螺牙高度對螺紋樁豎向承載特性的影響

摘要"為探明豎向荷載作用下螺牙高度對螺紋樁承載特性及樁周土體的影響，通過室內(nèi)半面模型樁試驗，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC），研究了不同螺牙高度、不同荷載條件對樁身承載性能、樁周土體破壞特征、樁周土體位移場的影響。采用ABAQUS數(shù)值模擬方法對模型試驗的結(jié)果進行驗證，并擴展了螺牙高度的取值范圍，分析螺紋樁樁身極限承載力與材料利用率、樁周土體應(yīng)力場分布隨螺牙高度變化的規(guī)律。結(jié)果表明：增加螺牙高度能提升樁身承載力，增大樁周土體位移影響范圍，延緩樁側(cè)土體剪切破壞的發(fā)展；隨著樁身沉降量增加，樁頂荷載以樁側(cè)阻力承受為主，逐漸演變?yōu)橐詷抖俗枇Τ惺転橹鳎宦菅栏叨鹊脑黾与m然能提升樁身極限承載力，但樁身材料利用率存在峰值。

關(guān)鍵詞"螺紋樁;"螺牙高度;"模型試驗;"數(shù)字相關(guān)技術(shù);"位移場

螺紋樁是一種新樁型，螺紋結(jié)構(gòu)的存在，增大了樁-土間的作用面，大幅提升了樁的側(cè)摩阻力和豎向承載力，近年來在房屋建筑工程、交通工程基礎(chǔ)設(shè)施、地下工程建設(shè)等領(lǐng)域中得到應(yīng)用^[1-3]。與傳統(tǒng)直樁相比，螺紋樁的樁身結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢，樁身承載力提高明顯。孟振等^[4]研究發(fā)現(xiàn)，與普通直樁相比，螺紋樁豎向極限承載力約提升3倍。Chen等^[5-6]研究了螺桿樁在砂土中的承載性能，發(fā)現(xiàn)樁的螺桿截面和最底螺紋對樁的承載力影響較大。Ho等^[7]認為螺旋樁下存在較大的影響區(qū)域，產(chǎn)生了較高的抗剪強度，有利于提高端部承載力。錢建固等^[8]通過大型接觸面剪切試驗發(fā)現(xiàn)，螺紋間距存在最優(yōu)值，能夠形成最大拱形破壞面，從而發(fā)揮樁土界面的最大剪切強度。

螺紋樁螺牙參數(shù)較多，各參數(shù)變化對樁身承載性能均有不同程度的影響。王國才等^[9-10]、王斌等^[11]通過模型試驗和數(shù)值模擬的方法，研究了S/D（螺距/主樁直徑）對螺紋樁極限承載力的影響，發(fā)現(xiàn)S/D取1時，極限承載力最高，樁周土體形成的連續(xù)拱形破壞區(qū)域最大。陳亞東等^[12]通過離散元數(shù)值模擬，研究了螺距、螺紋段長度對螺桿樁承載特性的影響，發(fā)現(xiàn)螺距為1.0～1.33倍樁徑時，螺桿樁具有最佳的承載性能。董俊利等^[13]基于室內(nèi)縮尺模型試驗與Abaqus數(shù)值仿真，通過分析螺紋樁幾何尺寸對樁土應(yīng)力比的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，樁土應(yīng)力比隨h/D（螺紋間距/主樁直徑）的增加先增大后減小，隨w/D（螺紋寬度/主樁直徑）的增加而增大。Saleem等^[14]通過模型試驗發(fā)現(xiàn)，隨著螺紋樁直徑的增加，對地面的擾動和樁身承載力增大。周楊等^[15]研究了變截面螺紋樁的承載特性，發(fā)現(xiàn)樁身截面變化率也是影響單樁豎向承載力的重要因素之一。綜上所述，螺紋間距、螺距、螺紋寬度、螺紋樁直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)都是影響螺紋樁豎向承載性能的主要因素，但目前關(guān)于螺牙高度對螺紋樁承載性能影響方面的研究相對較少。

為了深入研究螺牙高度對螺紋樁豎向承載特性的影響，筆者通過室內(nèi)試驗及數(shù)值模擬方法分析樁身承載力和樁周土體的破壞狀態(tài)，研究不同位置處土體的位移情況，探討螺牙高度對樁身承載性能及樁周土體位移分布規(guī)律的影響。

1"模型試驗

1.1"模型樁

模型樁為半面鋼制螺紋樁，如圖1所示。樁身長250 mm，主樁直徑為16 mm，螺紋段距樁頂60 mm，距樁底10 mm。根據(jù)螺牙高度的不同一共設(shè)置了4組模型樁，具體參數(shù)見表1。

1.2"試驗用土

試驗用土選自長春市某施工場地內(nèi)基坑中的原狀低液限黏土。試驗用土的取樣方法^[16]：首先進行場地平整，然后將取土器（內(nèi)部尺寸為350 mm×300 mm×300 mm）放在平整后的場地上，隨后用液壓設(shè)備將取土器壓入基坑，而后將其挖出，清理表面并用塑料膜包裹土樣，防止水分蒸發(fā)，待試驗開始前打開使用，如圖2所示。試驗用土的基本物理力學(xué)參數(shù)見表2。

1.3"試驗方法

采用室內(nèi)半面模型樁試驗與數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital Image Correlation，簡稱DIC技術(shù)）相結(jié)合的方法，實現(xiàn)樁周土體的位移和破壞狀態(tài)的持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，從而得到樁周土體的移動規(guī)律^[17]。首先，將模型樁放置在土體中，而后在土體表面噴涂白漆，并設(shè)置黑色散斑點^[18]，如圖3所示，最后使用鋼化玻璃固定觀測面，整體模型裝置效果如圖4所示。

圖5為整個試驗測試系統(tǒng)。圖像采集系統(tǒng)由高清攝像頭、LED聚光燈和計算機處理系統(tǒng)組成，高清攝像頭拍攝速率為1張照片/250 ms，加載系統(tǒng)由小型千斤頂和數(shù)顯百分表組成，試驗中豎向荷載采用小型千斤頂垂直作用于樁頂，每下沉0.2 mm記錄一次荷載，直至樁身下沉10 mm時停止加載^[19]。通過VIC-3D非接觸式全場應(yīng)變測量設(shè)備的高清攝像頭對觀測面拍攝高清照片，由計算機處理系統(tǒng)分析表面黑色散斑點的水平、豎向移動情況，從而得到整個可觀測面土體的移動情況。

1.4"試驗結(jié)果與分析

1.4.1"荷載-沉降曲線

圖6為模型樁試驗獲得的荷載-沉降曲線。由圖6可知，4組模型樁的荷載-沉降曲線趨勢一致，隨著荷載的增加，樁身沉降量逐漸增大。將斜率變化量最大的點位對應(yīng)的荷載作為該樁的極限承載力，得到4組模型樁的極限承載力分別為0.359、0.535、0.699、0.936 kN，由此可見，隨著螺牙高度的增加，極限承載力有所提高，與螺牙高度為2 mm的第1組模型樁相比，后3組模型樁的極限承載力分別提高了49%、94.7%、160.7%。

1.4.2"樁周土體破壞分析

1）樁周土體破壞過程

將樁側(cè)土體命名為螺牙上土體、螺牙下土體、螺牙外土體，相鄰螺牙間的螺牙上、螺牙下土體合并，統(tǒng)稱為螺牙內(nèi)土體，如圖7所示。

4組模型樁加載過程中，樁周土體破壞狀態(tài)較為一致，以3號樁為例進行分析，如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)樁身下沉1 mm時，樁側(cè)土體無明顯的破壞現(xiàn)象，此時螺牙與土體的機械咬合力發(fā)揮作用。當(dāng)樁身下沉4 mm時，螺牙外邊沿側(cè)的土體開始出現(xiàn)斜向下發(fā)展的裂紋，此時咬合作用逐漸受螺牙剪切作用的影響而逐漸減弱。當(dāng)樁身下沉6 mm時，螺牙外邊沿處的裂紋發(fā)展為裂縫，上下螺牙間的裂縫相互連接，即AB段裂縫完全貫通，此時螺牙內(nèi)外土體發(fā)生剪切破壞。由于樁身下沉，螺牙內(nèi)外土體發(fā)生相對移動而產(chǎn)生的抗剪力提供了樁側(cè)阻力^[20]。

2）螺牙高度對樁周土體破壞的影響

圖9為1～4號樁樁身分別下沉1、4 mm時樁側(cè)土體的破壞狀態(tài)，由圖9可知，樁身下沉1 mm時，1號樁螺牙上側(cè)出現(xiàn)了明顯裂隙，螺牙內(nèi)土體受到壓縮，2號樁側(cè)出現(xiàn)了斜向裂紋，3號樁出現(xiàn)了輕微裂隙，4號樁無明顯的破壞。當(dāng)樁身下沉4 mm時，1、2號樁螺牙外側(cè)均產(chǎn)生了明顯的貫通裂隙，且2、3號樁螺牙外邊沿處出現(xiàn)斜向裂紋，4號樁只有個別螺牙外邊沿出現(xiàn)斜向裂紋。由此可見，增加螺牙高度可以延緩螺牙內(nèi)外土體的剪切破壞進程，延長螺牙與土體的咬合作用持續(xù)的時間，提高樁身承載力。

1.5"樁周土體的位移分析

為了更清晰地獲得樁周土體在豎向荷載下的移動規(guī)律，采用數(shù)字圖像技術(shù)對土體表面進行監(jiān)測，在樁周設(shè)置一系列點位（如圖10所示），用以反映土體的移動情況。其中，英文字母代表豎軸，數(shù)字代表橫軸，例如，C2表示豎向的C軸與橫向的2軸交界的點位。

1.5.1"樁周土體位移

以3號樁（螺牙高度為8 mm）為例，選取了C2、C5、C11、E2、E5、E11、H2、H5、H11點位，對各點位的水平、豎向位移進行對比分析，以此得到螺紋樁樁周土體在豎向荷載下的移動規(guī)律。

1）水平方向

圖11為3號樁側(cè)部分點位的水平位移。由圖11可知，在豎向荷載作用下，樁周土體水平位移曲線整體分為3個階段。階段Ⅰ中，各點均向樁身外側(cè)移動，距樁身較遠的點位（H列）水平移動較小，與樁身較近的點位（C、E列）移動幅度較大。階段Ⅱ中，距離樁身較遠處的H列各點有明顯的回移；距離樁身較近的C列點位以及相對于樁身較下位置的E11在此荷載區(qū)間較為穩(wěn)定。階段Ⅲ中，除C11、E11產(chǎn)生持續(xù)背離樁身的移動外，其余各點位水平移動趨于穩(wěn)定。

2）豎直方向

圖12為3號樁側(cè)部分土體的豎向位移。由圖12可知，隨荷載的增加，距樁身40 mm的H2、H5、H11點在出現(xiàn)約0.6 mm的豎向位移后穩(wěn)定；距樁身20 mm的E2、E5點下降1.3 mm后穩(wěn)定，E11點在加載過程中緩速下移，最大位移量為2.04 mm；距離樁身10 mm的C列各點位在加載過程中產(chǎn)生了較大的位移，在加載前期（階段Ⅰ）C2、C5點分別下移了2.94、2.54 mm，在加載后期（階段Ⅱ）趨于穩(wěn)定，而C11點則持續(xù)下降，最大位移量為4.67 mm。各點位隨著與樁身距離的增加，土體豎向位移量逐漸減小；隨著荷載的增加，樁側(cè)土體豎向位移先增加后趨于穩(wěn)定，這是由于隨著荷載的增加，樁周土體出現(xiàn)貫通裂紋，此后樁身下沉對樁側(cè)土體沒有影響；而樁端附近土體持續(xù)受到擠壓作用，位移持續(xù)增加。

1.5.2"螺牙高度對樁周土體的影響

在樁周選取了B11、D11、F11、H11點研究同一埋深、與樁身不同距離處土體的位移情況。圖13、圖14分別為1～4號樁周相同埋深處土體的水平、豎向位移情況。由圖14可知，隨著荷載的增加，樁周土體均產(chǎn)生水平向和豎向的位移，但隨著螺牙高度的增加，樁周土體的位移響應(yīng)呈現(xiàn)滯后現(xiàn)象；同一荷載條件下，隨著與樁身距離的增加，位移量逐漸減小。

圖15為B11、D11、F11、H11點產(chǎn)生0.4 mm的豎向位移時1～4號樁的荷載情況，其中B11、D11、F11、H11點分別距離樁身5、15、30、50 mm。由圖15可知，當(dāng)樁周土體產(chǎn)生相同的豎向位移時，相同螺牙高度的樁身荷載呈遞增趨勢，說明沉降過程中螺紋樁對土體的影響逐漸向樁身外側(cè)擴散。隨著螺牙高度的增加，樁身荷載不斷提升，說明增加螺牙高度，可提升樁身對土體的影響程度，使樁頂荷載更好地傳遞給樁周土體，從而發(fā)揮樁周土的承載能力。

2"數(shù)值模擬

2.1"有限元模型建立及參數(shù)選取

為了深入研究螺牙高度對螺紋樁承載特性的影響，采用ABAQUS軟件建立螺紋樁和樁周土體的數(shù)值模型，并對其進行網(wǎng)格劃分，如圖16所示。土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，材料參數(shù)根據(jù)模型試驗的材料屬性確定，如表3所示，其中樁身彈性模量根據(jù)參考文獻[9-11，15，20]及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB/T 50010—2010）確定。

2.2"數(shù)值模擬與室內(nèi)模型試驗對比分析

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，對比模型試驗中1～4號樁模型試驗的荷載-沉降曲線，結(jié)果見圖17，其中：M2、M4、M8、M12分別表示螺牙高度為2、4、8、12 mm的模型試驗數(shù)據(jù)，S2、S4、S8、S12分別表示螺牙高度為2、4、8、12 mm的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。由圖17可知，在豎向荷載下，模擬試驗和模型試驗中樁身產(chǎn)生沉降的趨勢大體相同，數(shù)值也較為接近，說明有限元模型的分析結(jié)果能較為真實地反映實際情況。

2.3"樁周土體應(yīng)力分析

圖18為S4號樁在豎向荷載下樁周土體的應(yīng)力場分布情況。樁身下沉0.1 mm時，樁身兩側(cè)土體形成等距離的應(yīng)力分布區(qū)域。隨著沉降量增加至0.5 mm，螺牙側(cè)土體形成連續(xù)拱形應(yīng)力區(qū)域，樁端處形成“燈泡”狀的應(yīng)力區(qū)域。隨著樁身沉降量繼續(xù)增加，連續(xù)拱形應(yīng)力區(qū)域持續(xù)存在，同時，樁端土體中“燈泡”狀的應(yīng)力區(qū)域也在不斷擴大，由此可見，螺紋樁加載初期，樁頂荷載由樁側(cè)摩阻力與端承力共同承擔(dān)，隨著樁身沉降量增加，樁側(cè)土體的應(yīng)力減小，側(cè)阻力作用效果逐漸減弱，此時，樁身傳遞給土體的荷載主要由樁端土體承擔(dān)。

2.4"螺紋樁螺牙高度的影響分析

為了進一步研究螺牙高度的影響，增加直樁和螺牙高度分別為6、10、14 mm的工況，數(shù)值模擬中材料屬性及相關(guān)參數(shù)同表3。將螺牙高度為2、4、6、8、10、12、14 mm的螺紋樁分別命名為S2、S4、S6、S8、S10、S12、S14，直樁為S0。

2.4.1"荷載-沉降曲線

圖19為數(shù)值模擬得到的S0～S14號樁荷載-沉降曲線。由圖19可知，隨著螺牙高度的增加，樁身承載力隨之增大。當(dāng)樁身下沉1 mm時，下沉速率較快，可認為S0、S2、S4、S6、S8、S10、S12、S14號樁均達到極限承載力，分別為70、346、450、512、570、630、676、723 N。與S0相比，螺紋樁的樁身極限承載力分別提升了394%、543%、631%、714%、800%、866%、933%。螺牙高度由2 mm增加至4 mm，樁身極限承載力提升率為30.06%，螺牙高度由4 mm增加至6 mm，樁身極限承載力提升率為13.78%，以此類推，隨著螺牙高度繼續(xù)增加，樁身極限承載力提升率逐步減弱，如圖20所示。

S2～S14號樁按照螺牙高度的增加，計算得到相應(yīng)的樁身體積分別為27.1、29.6、32.6、36.0、39.8、44.1、48.9 cm³，以極限承載力與樁身體積的比值作為樁身材料的利用率^[15]，分別為12.8、15.2、15.7、15.8、15.8、15.3、14.8 N/cm³。隨著螺牙高度的增加，樁身材料（主要為螺牙部分）的利用率也隨之提升，在螺牙高度為8～10 mm時達到峰值，隨后降低，如圖21所示。

綜上所述，在一定范圍內(nèi)增加螺牙高度可顯著提高樁身極限承載力，但極限承載力的提升率及樁身材料利用率并非與螺牙高度呈正相關(guān)。因此，在螺紋樁設(shè)計過程中，螺牙高度不宜過大，導(dǎo)致浪費樁身材料，應(yīng)結(jié)合實際工程合理設(shè)計，既要保證單樁承載力滿足要求，且較容易施工，又要最大幅度節(jié)省樁身材料。

2.4.2"螺牙高度對樁周土體的影響

圖22中，在相同荷載下，S2～S14號樁樁周土體的豎向應(yīng)力主要分布在螺牙間及樁底下方土體。其中樁底端應(yīng)力分布區(qū)域以最底圈螺牙為起點，向下方擴展，見圖22（b）所標識區(qū)域，隨著螺牙高度的增加，該區(qū)域不斷擴大。螺牙內(nèi)土體的應(yīng)力分布區(qū)主要是與螺牙下表面相接觸的土體，見圖22（d）所標識區(qū)域。由圖22可知，隨著螺牙高度的增加，螺牙對樁側(cè)土體產(chǎn)生的應(yīng)力范圍由包裹著整個螺牙發(fā)展為僅存在螺牙下方，螺牙周圍土體的應(yīng)力值逐漸減小。最底圈螺牙與樁底共同作用，產(chǎn)生了相似于端承作用的較大應(yīng)力區(qū)域，隨著螺牙高度的增加，范圍逐漸擴大，該區(qū)域最小應(yīng)力值分別為0.472、0.246、0.232、0.219、0.201、0.187、0.162 MPa。說明在相同荷載下，隨著螺牙高度的增加，螺紋樁對樁周土體的影響逐漸減弱，并且增加了端承力作用的范圍。

3"結(jié)論

1）室內(nèi)半面模型樁試驗表明，隨著螺牙高度的增加，樁身承載力有所提高，樁周土體發(fā)生剪切破壞的進程有所延緩。在豎向荷載作用下，螺牙間土體提供樁側(cè)摩阻力，隨著樁頂荷載的增加，螺牙側(cè)土體產(chǎn)生剪切破壞，樁側(cè)阻力（咬合力）對樁身承載力的貢獻減弱。

2）水平方向上，加載前期，樁周土體均背離樁身移動，移動幅度與土體埋深成反比；加載中期，距樁身較遠的土體產(chǎn)生回移，靠近樁身的土體趨于穩(wěn)定；加載后期，距樁身較遠的土體不再移動，靠近樁身的土體背離樁身移動。樁周土體的豎向位移量與到樁身的水平距離成反比。隨著螺牙高度的增加，樁頂荷載向樁周土體傳遞的效率有所增加。

3）數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，螺牙高度的增加提高了樁身極限承載力，但提升率逐漸減小，隨著螺牙高度的增加，樁身材料利用率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。相同荷載條件下，螺牙高度的增加使樁側(cè)土體的影響范圍縮小，樁端土的影響范圍有所擴大。

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