砂土中鋼管螺旋樁安裝扭矩的研究

張新春,何澤群,董思捷,朱 昂

(華北電力大學 機械工程系,河北 保定 071003)

由于具有快速安裝、施工周期短、不污染環(huán)境、可在各種氣候及地質(zhì)條件下施工、可二次回收利用等優(yōu)點,螺旋樁基礎(chǔ)被廣泛應(yīng)用于各種巖土工程中.然而,螺旋樁在安裝時必須借助特殊的工程機械施加安裝扭矩才能將其旋入土層中,這就不可避免地要涉及螺旋樁的安裝扭矩.選擇功率過大的施工設(shè)備可能會導致螺旋樁體的損壞;相反,過低的安裝扭矩可能會導致施工設(shè)備無法完成螺旋樁的安裝,甚至導致土體發(fā)生擾動.因此,研究鋼管螺旋樁的安裝扭矩對于特殊工程機械高效安裝具有重要的工程應(yīng)用價值.

目前,關(guān)于螺旋樁承載特性和安裝扭矩的大量研究已展開.在螺旋樁承載特性方面,Mohajerani等[1]根據(jù)螺旋樁承載力的要求,對現(xiàn)有的螺旋樁設(shè)計方法進行了比較;郝冬雪等[2]對砂土中螺旋錨的上拔承載力做了模型實驗分析;張新春等[3]提出了一種葉片可伸縮的鋼管螺旋樁結(jié)構(gòu),具體研究螺旋樁各結(jié)構(gòu)參數(shù)對承載能力的影響;Elkasabgy等[4]討論了螺旋樁打入黏土地基中的軸向壓縮響應(yīng),發(fā)現(xiàn)螺旋樁安裝過程中土壤的擾動對樁的承載性能和破壞機理有重要影響.在螺旋樁安裝扭矩方面,為了保證螺旋樁穩(wěn)定地推進,可以在樁身上施加一定的軸向擠壓力.然而,Perko[5]卻指出在安裝期間通常不測量擠壓力,因為在螺旋樁安裝過程中所施加的擠壓力相對于扭矩力來說是很小的,可忽略不計;Nagai等[6]研究了螺旋樁安裝方式對其承載性能的影響,發(fā)現(xiàn)螺旋樁的抗拔力是由安裝過程中樁體附近的土壓力變化而確定的;Sakr[7]分析了砂土中螺旋樁安裝扭矩與軸向承載力的關(guān)系,并且通過實驗驗證理論模型的可靠性;Wada等[8]為了評估螺旋樁的承載力,進行了軸向壓縮和抗拔實驗,重點研究樁的安裝扭矩和軸身阻力.但目前對螺旋樁上拔承載特性的研究主要集中于安裝后的上拔過程,很少關(guān)注安裝過程,大多數(shù)是把螺旋樁直接埋入地基中而測量上拔力,也不考慮安裝時的土體擾動問題,而安裝模式的不同對上拔力有決定性的影響.因此，對螺旋樁安裝扭矩的研究亟需展開.

本文首先給出了螺旋樁安裝扭矩的理論公式,引入螺旋進給率考慮安裝過程中對土體的破壞和擾動,通過扭矩系數(shù)將安裝扭矩與螺旋樁承載力相關(guān)聯(lián).為了驗證螺旋樁安裝扭矩公式和扭矩系數(shù)的可靠性以及土體擾動的影響,還進行了現(xiàn)場模型實驗.本文的研究對砂土中鋼管螺旋樁安裝設(shè)計方法提供了理論參考.

1 螺旋樁安裝扭矩模型及扭矩系數(shù)

1.1 安裝扭矩理論計算

鋼管螺旋樁安裝扭矩模型如圖1所示,主要假設(shè)條件:① 在安裝過程中,忽略施加在樁上的擠壓力;② 在樁安裝期間抵抗扭矩與樁頭驅(qū)動器的速度無關(guān),因為使用高安裝速度會增加測量的扭矩讀數(shù);③ 假設(shè)沿著螺旋樁完整安裝深度的土壤層是均勻的、各向同性的;④ 螺旋葉片所形成的破壞體為圓柱體;⑤對于多葉片螺旋樁,下螺旋處的有效應(yīng)力等于土壤有效單位重量乘以螺旋間距的總和.

螺旋樁安裝期間施加的扭矩為

以上公式解釋如下:

(1) 砂土的被動側(cè)向土壓力P1施加在樁身上,該力具有兩個分量P1x和P1y.第1個分量作用在軸上產(chǎn)生抵抗其旋轉(zhuǎn)的力矩T1,而第2個分量作用在螺旋葉片上產(chǎn)生摩擦力矩T2.

(2) 當被動側(cè)向土壓力P2作用在以螺旋葉片外圍為直徑的樁土界面圓柱上,該力由于螺旋樁對砂土層造成的局部壓實作用而產(chǎn)生.P2有兩個分量P2x和P2y.第1個分量不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)阻力,第2個分量為作用在螺旋葉片上產(chǎn)生摩擦力矩T3.

(3) 由于螺旋樁的向下推進,施加在螺旋葉片上表面的主動土壓力和施加在螺旋葉片下表面的被動土壓力分別在上部、下部葉片的表面產(chǎn)生摩擦阻力,導致在接觸瞬間產(chǎn)生抵抗扭矩T4和T5.

(4) 被動側(cè)向土壓力引起的推力F施加在葉片螺距與葉片外圍周長組成的葉片傾斜面上,抵抗砂土對葉片的壓力,從而產(chǎn)生抵抗扭矩T6來阻止螺旋樁的旋轉(zhuǎn).

(5) 施加在螺旋葉片外周上的力，因葉片厚度而與周圍砂土產(chǎn)生摩擦阻力,故產(chǎn)生摩擦阻力矩T7.

圖1 砂土中螺旋樁安裝扭矩受力分析Fig.1 Force analysis of screw pile installation in sand

1.2 安裝過程的土體擾動

螺旋樁在土壤中旋轉(zhuǎn)時,對土體的破壞和擾動主要有3種[9]:第1種是切片,旋轉(zhuǎn)的葉片把圓形土柱切成螺旋形薄片;第2種是壓縮,葉片對后部土體的推動力和前部土體對葉片的抵抗力,使土體受到壓縮;第3種是摩擦旋轉(zhuǎn),由于葉片和樁身的旋轉(zhuǎn),帶動一部分土體旋轉(zhuǎn),造成這部分土體與靜止土體之間的破壞.第2種和第3種破壞模式如圖2所示.

圖2 安裝過程造成的土體擾動破壞示意圖Fig.2 Schematic diagram of soil disturbance caused by installation

本文對土體的擾動采用第2種破壞模型,引入螺旋進給率用以考慮安裝過程中對土體的破壞和擾動，即

(13)

式中:p為螺距;L為螺旋樁旋入的豎向位移;n為旋入L豎向位移后的旋轉(zhuǎn)圈數(shù).

1.3 扭矩系數(shù)

大量實驗表明,安裝扭矩與承載力近似線性相關(guān),工程中常利用兩者之間的關(guān)系定義扭矩系數(shù)并用于判斷承載力是否滿足要求.Livneh等[10]指出,這種相關(guān)性在該領(lǐng)域一直使用,其理論依據(jù)為安裝扭矩是克服土壤抗剪強度所需能量的量度,因此，與樁承載能力密切相關(guān).

實驗中,忽略螺旋樁樁身與砂土的摩擦,僅研究葉片的安裝扭矩與承載力的關(guān)系,螺旋樁葉片的受力分析如圖3所示.每層葉片受抵抗扭矩Thi以及與周圍土的界面摩擦力fi,當土塊在葉片傾斜面上移動時,每層葉片向下的壓力Qhi的總和即為葉片抗拔承載力.

圖3 螺旋樁葉片受力分析Fig.3 Force analysis of screw pile blades

對土塊在葉片傾斜面上的運動,類似于在以螺距為高、等效中徑為底邊的斜面上運動,這里的等效中徑類比于螺紋中徑.而抵抗扭矩以土塊對葉片的推力為扭力,等效中徑的一半為力臂得

式中:p為螺距;Qhi為第i層葉片承載力;Thi為第i層葉片抵抗扭矩;fi為第i層葉片與周圍土的界面摩擦力;dc為等效中徑;ψ′為螺旋葉片等效升角,ψ′=tan[p/(πdc)];F′為土塊對葉片向下旋進時的推力.

2 鋼管螺旋樁模型實驗

2.1 砂箱制備

砂箱由Q345鋼板制成,板厚為3 mm,頂面不封閉,3個側(cè)面和底面封閉.實驗砂箱長×寬×高=500 mm×500 mm×1 000 mm,水平方向大于樁徑20倍,可忽略邊界效應(yīng)[11].將砂土分批填入砂箱中,砂土逐層振搗后,放置7 d再進行實驗.砂土的物理特性指標為:比重Gs=2.68,中值粒徑d50=0.17 mm,不均勻系數(shù)Cu=1.61,曲率系數(shù)Cc=0.93,dmax=1.772 g/cm3,dmin=1.462 g/cm3,砂土內(nèi)摩擦角為36°.

2.2 鋼管螺旋樁模型制備

螺旋樁模型幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示,e為最下層葉片到樁底之間的距離.為了研究葉片螺距與直徑比值p/D對安裝扭矩的影響以及安裝扭矩與抗拔承載力之間的關(guān)系,共設(shè)計了4根模型試驗樁P-1～P-4,具體參數(shù)如表1所示.通過改變?nèi)~片埋深H、葉片直徑D,控制螺旋樁結(jié)構(gòu),其他參數(shù)均保持相同.

圖4 實驗螺旋樁模型幾何結(jié)構(gòu)Fig.4 Experimental screw pile model geometric structure

表1 螺旋樁樁型結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Screw pile structure parameters mm

為保證強度和剛度的要求,螺旋樁采用鋼材加工而成.在加工過程中,焊接時要求葉片拉伸的開口方向一致,旋向一致,并且在鋼管樁身指定的葉片間距處焊接,葉片傾角為90°,樁端切成45°楔形.樁身表面光滑,假定樁身與砂土間摩擦不計.葉片厚度和鋼管壁厚均為2 mm,樁頂鉆通孔,設(shè)計樁帽配合扭矩扳手,結(jié)合定位裝置,便于旋入土中和讀取安裝扭矩.葉片表面以及焊縫處均打磨,焊縫強度滿足要求.模型螺旋樁實物如圖5所示.

2.3 扭矩、上拔力加載及測量方式

由于安裝扭矩隨深度逐漸加大,前期變化較小,且扭矩數(shù)值較小,所以施加方式前期固定為5圈快速安裝,后期變?yōu)?～2圈逐步加載,利用定制的樁套配合扭矩扳手的套筒,結(jié)合定位裝置施加扭矩,利用扭矩扳手讀取扭矩.

圖5 螺旋樁實驗?zāi)Ｐ虵ig.5 Screw pile test models

施加上拔力荷載實驗方式采用快速維持荷載法加載,用手動葫蘆滑輪配合彈簧等工件及測力機構(gòu)施加豎向拉力荷載,等時間段近似等載荷加載,位移陡增時,每次加載的載荷減半.樁頂?shù)奈灰谱兓ㄟ^位移計讀取.鋼管螺旋樁安裝扭矩和上拔力加載實驗裝置分別如圖6和圖7所示.

圖6 扭矩實驗裝置Fig.6 Torque test device

圖7 承載實驗裝置Fig.7 Load test device diagram

3 理論與實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 螺旋樁安裝扭矩

螺旋樁安裝扭矩實驗采用試件P-1～P-4,樁徑和螺距均為25 mm,4個試件的葉片外伸直徑分別為50,75,100和125 mm.根據(jù)式(1)～式(8),可得到對應(yīng)深度的安裝扭矩理論計算值.圖8給出了砂土中不同葉片直徑安裝扭矩實驗值與理論值比較.表2給了兩者之間的誤差,安裝扭矩理論值和實驗值誤差范圍在20%以內(nèi),從而證明了安裝扭矩理論公式的正確性.

圖8 不同葉片直徑安裝扭矩實驗值與理論值對比Fig.8 Experimental and theoretical values of installation torque for screw piles with different blade diameters

圖8中指出:隨著葉片直徑的增加,安裝扭矩相應(yīng)增加;對于葉片直徑相同的試件,當旋入深度較小時,安裝扭矩實驗值與理論值誤差較小;當旋入一定深度后,土體擾動影響較為明顯;當樁身旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定,安裝扭矩趨于穩(wěn)定,實驗值與理論值也相差不大.與式(1)對比,當忽略較小的抵抗扭矩后,保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變?nèi)~片直徑,安裝扭矩應(yīng)該與葉片直徑呈現(xiàn)正相關(guān).值得注意的是,當p/D逐漸減小時,擾動相對較小,實驗值與理論值吻合較好.

表2 螺旋樁安裝扭矩實驗值與理論值比較Tab.2 Comparison between experimental and theoretical values of installation torque for screw piles

通過安裝扭矩實驗值與理論值的對比,發(fā)現(xiàn)當螺旋樁安裝過程中擾動較小時,所得實驗誤差較小,實驗曲線突然的拐點是由于螺旋樁對土體擾動造成的.

3.2 安裝擾動分析

根據(jù)式(13),圖9給出了螺旋進給率與p/D間的關(guān)系.由圖9中可見:當p/D≥0.33時,螺旋進給率陡降,土體壓縮程度較大;當p/D在0.2～0.3附近,螺旋進給率變化不大,其值接近于1.通過以上分析可知,葉片螺距不宜過大,并且p/D不宜大于0.5.由于存在前兩種破壞模式,葉片螺距不宜太小,所以p/D宜取0.2～0.3.

圖9 螺旋進給率與p/D間的關(guān)系Fig.9 Relationship between screw feed rate and p/D

3.3 扭矩系數(shù)分析

表3 螺旋樁扭矩系數(shù)實驗值與理論值Tab.3 Experimental and theoretical values of torque coefficient for screw piles

4 結(jié)論

(1) 鋼管螺旋樁的安裝扭矩與樁型結(jié)構(gòu)、埋深有關(guān),安裝扭矩對葉片直徑比較敏感,葉片直徑越大,安裝扭矩越大;

(2) 隨著p/D的增加,螺旋進給率先增加后減小,當p/D位于0.2～0.3時,螺旋進給率達到最大值,砂土中鋼管螺旋樁的安裝擾動性較小;

(3) 安裝扭矩與上拔承載力呈線性相關(guān),安裝扭矩系數(shù)實驗值和理論值之間的誤差可控制在20%以內(nèi),在工程應(yīng)用允許范圍內(nèi),可利用安裝扭矩準確預(yù)測鋼管螺旋樁的上拔承載力.