變截面螺桿樁沉樁數(shù)值模擬

(揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 揚州 225127)

引言

2018年9月，在揚州西區(qū)進行勘探時，發(fā)現(xiàn)土層含有東部地區(qū)較少出現(xiàn)的中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，而普通灌注樁沉樁時間長，經(jīng)濟效益差，難以在巖層中成樁[2]。故專家組討論決定采用螺桿樁施工工藝，而在現(xiàn)場施工時，常規(guī)螺桿樁在穿越巖層時，鉆桿出現(xiàn)較大抖動，沉樁時間較長，待樁頂鉆入巖層后鉆桿穩(wěn)定，說明接觸巖層時，常規(guī)螺桿樁的鉆頭的螺紋端處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中和不穩(wěn)定的情況，等到成孔后這種情況得以緩解。施工完成后進行研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)螺桿樁(圖1樁型Ⅰ)鉆機進入土層(巖層)過程中，鉆頭處螺紋段會發(fā)生較大的應(yīng)力集中，所以改變樁頭段螺紋形式，對于提升螺桿樁施工過程中的穩(wěn)定性，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象有著重要意義，本文根據(jù)前人研究就經(jīng)驗所得，現(xiàn)將螺紋段樁頭設(shè)計改變?yōu)闈u變形式(圖1)，通過PFC2D離散元模擬研究以及模型槽實驗等進行差異化研究，得出不同樁型在砂土-巖石情況下的和沉樁過程中樁身接觸應(yīng)力的分配。為控制變量，僅將樁頭處螺紋進行改變，常規(guī)螺紋段尺寸仍保持不變。

一、初始模型

本次模擬采用PFC2D軟件進行。利用wall命令建立Ⅰ個0.8m×1.5m模型箱和1m長螺桿樁，在封閉空間內(nèi)按照篩分實驗所得的顆粒級配曲線生成約17500個顆粒，顆粒個數(shù)由目標孔隙率控制，其初始顆粒模型與級配曲線如圖4所示,其中曲線1為篩分實驗所得級配曲線，曲線2為模擬軟件生成的級配曲線。

二、沉貫阻力

在沉慣過程中，樁身所受到應(yīng)力分布將直接決定成樁質(zhì)量，影響樁身配筋方式。所以，我們通過對樁身不同點進行監(jiān)測，得出了在沉慣過程中樁身不同點的接觸力大小，首先是主要監(jiān)測點2、3、4(圖6)所示為沉貫過程中螺紋接觸力與貫入量變化曲線，曲線變化可以分為三個階段：0～0.5m階段為線性增長，接觸應(yīng)力增長到2.13×103n時開始放緩，0.5m～0.8m增長幅度減小，0.8m之后嵌入巖石，接觸力迅速增長。最終接觸力最大可到達1.79×104n。對于樁型Ⅰ來說，由于螺紋長度較長，在刺入土體成孔時，所擠密的顆粒更多，受到的接觸力更大，但是當(dāng)螺紋2成孔后，螺紋3、4刺入土體所受到的接觸力卻小于螺紋2，螺紋3受到的力占螺紋2的百分之90左右，螺紋4占百分之60左右。這是符合規(guī)律的，說明成孔后土體受到了擾動，使得后續(xù)螺紋貫入受到的阻力減小，但也說明了樁頭產(chǎn)生了應(yīng)力集中，隨后減緩。在樁型Ⅱ中，監(jiān)測點2由于其短螺紋所受到的力遠小于其余監(jiān)測點，而監(jiān)測點3、4的接觸力卻有所提高，監(jiān)測點3在砂性土中接觸力為監(jiān)測點2的1.2倍左右，監(jiān)測點4為點2的1.3倍左右，說明漸變螺紋在控制貫入阻力分配方面是非常有效的，過程為短螺紋先開孔，然后長螺紋擴大孔徑。但是當(dāng)刺入巖石層后，監(jiān)測點4的接觸力卻迅速增長到了點2點3的2倍左右，與樁型Ⅲ進行對比，樁型Ⅲ在砂性土中與樁型Ⅱ所受到的接觸力區(qū)別不大，接觸力增長曲線也相似，但是在巖石層中，樁型Ⅲ帶傾角的螺紋優(yōu)勢便體現(xiàn)出來，三個監(jiān)測點的應(yīng)力增長速度相近，沉貫完成的最終的接觸力三個點也僅相差百分之十左右，這表明帶傾角螺紋在強粘聚力的土層如中風(fēng)化巖層中，成孔過程中產(chǎn)生側(cè)向壓力，雖然這會導(dǎo)致螺紋在成孔時所受到的接觸應(yīng)力稍大，但是對于后續(xù)螺紋擴大孔徑時所受到的接觸力分配有著良好的影響，接觸力分配也是逐步遞增而非突變。而在中低密砂土及軟弱土中，樁型Ⅱ與樁型Ⅲ的受力并無巨大區(qū)別，所以在密實度較低的土體中，不需要對螺桿樁螺紋形狀進行特殊處理。

而對于監(jiān)測點1(圖5)來說，樁頭在刺入土體后,所受到的力呈現(xiàn)先緩慢增長，然后刺入巖石后快速增長的規(guī)律，而不同樁樁頭所受到的力受后續(xù)螺紋成孔的影響，呈現(xiàn)細微的區(qū)別，在砂土中，橫向?qū)Ρ热N樁的樁端接觸應(yīng)力差值波動在百分之五左右，而刺入巖石后至沉貫完成后接觸應(yīng)力差距提高到百分之10屬于正?，F(xiàn)象，這也說明后續(xù)螺紋的改變對與端頭受力影響較小，可以忽略不計，但值得注意的是，在刺入巖石時(y=0.825m)的時候，樁Ⅰ與樁Ⅲ提升到百分之15，樁Ⅱ與樁Ⅲ差值提高到百分之17，然后迅速回落，回落到百分之10左右。分析原因這是由于螺紋成孔時提高了沉貫阻力，提高了樁端下沉阻力，而在成孔完成后阻力減小，便又回落到了正常數(shù)值。所以在穿越不同土層的時候，要適當(dāng)減小沉貫速度以減小樁體受到的應(yīng)力集中。

而對于監(jiān)測點5、6、7(圖7)來說，應(yīng)力增長呈現(xiàn)為線性增長，而且不同于其余監(jiān)測點，當(dāng)y>0.8m后也就是樁體在刺入巖石后并沒有出現(xiàn)應(yīng)力快速增長的現(xiàn)象，這說明了樁體在巖石中成孔后，孔內(nèi)灌入砂土[3]，此時螺紋僅需要克服砂土剪切力向下位移，減小了后續(xù)樁身沉貫所受到的應(yīng)力，此時樁身受到的力僅為被動土壓力。土體在沉樁過程中受到了擾動，對樁身螺紋的阻力也相應(yīng)的減小。這也從側(cè)面說明了在沉貫過程中的最大應(yīng)力集中點發(fā)生在樁體對原狀土進行成孔的位置。

監(jiān)測點7(圖7)表現(xiàn)為直桿段在土體中的應(yīng)力增長曲線，其應(yīng)力所占比重大約為常規(guī)螺紋的0.3-0.7倍，螺紋段所受阻力比直桿段更大，這也從側(cè)面說明螺紋段比直桿段所擠密土體的效果更加好，樁與樁周土所能共同提供的承載力也更大，大概在1.4-2.2倍左右，這與學(xué)者徐佩洪[4]在的結(jié)論是一致的,同截面尺寸下的螺桿樁單樁承載力約為灌注樁的1.7[5]倍左右，在加載作用下受到的荷載約為灌注樁的1.9倍左右。

三、結(jié)論

1.變截面螺紋對螺桿樁在沉貫過程中的應(yīng)力分配有著重要影響，樁頭處螺紋形式及長度會影響刺入土體時樁身的應(yīng)力分配。

2.螺紋段相對于直桿段來說，在施工過程中所受的力更大，大約為1.4～2.2倍左右。

3.在低密砂土體情況中，螺紋的形式并不會明顯影響接觸應(yīng)力的大小，反倒是螺紋長度對樁身的應(yīng)力集中現(xiàn)象有著明顯的影響。螺紋長度越長，帶動的顆粒下沉越多，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。

4.在巖石層中，螺紋的形式會影響樁身的應(yīng)力分配，帶傾角的螺紋能夠避免應(yīng)力突變現(xiàn)象，使得樁身在沉貫過程中，樁身所受到接觸力是逐級遞增，且逐級遞增幅度為百分之20左右，應(yīng)力分配均勻。