螺紋樁的抗拔承載特性模型試驗與螺距優化

馬宏偉,胡志濤,袁 松,陳 鑫

(安徽理工大學土木建筑學院,安徽 淮南 232001)

我國建筑材料生產和工程建設施工中的碳排放量占全國碳排放總量的比重高達30%[1],工程建設行業亟需向低碳化、綠色化方向轉型,以助力“雙碳”目標的實現。工程建設中常用的直孔樁存在高能耗材料用量大、承載力有限的問題,為此,一些承載能力強、材料消耗少的異形樁逐漸用于工程建設。螺紋樁是一種典型的異形樁基礎,其表面螺旋狀分布的螺牙與樁周土可以形成機械咬合,從而具有良好的極限承載力[2-3]。

近年來,國內外學者廣泛開展了豎向壓力作用下螺紋樁荷載傳遞機理與樁周土破壞模式的研究。文獻[4]采用室內模型試驗方法分析了螺紋樁和直桿樁的承載力特性差異;文獻[5]進行了砂土場地中螺紋樁抗壓承載特性的數值模擬研究;文獻[6]發現螺紋樁的承載力隨螺距的增大先增大后減小,最佳螺距與樁外徑之比介于0.5～2.0;文獻[7]建立了豎向荷載作用下螺紋樁極限側阻力計算方法,認為螺距接近第二臨界螺距時螺紋樁可以形成最大的極限側阻力。相較于抗壓承載特性的研究,螺紋樁的抗拔承載性能研究工作開展得較少。文獻[8-9]采用室內模型試驗和數值模擬相結合的方法,對注漿成型螺紋樁的樁土接觸面傳力特性和樁的抗拔承載特性進行了研究,并開展了螺紋設計參數的優化分析。文獻[10]通過現場工藝試驗和靜載試驗,分析了注漿成型螺紋樁在軟土地區的施工可行性和抗拔承載特性,結果表明該樁的承載能力較直孔樁提高了30%～40%,而其上拔變形量顯著小于直孔樁。文獻[11]采用數值模擬的方法研究了樁身局部設置螺紋的葉片樁的抗拔特性,重點分析了豎向上拔荷載作用下樁周土的剪應力分布特征和樁的承載機理。雖然螺紋灌注樁與注漿成型螺紋樁、葉片樁存在螺紋布置形式和承載機理上的差異,但上述研究工作為螺紋灌注樁的抗拔性能研究提供了參考。

由于螺紋樁抗拔承載特性的研究尚不夠深入,其樁-土相互作用機理仍不明確,特別是螺距影響螺紋樁抗拔承載性能的原因未被揭示,使得螺紋灌注樁的推廣應用受到了很大的限制。為了進一步揭示螺紋樁的抗拔承載機理和螺距對螺紋樁承載特性的影響規律,本文以室內模型試驗為手段,探討了螺紋樁Q-s曲線特征、螺距對上拔荷載與上拔位移的影響規律、樁體軸力與側阻力分布規律,并開展了最大抗拔極限承載力條件下的螺紋樁螺距優化分析,以期為螺紋灌注樁在實際工程中的設計與施工提供一定的參考。

1 試驗方案

1.1 模型樁的設計與制作

螺紋樁外形復雜,在小比尺模型試驗中,若采用工程樁所使用的混凝土作為模型樁材料,樁體的加工精度很難控制。為此,試驗采用6061鋁合金(彈性模量E=69GPa)作為模型樁的制作材料,并使用銑削工藝進行樁的加工制作。

試驗以內徑300mm、外徑600mm、長度13.5m的螺紋灌注樁為原型,按幾何相似比CL=1∶30進行模型樁的設計。設計得到的模型樁內徑d為20mm、外徑D為30mm。為便于上拔荷載加載裝置和樁頂位移測量裝置的安裝固定,在樁頂預留不帶螺紋的外露段50mm,埋入地基土中的有效樁長,即帶螺紋的樁段長度L為450mm。為分析螺距對螺紋樁抗拔承載性能的影響,制作了螺距S依次為20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm的7根螺紋LW-1～LW-7,引入無量綱參數距徑比(螺距S與內徑d之比)以便于問題的描述,7根模型樁的距徑比分別為1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.25、2.50。在制作螺紋樁的同時,制作2根直孔樁模型用于對比分析,直孔樁的直徑分別等于螺紋樁的內徑20mm和外徑30mm,并以ZK-1和ZK-2表示。為獲取樁的軸力,在埋深分別為70mm、160mm、250mm、340mm處粘貼應變片。制作形成的9根模型樁如圖1所示。

圖1 模型樁實拍圖

1.2 試驗裝置

試驗所使用的模型箱由2塊鋼板和2塊有機玻璃板作為側板拼合而成,其內部凈空尺寸為800mm(長)×600mm(寬)×580mm(高)。試驗采用杠桿加載系統進行加載[12],加載系統主要由支撐鋼支架、加載梁、配重塊、砝碼及掛鉤等組成。加載點到平衡梁支撐點的距離為樁頂受力點到支撐點距離的一半,即每施加一級荷載,樁頂上拔荷載為所加砝碼重量的1/2。加載裝置如圖2所示。

(a)模型樁與加載裝置 (b)樁頂加載與位移測量裝置

1.3 樁的埋設和加載方案

試驗采用淮南市當地的砂土作為地基土,并在試驗前對砂土進行篩分和晾曬處理。本次試驗的模型樁全部采用預埋的方法置于地基土中,地基土分6層填入模型箱,并逐層用振動抹平機按相同的振動時間振實,以保證地基土的均勻性[13]。

模型試驗參考《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106-2014)[14]的規定采用慢速維持荷載法進行加載。在加載試驗前先通過預試驗以初測模型樁被拔出前的最大承載能力,并按測試結果的1/10作為正式試驗的每級加載量。在正式試驗加載過程中,逐級等量施加荷載,每級荷載施加后按5min的時間間隔讀取樁頂位移,當連續兩次讀數差不超過0.01mm時判定試驗樁達到相對穩定狀態,并繼續進行下一級加載,直至模型樁達到破壞狀態后終止加載。

模型樁達到破壞狀態并終止加載以試驗結果達到以下任一判定條件為準:①在某級荷載作用下樁頂上拔位移量超過前一級荷載作用下樁頂上拔量的5倍;②在某級荷載作用下樁頂上拔位移量雖未達到前一級荷載作用下樁頂上拔量的5倍,但經過1h上拔位移仍未達到相對穩定狀態;③施加荷載后模型樁被拔出。

2 螺紋樁的抗拔承載特性

2.1 直孔樁與螺紋樁Q-s曲線對比

試驗得到的直孔樁ZK-1、ZK-2和螺紋樁LW-1的Q-s(荷載-位移)曲線如圖3所示。

圖3 模型樁的Q-s曲線

由圖3可知,在上拔荷載作用下,直孔樁的Q-s曲線為陡變型,而螺紋樁的Q-s曲線則為緩變型,兩種樁型表現出不同類型的承載特性。螺紋樁的Q-s曲線位于直孔樁曲線的右側,表明在同樣的上拔位移下,螺紋樁的上拔荷載顯著大于直孔樁,而在同樣的上拔荷載作用下,螺紋樁具有較小的上拔位移,說明螺紋樁比直孔樁具有更優的抗拔承載性能。

對于直孔樁,按照《建筑基樁檢測技術規范》5.4.2條的規定取Q-s曲線的陡變起始點對應的荷載值作為抗拔極限承載力,則模型樁ZK-1和ZK-2的抗拔極限承載力分別為105N和150N,后者為前者的1.43倍,兩根直孔樁的抗拔極限承載力之比與它們的直徑比基本一致,說明試驗所采用的地基土填埋方法較好地保證了地基土的均勻性和重復性。

對于LW-1螺紋樁,其Q-s曲線為緩變型,根據Q-s曲線直接獲取其抗拔極限承載力比較困難。為便于對比分析,取螺紋樁第8級加載時的荷載300N與直孔樁的抗拔極限承載力對比,此時3根模型樁具有相似的上拔位移。螺紋樁承載力為ZK-1樁承載力的2.86倍,說明在直孔樁表面增設一定的螺紋,可以使樁的抗拔能力顯著提高;螺紋樁承載力為ZK-2樁承載力的2.00倍,說明通過開槽方式在直孔樁表面形成螺紋,不僅減少材料使用量還可以提升樁的抗拔能力。

2.2 螺紋樁的Q-s曲線特征

試驗得到的7根具有不同螺距的螺紋樁的Q-s曲線如圖4所示。7根螺紋樁的Q-s曲線均為緩變型,且螺距對螺紋樁的Q-s曲線存在影響。按照Q-s曲線的變化趨勢可將螺紋樁承載過程劃分為3個階段:第Ⅰ階段為加載初期的近似彈性承載段,此時樁頂的上拔位移量較小,且上拔位移與上拔荷載近似呈線性關系,樁周土體可視為彈性壓密狀態;第Ⅱ階段為加載中期的非線性承載段,此時樁頂的上拔位移隨上拔荷載的增大而明顯增加,螺紋豎向擠壓引起樁周土形成塑性非線性變形;第Ⅲ階段為加載后期的位移快速增長段,此時樁頂的上拔位移隨上拔荷載的增大急劇增加,樁周土在螺紋豎向擠壓下逐漸剪切滑移面,隨著剪切滑移面的不斷擴展,樁周土進入失效狀態,樁體最終被拔出。

圖4 具有不同螺距的螺紋樁Q-s曲線

2.3 螺距對螺紋樁抗拔承載力的影響

為進一步分析螺距對螺紋樁Q-s曲線的影響,繪制距徑比對螺紋樁抗拔承載力的影響關系曲線,如圖5所示。

(a)距徑比與上拔荷載的關系

圖5(a)中的上拔荷載值采用線性插值方式得出,由圖5(a)可知,在不同上拔位移下,螺紋樁的上拔荷載均隨距徑比的增大先增大后減小,且在距徑比為1.25時達到最大值。當距徑比大于1.25時,曲線斜率隨距徑比的增大不斷減小,即螺紋樁承載力對螺距變化的影響隨著螺距的增大將逐漸減小;當距徑比小于1.25時曲線斜率較大,此時螺紋樁的承載力對螺距變化的影響較大。

根據圖5(b)可知,在相同荷載作用下,螺紋樁的上拔位移隨距徑比的增大先減小后增大,且在距徑比為1.25時出現最小值。在上拔荷載較小時,上拔位移與距徑比的關系曲線較為平緩,此時樁的上拔位移對螺距不太敏感,進一步說明了樁周土在加載初期存在壓密過程;曲線斜率隨著上拔荷載的增大而增大,當荷載達到450N,即螺紋樁處于加載后期的位移快速增長階段時,螺距的影響十分突出,其原因在于不同間距的螺紋引起的樁周土剪切滑移面形式存在極大差異,該現象與文獻[7]104得到的承壓螺紋樁的分析結果一致。

由此可見,螺距對螺紋樁抗拔承載力的影響主要體現在加載后期,實質上是對其抗拔極限承載力產生了影響,且抗拔試驗工況下的距徑比為1.25的螺紋樁具有最優的抗拔承載能力和上拔位移控制能力。

2.4 螺紋樁的軸力與側阻力分布

螺紋樁抗拔力由樁側阻力提供,分析側阻力分布對揭示螺紋樁荷載傳遞過程是必要的。將承載力最大的LW-2樁按應變片粘貼位置分為5段,自上而下依次定義為樁段1～樁段5。試驗得到樁的軸力和側阻力分布如圖6所示。

(a)軸力圖

由圖6(a)可知,螺紋樁的軸力沿樁長非線性分布,即側阻力在樁長范圍內是非均勻的。在上拔荷載小于187.5N的初期加載階段,樁處于近似彈性承載段,其軸力圖線性特征明顯,此時樁體上半段的側阻力分布十分均勻,樁周土受樁體上拔擾動發生彈性擠密,而樁體下半段對土體的擾動相對較小。隨著上拔荷載增大,螺紋樁軸力圖的非線性特征逐漸突出,軸力圖斜率不斷增大,即各樁段的側阻力不斷增大,此時,樁周土由塑性變形逐步轉變至剪切滑移,直至滑移面貫通后樁被拔出。

由圖6(b)可知,樁段1和2的曲線分別在荷載超過375.0N和512.5N后出現斜率突減,表明樁周土已臨近滑移破壞。樁段4的曲線在上拔荷載超過487.5N后出現斜率的突增,說明側阻力出現急劇增大,此后樁體被拔出。由此可知,在上拔荷載不斷增大的過程中,樁周土自上而下逐步發生剪切失效,當淺層土體失效后,上拔荷載通過樁體傳遞至深部土體,而深部土體應力的急劇增大導致土體內部滑移面貫通,螺紋樁最終被拔出。在加載后期,樁段4的側阻力相對于樁段3出現明顯的降低,這與土壓力的分布規律存在差異,顯然深部土體的側阻力在螺紋樁被拔出時并未充分發揮,螺紋樁的拔出具有突發性。因此,采用試驗中的最后一級上拔荷載作為螺紋樁的抗拔極限承載力是不安全的。

3 螺紋樁的螺距優化分析

3.1 螺距對螺紋樁抗拔極限承載力的影響

豎向壓力作用下Q-s曲線具有緩變型特征的樁,其極限承載力可采用雙直線交匯法[15-16]進行確定。該方法選取荷載-位移圖中首次出現斜率變化段的線段延伸線與末尾段的線段延伸線的交點所對應的荷載值作為該樁體的極限承載力。根據上述分析,以試驗中的最后一級荷載作為螺紋樁的抗拔極限承載力存在不合理之處,而在上拔荷載作用下螺紋樁的Q-s曲線具有緩變型的特征,為此,采用Q-s曲線雙直線交匯法確定螺紋樁的抗拔極限承載力是恰當的。典型模型樁的Q-s曲線雙直線交匯結果如圖7所示。由圖7可知,具有不同螺距的螺紋樁的抗拔極限承載力存在差異,而這一差異在Q-s曲線中是無法直接獲取的。

(a)LW-2樁 (b)LW-4樁 (c)LW-6樁

由Q-s曲線雙直線交匯法確定的模型樁抗拔極限承載力如表1所示,為便于問題的分析,表1中引入了抗拔承載力增強系數k,即表示各螺紋樁與等外徑ZK-2直孔樁的極限抗拔承載力之比。

表1 模型樁的抗拔承載力

由表1可知,試驗中的各螺紋樁的抗拔極限承載力介于等直徑直孔樁抗拔極限承載力的2.09～2.34倍。而螺紋樁的抗拔極限承載力隨著距徑比的增大先增大后減小,能使螺紋樁獲得最大抗拔極限承載力的距徑比在1.2～1.5。上述結果表明,螺距的合理設計可以提升螺紋樁的抗拔承載效果。

3.2 螺紋樁的最優螺距分析

根據表1所繪制的模型樁抗拔承載力增強系數k與距徑比S/d的關系,如圖8所示,并根據試驗值良好的線性分布特征進行結果的線性擬合。在上述線性擬合中,兩式的可決系數R2分別為0.999 6和0.972 6,均高于0.95,說明線性擬合對試驗結果的規律表達較為準確,擬合結果可信度較高。

圖8 距徑比S/d與抗拔承載力增強系數k的關系

根據圖9的線性擬合,螺紋樁的抗拔承載力增強系數k與距徑比S/d之間的關系為

(1)

可見,模型樁存在臨界距徑比1.26,可以使試驗工況下的螺紋樁抗拔承載力增強系數得到最大值2.36,該臨界距徑比即為最優距徑比。當螺紋樁的距徑比小于該值時,其抗拔承載力增強系數隨著距徑比的增加而線性增加;而當螺紋樁的距徑比大于該值時,抗拔承載力增強系數則隨距徑比的增加而線性降低。當距徑比S/d在0.68～2.09時,螺紋樁的抗拔承載力增強系數可超過2.2。

4 結語

本文開展的螺紋樁抗拔承載性能模型試驗表明,上拔力作用下螺紋樁的Q-s曲線為緩變型,由近似彈性承載段、非線性承載段和位移快速增長段構成;隨著上拔荷載的增大,樁周土自上而下逐步失效,深部土體的側阻力在螺紋樁被拔出時不能充分發揮,螺紋樁的拔出破壞具有突發性;螺紋樁的極限抗拔承載力隨著螺距的增大先線性增大、后線性減小,試驗工況下的最優螺距為1.26d。

受試驗條件限制,論文只開展了螺紋單樁在砂土中抗拔承載特性的探索,后續的研究工作可圍繞螺紋群樁的承載特性以及相關理論展開分析。