸力分布曲線。由圖5、圖6可知，CFG樁單樁軸力沿樁身逐漸減小，而螺桿樁樁身軸力在直桿段與螺桿段的交界(深度30 cm)處出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)：在直桿段，樁身軸力減小程度較大，在螺桿樁段，樁身軸力減小程度較小，說(shuō)明在螺桿段除了所受的樁側(cè)摩阻力和軸力之外，還有螺紋與土體之間的機(jī)械咬合力、螺紋葉片的端阻力和樁端阻力共同分擔(dān)上部荷載，使軸力的減小程度降低。

圖4 單樁Q-s關(guān)系曲線(模型試驗(yàn))

圖5 CFG樁單樁軸力分布曲線(模型試驗(yàn))

圖6 螺桿樁單樁軸力分布曲線(模型試驗(yàn))

2.1.3 單樁樁側(cè)摩阻力分析

分析圖7 CFG樁樁側(cè)摩阻力分布曲線、圖8螺桿樁樁側(cè)摩阻力分布曲線可知，CFG樁樁側(cè)摩阻力沿樁深方向自上而下逐漸發(fā)揮，在中點(diǎn)處(深度約40 cm)樁側(cè)摩阻力達(dá)到最大值。螺桿樁直桿段樁側(cè)摩阻力分布與CFG樁類似，在直桿段中點(diǎn)處(深度約18 cm)樁側(cè)摩阻力達(dá)到最大值，在直桿段與螺桿段變截面處產(chǎn)生劇烈的衰減，在螺桿段，樁側(cè)摩阻力又逐漸發(fā)揮。

圖7 CFG樁樁側(cè)摩阻力分布曲線(模型試驗(yàn))

圖8 螺桿樁樁側(cè)摩阻力分布曲線(模型試驗(yàn))

2.2 單樁復(fù)合地基承載特性分析

2.2.1 單樁復(fù)合地基p-s關(guān)系曲線

分析圖9單樁復(fù)合地基p-s關(guān)系曲線可知，CFG樁和螺桿樁單樁復(fù)合地基p-s關(guān)系曲線均呈緩變型。加載至133 kPa前，兩種樁型的p-s關(guān)系曲線基本重合，變化規(guī)律相近；當(dāng)荷載加至133 kPa以上時(shí)，CFG樁沉降的增加程度較大，明顯大于螺桿樁的沉降。對(duì)于CFG單樁復(fù)合地基，當(dāng)加載至500 kPa時(shí)，地基沉降為66.59 mm，對(duì)于螺桿樁單樁復(fù)合地基，當(dāng)加載至667 kPa時(shí)，樁體沉降為61.91 mm，說(shuō)明螺桿樁復(fù)合地基的承載能力高于CFG樁。判定CFG樁單樁復(fù)合地基極限承載力為233 kPa，螺桿樁單樁復(fù)合地基的極限承載力為333 kPa。螺桿樁單樁復(fù)合地基比CFG樁單樁復(fù)合地基的極限承載力高43%。在同樣的試驗(yàn)條件下進(jìn)行天然地基承載力模型試驗(yàn)，得到天然地基的承載力為167 kPa，CFG樁單樁復(fù)合地基比天然地基的極限承載力提高了40%，螺桿樁單樁復(fù)合地基比天然地基的極限承載力提高了100%。

圖9 單樁復(fù)合地基p-s關(guān)系曲線

2.2.2 單樁復(fù)合地基樁身軸力分析

分析圖10 CFG樁復(fù)合地基中單樁樁身軸力分布可知，單樁復(fù)合地基中CFG樁身軸力的分布與單樁軸力分布差異較大，單樁復(fù)合地基中CFG 樁樁身軸力沿深度先增加后減小，在樁頂下約35 cm處軸力最大，說(shuō)明CFG樁復(fù)合地基存在負(fù)摩阻區(qū)，與京滬高速鐵路CFG 樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果一致[10-11]。

圖10 CFG樁復(fù)合地基單樁樁身軸力分布曲線

分析圖11螺桿樁復(fù)合地基中單樁樁身軸力分布可知，樁身軸力分布與單樁軸力分布類似，在30 cm深度處，軸力出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，樁身軸力在變截面處有較大衰減，與變截面樁樁身軸力傳遞規(guī)律一致[12]。

圖11 螺桿樁復(fù)合地基單樁樁身軸力分布曲線

2.2.3 單樁復(fù)合地基樁側(cè)摩阻力分析

分析圖12螺桿樁單樁復(fù)合地基樁側(cè)摩阻力分布可知，在直桿段與螺桿段的交界點(diǎn)下方出現(xiàn)了負(fù)摩阻區(qū)(深度30～40 cm范圍)，出現(xiàn)這種情況是由于樁身側(cè)阻力在直桿段逐漸充分發(fā)揮，樁身面積與土體的面積在變截面處急劇減小，直桿段下的土體有較大的支撐作用，使樁身摩阻力的分布方向發(fā)生改變，出現(xiàn)了負(fù)摩阻區(qū)。因此，在工程建設(shè)中，應(yīng)注意變截面處的處理，以防止負(fù)摩阻力作用對(duì)樁體結(jié)構(gòu)的破壞。在工程實(shí)踐中已發(fā)現(xiàn)變截面處的斷樁現(xiàn)象。

圖12 螺桿樁單樁復(fù)合地基樁側(cè)摩阻力分布曲線

圖13為CFG樁單樁復(fù)合地基樁側(cè)摩阻力分布曲線。CFG樁樁側(cè)摩阻力先負(fù)后正，這主要是由于樁體剛度較大，樁頂部分、樁間土在荷載作用下的壓縮變形大于樁體的變形，從而出現(xiàn)負(fù)摩阻力；隨著深度的增加，樁間土受力減小，土體變形也減小，樁體相對(duì)于土體向下運(yùn)動(dòng)，樁側(cè)摩阻力變?yōu)檎?，阻止樁體向下運(yùn)動(dòng)。

圖13 CFG樁單樁復(fù)合地基樁側(cè)摩阻力分布曲線

2.2.4 復(fù)合地基樁土應(yīng)力比分析

分析圖14單樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比可知，CFG樁和螺桿樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比均隨著外荷載的增加而增大，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，隨著荷載的增加，荷載逐漸向樁頂轉(zhuǎn)移，當(dāng)荷載增加到一定程度后，樁土變形協(xié)調(diào)，樁土分擔(dān)的荷載也趨于穩(wěn)定。對(duì)于CFG樁，樁土應(yīng)力比變化范圍為2.86～5.22，樁間土荷載分擔(dān)比為17%～26%，CFG樁荷載分擔(dān)比為74%～83%；對(duì)于螺桿樁，樁土應(yīng)力比變化范圍為2.27～4.33，樁間土荷載分擔(dān)比為19%～31%，螺桿樁荷載分擔(dān)比為69%～81%。說(shuō)明與CFG樁相比，螺桿樁能更好地調(diào)整樁間土承載力發(fā)揮效應(yīng)，從而提高復(fù)合地基承載力。

圖14 單樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

以呼準(zhǔn)鐵路螺桿樁為原型尺寸，運(yùn)用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件，建立樁-土三維模型，對(duì)CFG樁與螺桿樁的單樁承載特性進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析。樁與土體均采用solid92單元模擬，樁與土體之間設(shè)置接觸單元，樁體、土體接觸面分別采用target170、contact174單元模擬。樁體運(yùn)用彈性準(zhǔn)則，土體運(yùn)用Drucker-Prager準(zhǔn)則模擬彈塑性材料。

樁體直徑為0.5 m，樁長(zhǎng)為8 m，土體平面范圍為10 m×10 m，深度為16 m(2倍樁長(zhǎng))，土體四周及底部采用固定約束，有限元模型如圖15所示。模型采用的粉土和樁體參數(shù)見(jiàn)表2。為了使彈性模量相似比CE、泊松比相似比Cμ等于1，樁體的變形模量、泊松比、重度均取四氟尼龍棒的參數(shù)，樁型尺寸參數(shù)見(jiàn)表3。

圖15 有限元模型

土體類別內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa變形模量/MPa泊松比重度/(kN·m-3)粉土24.8438.523.420.318.18樁體——2 6500.423.0

注：土體變形模量根據(jù)天然地基承載力平板載荷模型試驗(yàn)確定[13]。

表3 樁型尺寸參數(shù)

注：螺桿樁總長(zhǎng)為8 m，螺桿段長(zhǎng)為5 m，直桿段長(zhǎng)為3 m；CFG樁樁長(zhǎng)為8 m。

3.2 有限元結(jié)果分析

3.2.1 單樁Q-s關(guān)系曲線

有限元分析中，樁頂所施加荷載每級(jí)為100 kN。CFG樁在300 kN荷載作用下的樁土位移云圖如圖16所示，螺桿樁在500 kN作用下樁土位移云圖如圖17所示，CFG樁和螺桿樁的單樁Q-s曲線如圖18所示。

圖16 300 kN荷載作用下CFG樁樁土位移云圖

圖17 500 kN荷載作用下螺桿樁樁土位移云圖

圖18 單樁Q-s關(guān)系曲線(數(shù)值模擬)

分析圖18可知，Q-s曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，樁頂出現(xiàn)陡降，判定CFG樁的單樁極限承載力為300 kN，螺桿樁的單樁極限承載力為500 kN，螺桿樁單樁極限承載力比CFG樁高67%，提高比例與模型試驗(yàn)結(jié)果相一致。

數(shù)值模擬中幾何相似比Cl=10∶1，荷載特征與幾何特征滿足式( 1 )的相似關(guān)系。

( 1 )

式中：Cl為幾何相似常數(shù)，取Cl=10；CE為彈性模量相似常數(shù)，取CE=1；CF為集中荷載的相似常數(shù)，經(jīng)計(jì)算CF=100。

模型試驗(yàn)得到CFG樁單樁極限承載力為3 kN，螺桿樁單樁極限承載力為5 kN，本節(jié)數(shù)值模擬得到CFG樁的單樁極限承載力為300 kN，螺桿樁的單樁極限承載力為500 kN。在單樁極限承載力方面，數(shù)值計(jì)算與室內(nèi)模型試驗(yàn)符合相似條件，即CF=100，從而驗(yàn)證了模型試驗(yàn)的可靠性。

3.2.2 單樁樁身軸力分析

通過(guò)ANSYS三維有限元數(shù)值模擬分析，可以得到樁體在各截面位置處的應(yīng)力，進(jìn)而計(jì)算得到該截面樁身軸力。分別繪制CFG樁單樁軸力分布曲線、螺桿樁單樁軸力分布曲線，如圖19、圖20所示。

圖20 螺桿樁單樁軸力分布曲線(數(shù)值模擬)

分析圖19、圖20可知，CFG樁和螺桿樁樁身軸力均呈現(xiàn)出沿樁身深度方向逐漸減小的特征，螺桿樁在直桿段和螺桿段的變截面(深度3 m)處出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)。

3.2.3 單樁樁側(cè)摩阻力分析

分析圖21 CFG樁樁側(cè)摩阻力分布曲線可知，CFG樁樁側(cè)摩阻力沿樁深方向自上而下逐漸發(fā)揮，在中點(diǎn)處(深度約4.5 m)樁側(cè)摩阻力達(dá)到最大值，樁側(cè)摩阻力呈D形分布。分析圖22螺桿樁樁側(cè)摩阻力分布曲線可知，螺桿樁樁側(cè)摩阻力在直桿段與螺桿段變截面處產(chǎn)生劇烈的衰減，在變截面下方，樁側(cè)摩阻力又逐漸發(fā)揮。單樁樁側(cè)摩阻力的分布規(guī)律與模型試驗(yàn)所得結(jié)果一致。

圖21 CFG樁樁側(cè)摩阻力分布曲線(數(shù)值模擬)

圖22 螺桿樁樁側(cè)摩阻力分布曲線(數(shù)值模擬)

4 結(jié)論

(1)在相同樁徑和樁長(zhǎng)條件下，螺桿樁單樁極限承載力比CFG樁提高約67%。CFG樁樁身軸力沿樁長(zhǎng)逐漸減小，螺桿樁樁身軸力在直桿段與螺桿段的交界處有明顯拐點(diǎn)。

(2)螺桿樁單樁復(fù)合地基極限承載力比CFG樁提高約43%。螺桿樁樁土應(yīng)力比變化范圍為2.27～4.33，CFG樁樁土應(yīng)力比變化范圍為2.86～5.22，與CFG樁相比，螺桿樁能更好地調(diào)整樁間土承載力發(fā)揮效應(yīng)，提高復(fù)合地基承載力。

(3)螺桿樁復(fù)合地基中樁身軸力分布與單樁軸力分布相類似，與變截面樁的軸力傳遞規(guī)律相一致；CFG樁復(fù)合地基中樁身軸力分布與單樁軸力分布差異較大，樁身軸力沿深度先增大后減小，負(fù)摩阻區(qū)在復(fù)合地基頂部。

(4)對(duì)于螺桿樁復(fù)合地基，負(fù)摩阻區(qū)出現(xiàn)在直桿段與螺桿段交界點(diǎn)下方，因此，在工程設(shè)計(jì)、施工中應(yīng)注意變截面處的處理，以防止負(fù)摩阻力作用對(duì)樁體結(jié)構(gòu)的破壞。