鋼螺桿錨樁抗拔承載力計(jì)算方法研究*

楊 軍, 吳建良, 周治國(guó), 陳放鳴, 高柏輝

(1 廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，廣州 510520；2 廣東省裝配式地下結(jié)構(gòu)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510520；3 湖南理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，岳陽 414000；4 卓典高麥高科技(廣東)有限公司，廣州 511450)

0 引言

隨著我國(guó)傳統(tǒng)工程建設(shè)模式逐漸向綠色、低碳和可持續(xù)方向轉(zhuǎn)變,為更加充分地發(fā)揮巖土體的承載能力,異形截面樁在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用逐年遞增。螺桿樁是一種樁身強(qiáng)度高、施工快捷且無污染的變截面樁,由于施工過程完全擠土且始終保持樁側(cè)土體成螺紋形,其豎向抗壓和抗拔承載力均較直桿樁有不少提高。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)螺旋樁受荷承載特性開展了較為深入的理論和試驗(yàn)研究。Srijaroen等[1]依托現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探討了水泥土螺桿樁的豎向抗壓承載機(jī)理,并建立了軟黏土中該樁型的承載力計(jì)算方法。Malik等[2]開展了螺旋樁單調(diào)和循環(huán)荷載作用下的室內(nèi)模型試驗(yàn),獲得了螺旋板直徑對(duì)螺旋樁承載力的影響規(guī)律,并建立了螺旋板下土體極限承載力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。Sharif等[3]采用離散元法研究了螺旋樁推進(jìn)比對(duì)樁體施工阻力和承載能力的影響,并評(píng)估了經(jīng)驗(yàn)扭矩-承載力相關(guān)系數(shù)對(duì)大直徑螺旋樁的適用性,通過改進(jìn)螺紋構(gòu)造,降低了螺桿樁旋入扭矩。Cerfontaine等[4]采用離散單元法模擬螺旋樁施工過程中復(fù)雜土體性狀變化規(guī)律,深入分析了土體顆粒尺寸、樁貫入率等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。Stephen等[5]在冰磧黏土中進(jìn)行了2×2螺旋群樁和單樁的現(xiàn)場(chǎng)受壓載荷試驗(yàn),分析了樁間距、螺旋間距等因素對(duì)群樁承載力的影響。Ho等[6]通過數(shù)值和模型試驗(yàn)探討了砂土中螺旋葉片彎曲變形對(duì)端部承載力的影響、螺旋下土壓分布以及螺旋樁周圍土體變形規(guī)律,發(fā)現(xiàn)單樁承載力隨螺旋葉片撓度的增加呈線性下降趨勢(shì)。在國(guó)內(nèi),陳亞東等[7-8]采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究螺桿樁豎向受壓承載特性和樁周土體變形漸進(jìn)性發(fā)展規(guī)律,發(fā)現(xiàn)螺桿樁整體承載力較等直徑直桿單樁可提高30%。左宏亮等[9]通過對(duì)螺桿灌注樁的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,建立了不同土質(zhì)情況下螺桿灌注樁單樁豎向極限承載力計(jì)算公式。高建中等[10]通過延安新區(qū)螺桿灌注樁的靜載試驗(yàn),對(duì)濕陷性黃土場(chǎng)地的螺桿灌注樁承載特性進(jìn)行了研究。葉陽升等[11]結(jié)合某高速鐵路螺桿樁復(fù)合地基工程,開展螺桿樁復(fù)合地基原位測(cè)試試驗(yàn),研究了螺桿樁側(cè)摩阻力演化規(guī)律及螺桿樁荷載傳遞過程。馮浙[12]、王曙光等[13]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和圖像處理技術(shù)獲得了螺桿樁和直桿樁的破壞形態(tài),并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其承載機(jī)理和承載力計(jì)算公式進(jìn)行探討。金順利[14]采用有限元方法對(duì)比分析螺桿樁群樁和直桿樁群樁的承載特性和承載機(jī)理差異,提出同等情況下螺桿樁群樁基礎(chǔ)比直桿樁群樁基礎(chǔ)具有更好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和承載性能。

綜上可知,已有研究成果主要是圍繞螺桿灌注樁的承載機(jī)理展開研究。近年來,一些地區(qū)開始采用鋼螺桿作為錨樁,將其與鋼梁等結(jié)構(gòu)組合成裝配式系統(tǒng),為基樁靜載試驗(yàn)提供反力。鋼螺桿樁施工代替堆載試塊運(yùn)輸和吊裝,現(xiàn)場(chǎng)裝拆便捷高效,相比傳統(tǒng)堆載試驗(yàn)法可節(jié)省30%以上的成本,應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分明顯[15-16]。然而,關(guān)于鋼螺桿樁承載理論的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐,關(guān)于該樁型承載機(jī)理的研究工作鮮見報(bào)道,僅少數(shù)文獻(xiàn)對(duì)其工程應(yīng)用問題進(jìn)行了探討。筆者通過現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),螺桿樁抗拔力發(fā)揮存在不可逆性,即當(dāng)樁土界面產(chǎn)生一定相對(duì)位移后,若螺桿樁極限抗拔力不滿足最大加載量要求,現(xiàn)場(chǎng)暫停試驗(yàn)或卸載后再加載,樁側(cè)抗拔摩阻力將顯著低于初次加載值,從而導(dǎo)致靜載試驗(yàn)失效。因此,為避免基樁靜荷載試驗(yàn)因錨固樁抗拔力不足情況的發(fā)生,建立鋼螺桿錨樁抗拔力公式,根據(jù)場(chǎng)地地層參數(shù)估算其單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值具有重要意義。

本文首先介紹基于鋼螺桿錨樁法的基樁靜載試驗(yàn)實(shí)施過程,基于已完成的鋼螺桿錨樁現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)和場(chǎng)地工程地質(zhì)勘察資料,研究土質(zhì)條件、樁長(zhǎng)及直徑等對(duì)鋼螺桿樁抗拔性能的影響,探討該類樁型的抗拔承載機(jī)理。然后,基于我國(guó)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[17]推薦的直桿樁樁側(cè)抗拔摩阻力取值,建立與螺桿樁抗拔摩阻力的相關(guān)關(guān)系,給出不同類型土體的樁側(cè)抗拔摩阻力提高系數(shù)。最后建立鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力計(jì)算方法,并通過其單樁抗拔靜載試樁進(jìn)行驗(yàn)證。

1 鋼螺桿錨樁靜載試驗(yàn)方法

鋼螺桿錨樁(圖1)由專用機(jī)械旋壓進(jìn)入土層。螺紋桿是螺桿樁成樁的重要構(gòu)件,主要用于鉆孔擠土形成螺紋樁孔位,螺牙截面為梯形或三角形。

圖1 鋼螺桿錨樁實(shí)物照

鋼螺桿是在20mm壁厚的外徑300mm鋼管上焊接螺距約250mm的螺紋板,鋼螺桿的外徑通常有400mm和600mm兩種規(guī)格。鋼螺桿樁宜采用直徑400mm全螺紋樁,適用于砂質(zhì)黏性土、坡積黏土、風(fēng)化殘積土,且厚度大于5.0m的地層。

現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)過程包括以下步驟:

(1)設(shè)備入場(chǎng)時(shí),采用汽車吊將螺桿鉆機(jī)、螺桿進(jìn)行吊裝,堆放在測(cè)試場(chǎng)地上。

(2)鋼螺桿錨樁的施工采用轉(zhuǎn)速12轉(zhuǎn)/min、扭矩400kN·m的螺桿樁機(jī),如圖2所示,可確保鋼管轉(zhuǎn)一圈入土深度等同25cm螺距,保證樁周土體結(jié)構(gòu)完整。每段螺桿長(zhǎng)度6m,可根據(jù)需要進(jìn)行接長(zhǎng)。施工到錨樁機(jī)最大扭力的90%時(shí)停機(jī)終止鉆進(jìn)。

圖2 鋼螺桿樁施工裝備

(3)鋼螺桿錨樁一般以試驗(yàn)樁為中心對(duì)稱布置,也可在試驗(yàn)樁旁進(jìn)行杠桿式反力加載法布置[9]。鋼螺桿錨樁與反力裝置平臺(tái)采用螺紋精鋼連接。

(4)靜載試樁過程按照《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)進(jìn)行,同時(shí)監(jiān)測(cè)鋼螺桿錨樁在試驗(yàn)中的上拔量,上拔量不宜超過20mm。

(5)靜載試驗(yàn)完成后,反轉(zhuǎn)螺桿取出鋼螺桿,采用最低轉(zhuǎn)速并逐步加大扭力達(dá)到額定值,暫停扭轉(zhuǎn)之后再重復(fù)上述反扭操作,讓螺桿與地基土之間的接觸阻力逐步降低,通過循環(huán)擰松將鋼螺桿拔出并回填鉆孔。

2 鋼螺桿錨樁現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)

為獲得多種地層條件鋼螺桿錨樁抗拔承載力數(shù)據(jù)資料,課題組依托廣州多個(gè)工程項(xiàng)目開展鋼螺桿錨樁靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地主要地質(zhì)情況描述參見表1。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)情況

由表1可見,場(chǎng)地1～4均屬于典型的分層土地基,樁周土層最大標(biāo)貫擊數(shù)不超過40,土體總體呈上軟下硬分布,鋼螺桿能穿過上述土層并順利成螺。

圖3為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用的鋼螺桿錨樁樁徑包括400mm和600mm兩種規(guī)格,進(jìn)入土層段均為全螺紋段,樁端土層類型包括淤泥質(zhì)土、砂質(zhì)黏土層、砂層和全風(fēng)化花崗巖層。

圖3 鋼螺桿錨樁抗拔試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為不同類別場(chǎng)地中入土深度15m的鋼螺錨桿錨樁上拔荷載-上拔位移關(guān)系曲線?？梢钥闯?鋼螺桿錨樁抗拔力由小到大對(duì)應(yīng)的樁端土類型依次為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土(砂性土)和全風(fēng)化花崗巖,說明場(chǎng)地土質(zhì)條件越好,鋼螺桿錨樁抗拔承載力越高;當(dāng)鋼螺桿錨樁上拔位移小于10mm時(shí),基本處于受荷線彈性變形階段。

圖4 試驗(yàn)樁上拔荷載-上拔位移關(guān)系曲線

圖5為場(chǎng)地2中鋼螺桿錨樁樁長(zhǎng)與單位樁長(zhǎng)抗拔承載力及抗拔剛度關(guān)系柱狀圖。由圖5可見,隨著鋼螺桿錨樁下部樁段進(jìn)入深部硬土層,樁側(cè)土體對(duì)樁身抗拔力的貢獻(xiàn)水平增加,故單位樁長(zhǎng)抗拔承載力與樁長(zhǎng)總體呈正相關(guān)關(guān)系。取各樁上拔位移量10mm,其對(duì)應(yīng)的單樁抗拔剛度同樣隨樁長(zhǎng)增加而提高。由此可知,對(duì)于上軟下硬這類典型地層,在滿足鋼螺桿錨樁鉆入和成螺的前提下,適當(dāng)增加樁長(zhǎng)并進(jìn)入較好土層能夠有效提高單樁抗拔承載力。

圖5 樁長(zhǎng)與抗拔承載力及剛度的關(guān)系

直徑400mm鋼螺桿錨樁的外周長(zhǎng)為1 256mm,直徑600mm鋼螺桿錨樁的外周長(zhǎng)為1 884mm,后者樁側(cè)土接觸面積超過前者約50%。圖6給出了兩種直徑鋼螺桿錨樁達(dá)到極限狀態(tài)時(shí),在淤泥質(zhì)土(對(duì)應(yīng)樁長(zhǎng)12mm)、粉質(zhì)黏土(對(duì)應(yīng)樁長(zhǎng)15mm)和砂性土(對(duì)應(yīng)樁長(zhǎng)18mm)地層中的鋼螺桿錨樁樁側(cè)單位抗拔摩阻力(單樁抗拔承載力/樁側(cè)總面積)?？梢钥闯?兩種直徑鋼螺桿錨樁的單位抗拔摩阻力總體接近,通過增大螺紋直徑(樁徑)并未明顯提高鋼螺桿錨樁的單位抗拔摩阻力,推測(cè)這與400mm樁徑施工時(shí)更易實(shí)現(xiàn)等螺距同步鉆進(jìn),對(duì)土體結(jié)構(gòu)擠壓和擾動(dòng)相對(duì)更小有關(guān)。

圖6 不同直徑、不同樁長(zhǎng)鋼螺桿錨樁的單位抗拔摩阻力

4 鋼螺桿錨樁工作機(jī)理

采用螺樁機(jī)施工鋼螺桿錨樁,為樁基承載力靜載試驗(yàn)提供反力,在國(guó)內(nèi)外樁基檢測(cè)領(lǐng)域尚無成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,鋼螺桿錨樁鉆進(jìn)時(shí),螺桿轉(zhuǎn)速與鉆入速度同步是保證樁周土體承載力的關(guān)鍵。隨著鉆入深度增加,地層硬度和抗力也增加。若螺桿轉(zhuǎn)速與鉆入速度不同步,土層中螺紋將受擾動(dòng)破壞,無法為螺桿樁提供足夠錨力。

鋼螺桿錨樁抗拔承載性能發(fā)揮主要依靠樁側(cè)土體對(duì)樁體的約束作用。由于鋼螺桿錨樁自身剛度大,樁體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)樁身螺牙擠壓上部土體,螺牙影響區(qū)域內(nèi)土體在機(jī)械咬合和擠密作用下與樁體共同移動(dòng),并與周圍土體產(chǎn)生相對(duì)剪切滑移。當(dāng)樁頂上拔力逐漸接近峰值時(shí),樁側(cè)破壞面平均直徑大于螺牙外徑,樁側(cè)土界面作用應(yīng)力將超過傳統(tǒng)直桿樁界面抗拔摩阻力,這與螺桿灌注樁豎向抗拔試驗(yàn)研究結(jié)論基本一致[13]。換句話說,鋼螺桿錨樁抗拔阻力表現(xiàn)為樁周各層土體的抗剪強(qiáng)度大小(與土性相關(guān))和發(fā)揮程度(與位移有關(guān)),土體抗剪強(qiáng)度往往大于樁土界面的摩擦阻力,故該類樁的抗拔力較直桿樁提高更顯著。

5 鋼螺桿錨樁抗拔承載力計(jì)算公式

根據(jù)文獻(xiàn)[7-8,12-13]開展的螺旋樁室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果,本文假定鋼螺桿錨樁進(jìn)入極限承載狀態(tài)后,樁與土沿著樁螺旋外徑界面產(chǎn)生相對(duì)滑移。樁自重相對(duì)其抗拔承載力較小(6m長(zhǎng)螺旋樁段質(zhì)量約16t),分析時(shí)不考慮樁重量。鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力Q計(jì)算公式為:

Q=u∑βiqili

(1)

式中:qi為第i層土的極限抗拔摩阻力;li為螺桿樁接觸第i層土的厚度;u為螺桿樁周長(zhǎng);βi為抗拔摩阻力提高系數(shù)。

我國(guó)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)對(duì)于樁側(cè)摩阻力不區(qū)分向上或向下,故各類土層qi值均依據(jù)該規(guī)范取值。螺桿樁旋入土體對(duì)周圍土體有擠密效應(yīng),能較好地保持樁側(cè)土體結(jié)構(gòu),提高樁側(cè)土體界面摩擦系數(shù),本文將該有利因素定義為抗拔摩阻力提高系數(shù)βi。

為確?？拱纬休d力推算值具有一定的安全儲(chǔ)備,抗拔摩阻力提高系數(shù)βi通過以下方法計(jì)算:

(1)根據(jù)地質(zhì)資料給定樁側(cè)各土層qi值,初次計(jì)算取《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)推薦范圍的最大值。

(2)將樁側(cè)土層qi按照數(shù)值大小分為qi≤50kPa、50kPa85kPa四個(gè)區(qū)間,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),假定上述各區(qū)間βi值。土體越密實(shí),βi值越大;松散和軟弱土的βi值較小。

(3)采用各土層βi值計(jì)算單樁抗拔承載力,將抗拔承載力計(jì)算值和實(shí)測(cè)抗拔承載值進(jìn)行對(duì)比。若前者超過后者,則調(diào)整各類土的βi值重新計(jì)算,直至抗拔承載力計(jì)算值不超過實(shí)測(cè)抗拔承載力值,結(jié)束計(jì)算。

(4)通過上述步驟獲得不同強(qiáng)度土層的βi值。從偏于安全考慮,軟弱土層的βi值取1.0。表2為依據(jù)上述方法得到的各類土層抗拔摩阻力提高系數(shù)βi值。由表2可見,抗拔摩阻力提高系數(shù)βi取值范圍通常為1.2～1.6(軟弱土層不計(jì))。

表2 抗拔摩阻力提高系數(shù)βi值

另取6根鋼螺桿錨樁SZ1～SZ6(基本情況見表3),采用本文計(jì)算公式(1)進(jìn)行對(duì)其抗拔承載力估算,并與靜載試驗(yàn)結(jié)果比較,見圖7。由圖7可以看出,鋼螺桿錨樁抗拔承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值總體一致,且計(jì)算值相對(duì)偏小,能夠滿足鋼螺桿錨樁抗拔試驗(yàn)承載力估算要求。

表3 鋼螺桿錨樁基本情況

圖7 抗拔承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

需要注意的是,依據(jù)本文式(1)計(jì)算鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力時(shí),樁體上部若存在無螺紋段,則按照實(shí)際管樁外徑進(jìn)行計(jì)算,不考慮抗拔摩阻力提高,取βi=1。施工時(shí)若無法保證螺旋鉆入(樁側(cè)土層結(jié)構(gòu)被破壞),計(jì)算時(shí)不應(yīng)考慮摩阻力提高效應(yīng),取βi=1。

6 結(jié)論

本文基于鋼螺桿錨樁現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)成果,研究樁長(zhǎng)、螺紋直徑等因素對(duì)鋼螺桿錨樁抗拔性能的影響,探討了鋼螺桿錨樁豎向抗拔承載機(jī)理,并建立了可用于估算鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力的計(jì)算方法。主要結(jié)論如下:

(1)鋼螺桿錨樁施工過程為完全擠土且樁側(cè)土體呈螺旋形,其單樁抗拔承載力較同等樁徑直桿樁有一定提高,并且土體性質(zhì)越好,其抗拔摩阻力提高越明顯。

(2)螺紋直徑400mm與600mm的鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力總體接近。螺桿旋進(jìn)與進(jìn)尺同步時(shí)單樁抗拔承載力較高,增大螺紋直徑并不能有效提高其抗拔性能。從便于現(xiàn)場(chǎng)施工角度考慮,采用400mm樁徑具有更大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(3)本文采用試算法確定各類土層抗拔摩阻力提高系數(shù)βi值,根據(jù)土體軟硬和密實(shí)程度,抗拔摩阻力提高系數(shù)βi取值范圍通常為1.2～1.6(軟弱土層不計(jì))。本文提出的鋼螺桿錨樁單樁抗拔承載力計(jì)算公式能夠有效指導(dǎo)鋼螺桿錨樁靜載反力系統(tǒng)設(shè)計(jì),為順利開展基樁承載力檢測(cè)提供了可靠保證。