螺桿樁不同螺紋構造對樁體承載能力影響的探析

肖雨晨 （北京化建建筑工程有限公司，北京 102300）

0 前言

隨著我國經濟快速發展，高速鐵路建設已經步入一個相對高峰期。高鐵建設主要涉及路、橋、隧等基本建設，工程建設的核心問題為如何控制好構筑物及路基沉降，為高速通行的列車提供變形充分、沉降穩定的運行環境。

在高速鐵路路基建設中，為解決路基本體填筑前天然松軟地基沉降過大、承載力不足等問題，設計多采取復合地基處理。較為常見軟基處理形式有CFG樁、水泥土攪拌樁、擠密樁、碎石樁等。經過實際對比分析，在眾多處理樁型中，采用螺桿樁進行地基加固施工，取得了較為良好的沉降控制效果。

1 研究樁型

螺桿樁是一種新型地基處理樁基，通過大扭力鉆機及特殊鉆桿在土體中形成帶有螺紋的混凝土樁，該螺紋改變了傳統直壁樁型靠樁側摩擦提供樁體承載能力，而是靠螺紋剪力大大提高樁體承載能力。

螺桿樁是采用了變截面的構造形狀，一般分為上部直桿段及下部螺紋段。成孔過程中樁側土體受到擠密作用，成樁后原部分土體被鉆桿擠密并泵送混凝土形成螺紋，而樁側土體形成螺母，樁體螺紋與樁側土螺母緊密咬合，當樁頂受荷時，螺紋段的樁側土“螺母”受到壓縮，環狀“螺母”的根部受到剪切。樁的承載力有直桿段的側阻力（摩阻力），螺紋段的抗剪強度和樁端的端承載力組成，而螺紋段的抗剪力遠遠大于同等條件下的側阻力，滿足了附加應力的分布規律和應力分擔比及剛度變化的要求，調整了樁與土之間的作用，樁側土體應力分攤比及應力擴散度提高，樁端荷載減少，使樁身受力與土體受力協調一致。

2 工程概況

新建×××鐵路DK18+404.99～DK19+804.93站場正線路基范圍內設計采用螺桿樁進行地基加固處理。螺桿樁幾何斷面“上部為直桿型，下部為螺紋型”，直桿段長度不小于有效樁長的1/3，螺桿樁樁底應深入細圓礫土≮0.5m，螺桿樁樁徑0.5m，螺紋段直徑等于直桿段直徑，樁間距2m，平面呈正方形布置，樁長 7.0～14.5m。螺桿樁樁體采用 C25混凝土泵送成樁，螺牙寬度一般為5～6cm寬，螺牙端部厚度約5cm，根部厚度一般為10cm，樁徑與螺距之比為1:0.6 ～1。

結合該施工段落內地質特點，原地面以下主要地層土質依次為粉質黏土（原地面～1.3m）、淤泥質粉質黏土（1.3～7.4m）、細砂（7.4～10.75m）、細圓礫土（10.75～15m）。土層主要物理力學參數見表1。

土層物理力學參數表 表1

圖1 路基標準橫斷面圖

3 計算模型建立

3.1 模型概述

本文采用Midas GTS NX有限元軟件進行數值建模分析，模擬螺桿樁在相同地質條件下，針對相同樁徑不同螺距、不同螺紋寬度及不同直桿與螺桿長度分配比例下樁體沉降情況及土體等效塑性應變來分析樁體承載能力及土體受荷后應變特性。

為充分模擬螺桿樁螺紋部分，土體及螺桿樁在軟件中均采用實體單元模擬。土體采用能較好反映土體非線性變化的德魯克-普拉格（D-P）理想彈塑性本構、樁體采用彈性本構，樁體與土體摩擦采用界面單元進行模擬，接觸非線性選擇庫倫摩擦準則。為提高模型分析精度，實體網格劃分采用軟件中尺寸控制功能，樁體網格尺寸控制為0.1m，土體網格尺寸控制為0.5m，模型實體網格采用程序四面體網格劃分，網格劃分結果如圖2所示。

圖2 模型網格劃分示意圖

3.2 模型參數

為真實反映螺桿樁實際應力-應變情況，模型選取樁長11.25m為研究長度，土層建立尺寸為15m×15m×15m（長×寬×高）。由于該施工段落為軟土地層，各個地層土體彈性模量E選取設計地勘文件3倍的壓縮模量Es，界面單元中結構參數及接觸非線性參數由軟件界面屬性助手生成。模型結構約束及重力均由軟件自動設置完成。樁體加載按1500kN作為最大加載控制值，共分為10級加載，每級加載150kN，得到樁體數值模擬加載沉降位移Q-s曲線。

4 螺桿樁單樁豎向極限承載力標準計算

根據《螺紋樁技術規程》（JGJ/T379-2016） 第 4.3.4-1、4.3.4-2 及4.3.4-3中相關要求，螺紋樁單樁豎向極限承載力標準值可采用下列公式計算：

式中：u―按螺紋樁外徑計算的周長（m）；

qlwsik―螺紋樁穿過第i層土層的等效側阻力標準值（kPa）；

qsik―干作業鉆孔樁極限側阻力標準值（kPa）；

β―增強系數，直桿段取1.0；螺紋段可取 1.3～1.6,砂土取高值，黏性土取低值；

qpk―極限端阻力標準值（kPa）；

ιi―螺紋樁穿過的第i層土層厚度（m）；

Ap―螺紋樁外徑在樁端的投影面積（m2）；

D―螺紋樁外徑（m）。

結合螺桿樁施工地質條件，在螺桿樁樁徑為0.5m，樁長為11.25m，直桿段長度為有效樁長1/3的工況條件下，求得螺桿樁單樁豎向極限承載力標準值為1369.34kN，安全系數取2，則有螺桿樁單樁豎向承載力特征值為684.67kN。

（a）螺紋間距40cm土體等效塑性應變（樁頂荷載750kN）

（b）螺紋間距50cm土體等效塑性應變（樁頂荷載750kN）

5 三維數值模擬結果分析

5.1 螺紋間距對樁基承載影響

通過對螺紋間距為30cm、40cm、50cm的螺桿樁及等直徑全直壁CFG樁分別進行模擬對比分析。通過圖3、圖4分析，在螺桿樁單樁豎向承載力特征值范圍內，不同的螺紋間距對樁體沉降有一定影響，但樁頂沉降值差異不大較為接近。螺紋間距是影響樁體沉降控制指標之一，且明顯存在最優螺紋間距。通過對相同荷載下土體等效塑性應變分析，由于螺紋間距的不同，改變了土體與樁體之間的摩擦特性，土體應力-應變也不相同。通過對等直徑全直壁CFG樁與螺桿樁數值模擬對比分析，CFG樁在達到土體塑性破壞后，相比各螺紋間距螺桿樁沉降產生突變式變化，不利于沉降控制。

圖3 不同螺紋間距加載沉降曲線

圖4 不同螺紋間距每級加載沉降變化曲線

5.2 螺紋寬度對樁基承載影響

通過對螺紋寬度為30mm、40mm、50mm的螺桿樁分別進行模擬對比分析，螺紋的寬度對樁體承載影響較大。通過對圖5、圖6進行對比分析，螺桿樁在樁頂受荷750kN后，螺紋寬度為6cm較螺紋寬度為3cm及9cm樁體最大沉降小，且變化速率慢，螺桿樁螺紋寬度存在最優寬度。結合土體等效塑性應變情況，由于螺牙寬度不同，改變了樁土受力界面，螺紋寬度在6cm時，土體等效塑性應變區域明顯小于螺紋寬度為3cm及9cm，土體等效塑性應變較小，樁體受力較為均勻，承載力大，沉降較小。

圖5 不同螺紋寬度加載沉降曲線

圖6 不同螺紋寬度每級加載沉降變化曲線

（a）螺紋寬度3cm土體等效塑性應變

（b）螺紋寬度6cm土體等效塑性應變

（c）螺紋寬度9cm土體等效塑性應變

5.3 螺紋長度對樁基承載影響

通過對螺紋長度占樁體有效長度的1/3、1/2、2/3、全螺紋的螺桿樁及CFG樁分別進行模擬，并對圖7、圖8進行對比分析,在螺桿樁單樁極限承載力下，2/3樁身螺紋位移沉降最小，且變化速率相對較為平緩，其余螺紋長度比例相比之下均存在沉降變化速率快，沉降值過大等情況，因此得出在同一地質條件且相同樁長下，樁體螺紋長度設置與土體性質關系較為密切。

圖7 不同螺紋長度加載沉降曲線

圖8 不同螺紋長度每級加載沉降變化曲線

5.4 螺桿樁受力情況分析

通過對直徑50cm、螺紋寬度6cm、螺距40cm及螺紋長度為2/3樁身的螺桿樁進行細化分析，螺桿樁在受荷過程中有明顯的彈性壓縮，如圖9所示。在土體彈性階段內，樁周土體給螺桿樁有效的樁側摩擦阻力，隨著荷載增大，樁體與土體產生相對滑動，樁底承載增加，樁周土體塑性區變小，當荷載增大到極限荷載后，由于土體產生塑性破壞，無法為樁體提供側阻力，螺桿樁將產生刺入式破壞。

圖9 螺桿樁樁頂樁底差異沉降變化值

6 結論

本文利用midas GTS NX有限元軟件對螺桿樁采用數值模擬方式針對不同螺紋工況進行對比分析。模型本構選用合理、界面接觸單元參數正確，模擬效果良好，模擬結果進一步揭示了螺桿樁在不同工況下的加載沉降情況，可為螺桿樁施工及設計提供有效的參考。

①通過對比分析可知，同直徑CFG樁與合理設置螺紋構造的等直徑螺桿在單樁承載力特征值范圍內位移沉降較小，承載力相對較大，CFG樁在土體產生塑性破壞后，沉降速率有突變情況，樁體承載能力損失較快，不利于樁體受荷沉降控制，且在螺桿樁單樁極限承載力范圍內，螺桿樁承載力明顯優于同直徑CFG樁，且同直徑CFG樁相比螺桿樁截面尺寸較大，在大體量軟基處理中不利于混凝土材料節約。

②針對螺桿樁不同螺紋構造進行分析，螺紋寬度、長度及螺紋間距均存在最優值，在設計階段應充分考慮不同地質條件下的最優螺桿樁螺紋構造設計參數，以充分提高螺桿樁承載能力及減小復合地基工后沉降。

③螺桿樁施工前應嚴格按設計要求選用符合要求的鉆桿，在施工過程中應嚴格保證鉆孔速度及成樁直徑，控制螺桿樁鉆桿下鉆速度與鉆桿轉動速度相匹配，提鉆速度與轉動速度相匹配，且下鉆速速與提鉆速度相同，保證螺紋有效形成。

④綜上所述，結合該地質情況，通過數值模擬分析，該處軟基處理采用螺桿樁（具體樁體要求為：設計直桿段長度不小于有效樁長的1/3，螺桿樁施工樁底應深入細圓礫土≮0.5m螺桿樁樁徑0.5m，螺紋段直徑等于直桿段直徑，螺桿樁螺牙寬度一般為5～6cm寬，螺牙端部厚度約5cm，根部厚度一般為10cm，樁徑與螺距之比為1:0.6～1）。設計合理，與數值模擬結果相一致，此設計有利于該處高鐵路基地基處理沉降及承載控制，為后期高速鐵路運行提供了良好的運行條件。