變截面螺桿樁沉樁數(shù)值模擬

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225127)

引言

2018年9月，在揚(yáng)州西區(qū)進(jìn)行勘探時(shí)，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(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)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(chǎng)施工時(shí)，常規(guī)螺桿樁在穿越巖層時(shí)，鉆桿出現(xiàn)較大抖動(dòng)，沉樁時(shí)間較長(zhǎng)，待樁頂鉆入巖層后鉆桿穩(wěn)定，說(shuō)明接觸巖層時(shí)，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(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)螺桿樁(圖1樁型Ⅰ)鉆機(jī)進(jìn)入土層(巖層)過(guò)程中，鉆頭處螺紋段會(huì)發(fā)生較大的應(yīng)力集中，所以改變樁頭段螺紋形式，對(duì)于提升螺桿樁施工過(guò)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(yàn)所得，現(xiàn)將螺紋段樁頭設(shè)計(jì)改變?yōu)闈u變形式(圖1)，通過(guò)PFC2D離散元模擬研究以及模型槽實(shí)驗(yàn)等進(jìn)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(guò)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(jìn)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(jìn)行。利用wall命令建立Ⅰ個(gè)0.8m×1.5m模型箱和1m長(zhǎng)螺桿樁，在封閉空間內(nèi)按照篩分實(shí)驗(yàn)所得的顆粒級(jí)配曲線生成約17500個(gè)顆粒，顆粒個(gè)數(shù)由目標(biāo)孔隙率控制，其初始顆粒模型與級(jí)配曲線如圖4所示,其中曲線1為篩分實(shí)驗(yàn)所得級(jí)配曲線，曲線2為模擬軟件生成的級(jí)配曲線。

二、沉貫阻力

在沉慣過(guò)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(guò)對(duì)樁身不同點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出了在沉慣過(guò)程中樁身不同點(diǎn)的接觸力大小，首先是主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3、4(圖6)所示為沉貫過(guò)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(gè)階段：0～0.5m階段為線性增長(zhǎng)，接觸應(yīng)力增長(zhǎng)到2.13×103n時(shí)開(kāi)始放緩，0.5m～0.8m增長(zhǎng)幅度減小，0.8m之后嵌入巖石，接觸力迅速增長(zhǎng)。最終接觸力最大可到達(dá)1.79×104n。對(duì)于樁型Ⅰ來(lái)說(shuō)，由于螺紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在刺入土體成孔時(shí)，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(shuō)明成孔后土體受到了擾動(dòng)，使得后續(xù)螺紋貫入受到的阻力減小，但也說(shuō)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(cè)點(diǎn)2由于其短螺紋所受到的力遠(yuǎn)小于其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4的接觸力卻有所提高，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3在砂性土中接觸力為監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的1.2倍左右，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4為點(diǎn)2的1.3倍左右，說(shuō)明漸變螺紋在控制貫入阻力分配方面是非常有效的，過(guò)程為短螺紋先開(kāi)孔，然后長(zhǎng)螺紋擴(kuò)大孔徑。但是當(dāng)刺入巖石層后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的接觸力卻迅速增長(zhǎng)到了點(diǎn)2點(diǎn)3的2倍左右，與樁型Ⅲ進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)曲線也相似，但是在巖石層中，樁型Ⅲ帶傾角的螺紋優(yōu)勢(shì)便體現(xiàn)出來(lái)，三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力增長(zhǎng)速度相近，沉貫完成的最終的接觸力三個(gè)點(diǎn)也僅相差百分之十左右，這表明帶傾角螺紋在強(qiáng)粘聚力的土層如中風(fēng)化巖層中，成孔過(guò)程中產(chǎn)生側(cè)向壓力，雖然這會(huì)導(dǎo)致螺紋在成孔時(shí)所受到的接觸應(yīng)力稍大，但是對(duì)于后續(xù)螺紋擴(kuò)大孔徑時(shí)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(wú)巨大區(qū)別，所以在密實(shí)度較低的土體中，不需要對(duì)螺桿樁螺紋形狀進(jìn)行特殊處理。

而對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1(圖5)來(lái)說(shuō)，樁頭在刺入土體后,所受到的力呈現(xiàn)先緩慢增長(zhǎng)，然后刺入巖石后快速增長(zhǎng)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(xì)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(dòng)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屬于正常現(xiàn)象，這也說(shuō)明后續(xù)螺紋的改變對(duì)與端頭受力影響較小，可以忽略不計(jì)，但值得注意的是，在刺入巖石時(shí)(y=0.825m)的時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)5、6、7(圖7)來(lái)說(shuō)，應(yīng)力增長(zhǎng)呈現(xiàn)為線性增長(zhǎng)，而且不同于其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)y>0.8m后也就是樁體在刺入巖石后并沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力快速增長(zhǎng)的現(xiàn)象，這說(shuō)明了樁體在巖石中成孔后，孔內(nèi)灌入砂土[3]，此時(shí)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(shí)樁身受到的力僅為被動(dòng)土壓力。土體在沉樁過(guò)程中受到了擾動(dòng)，對(duì)樁身螺紋的阻力也相應(yīng)的減小。這也從側(cè)面說(shuō)明了在沉貫過(guò)程中的最大應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生在樁體對(duì)原狀土進(jìn)行成孔的位置。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)7(圖7)表現(xiàn)為直桿段在土體中的應(yīng)力增長(zhǎng)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(shuō)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(duì)螺桿樁在沉貫過(guò)程中的應(yīng)力分配有著重要影響，樁頭處螺紋形式及長(zhǎng)度會(huì)影響刺入土體時(shí)樁身的應(yīng)力分配。

2.螺紋段相對(duì)于直桿段來(lái)說(shuō)，在施工過(guò)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(huì)明顯影響接觸應(yīng)力的大小，反倒是螺紋長(zhǎng)度對(duì)樁身的應(yīng)力集中現(xiàn)象有著明顯的影響。螺紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)，帶動(dòng)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(huì)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(guò)程中，樁身所受到接觸力是逐級(jí)遞增，且逐級(jí)遞增幅度為百分之20左右，應(yīng)力分配均勻。