黄土地区螺杆桩与CFG桩复合地基承载特性对比研究

胡金山

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 地质路基处，陕西 西安 710043)

高速铁路对路基工后沉降提出了极其严格的要求，采用刚性或半刚性桩处理天然地基是高速铁路通常采用的方法[1-3]。螺杆桩是一种上部为圆柱形，下部为螺纹形的变截面桩。具有施工速度快、承载力高等优点。2009年，国内螺杆桩成桩工法获得国家发明专利，螺杆桩在高层建筑地基处理中已广泛应用。在京沪、石济、哈牡、郑徐等多条高速铁路和客运专线上也广泛采用螺杆桩复合地基[4-6]。

随着螺杆桩的大规模使用，对螺杆桩承载特性的研究也逐渐得到重视。方崇等[7]对螺杆桩进行单桩静载试验，研究了螺杆桩在竖向荷载作用下荷载传递规律，并对螺杆桩的受力特性和破坏性状进行了分析。张伟等[8]通过现场静载试验，提出了螺杆桩单桩极限承载力计算公式。徐梁[9]依据静载试验结果，提出了3种螺杆桩单桩极限承载力计算方法。螺杆桩由于其独特的变截面设计，使得其受力机理和承载特性远比普通直杆桩复杂。周闪[10]通过单桩竖向静载荷试验，对比分析了螺杆桩单桩承载力理论计算值与实测值的差异，验证了螺杆桩具有较高的单桩承载力。目前，针对螺杆桩承载特性的研究，都是基于现场静载试验结果，在常规桩基承载力计算公式的基础上进行修正和简化，国内外对螺杆桩复合地基的承载特性研究还不成熟。

本文以新建吴忠—中卫铁路为工程背景，针对黄土地区螺杆桩的使用，采用室内模型试验，对比分析螺杆桩复合地基和CFG桩复合地基承载特性，为我国特殊土地区铁路工程地基处理提供参考。

1 模型试验设计

模型箱尺寸为1.2 m×1.2 m ×1.2 m。模型桩采用弹性模量为2.65 GPa的四氟尼龙棒。以新建吴忠—中卫铁路螺杆桩为原型，按几何相似比10∶1制作模型桩。CFG桩桩长80 cm，桩径5 cm。螺杆桩直杆段长30 cm，直径5 cm;螺纹段长50 cm，直径3 cm,螺牙端部厚1 cm，螺杆叶片厚0.5 cm，螺牙宽1 cm，螺距3.5 cm，见图1，沿桩共布置10个应变片，在桩周采用环氧树脂粘贴粒径1～2 mm的砂做粗糙处理。

图1 试验用模型桩

模型试验地基土采用重塑兰州粉土，物理力学参数见表1。共设置10根CFG桩和10根螺杆桩，按正方形布设成5行4列，2列螺杆桩和2列CFG桩，桩间距为4倍桩径(20 cm)，如图2所示。1#,2#,5#,6#桩进行单桩静载试验，3#,4#,7#,8#桩进行单桩复合地基静载试验，承压板尺寸为20 cm×20 cm。

填土时，按每填筑10 cm进行夯实整平，控制含水率为17.8%，压实度为80%。填土后不同深度采用环刀取样，测定填土的含水率和密度，含水率为17.72%，密度为1.46 g/cm3。

表1 土体物理力学参数

图2 粉土地基中模型桩布置

由千斤顶和反力架组成加载系统，采用慢速维持荷载法，待每级荷载达到相对稳定后再进行下一级加载，直至破坏，最后分级卸载。

2 模型试验结果分析

2.1 单桩复合地基荷载—沉降(p-s)关系曲线

单桩复合地基p-s关系曲线见图3。

图3 单桩复合地基p-s关系曲线

由图3可见，2种桩的单桩复合地基p-s关系曲线均呈缓变型。当p<130 kPa，两者p-s关系曲线趋于一致。当p>130 kPa后，相同荷载作用下CFG桩复合地基沉降明显大于螺杆桩复合地基。当荷载增至500 kPa 时CFG桩复合地基沉降达到66.6 mm，而当荷载增至667 kPa时螺杆桩复合地基沉降为61.9 mm，说明螺杆桩复合地基承载力明显高于CFG桩。CFG桩复合地基极限承载力为330 kPa，螺杆桩复合地基极限承载力为460 kPa。螺杆桩复合地基极限承载力较CFG桩复合地基增大了39%。取极限承载力的1/2，得出CFG桩复合地基承载力为165 kPa，螺杆桩复合地基承载力为230 kPa。

2.2 桩身轴力

由桩身应变测试值，可得桩身截面应力。计算公式为

σ=Eε

(1)

式中：σ为桩身截面应力，kPa；ε为桩身应变；E为桩体弹性模量,MPa。

桩身轴力计算公式为

Q=σA

(2)

式中：Q为桩身轴力，kN；A为桩身截面面积，m2。

螺杆桩桩身轴力分布曲线见图4。可见：随着深度的增加桩身轴力逐渐减小；在30 cm深度处(变截面处)曲线出现明显拐点，桩身轴力有较大衰减。说明部分荷载传递到螺纹段，螺纹叶片的端阻力、螺纹与土体之间的机械咬合力起到了端承作用。

图4 螺杆桩桩身轴力分布曲线

CFG桩桩身轴力分布曲线见图5。可见：随着深度的增加，桩身轴力先增大后减小；在埋深35 cm处存在最大轴力，即在CFG桩顶部存在负摩阻区，与京沪高速铁路CFG 桩复合地基现场试验结果[11]相一致。

图5 CFG桩桩身轴力分布曲线

2.3 桩侧摩阻力

根据静力平衡原理，桩侧摩阻力计算公式为

(3)

式中：qs为桩侧摩阻力，kPa；Q0，Q1分别为桩身单元上、下截面的轴力，kN；L0为桩身单元长度，m；D为桩身直径，m。

螺杆桩桩侧摩阻力分布曲线见图6。直杆段与螺纹段的交界点下方(深度33～40 cm)出现负摩阻区。主要原因：直杆段桩身侧摩阻力逐渐发挥作用，在变截面处桩身与土体的接触面积急剧减小，直杆段下的土体有较大的支撑作用，从而改变了侧摩阻力的分布方向。

图6 螺杆桩桩侧摩阻力分布曲线

CFG桩桩侧摩阻力分布曲线见图7。可见：桩侧摩阻力先负后正，存在负摩阻区。主要原因：桩体刚度大，上部桩间土的压缩变形大于桩身沉降；随着深度的增大，桩间土受力减小，土体变形减小，桩间土的压缩变形小于桩身沉降，桩侧摩阻力变为正值。

图7 CFG桩桩侧摩阻力分布曲线

2.4 复合地基桩土应力比

图8 复合地基桩土应力比随荷载变化曲线

螺杆桩和CFG桩复合地基桩土应力比随荷载变化曲线见图8。可见：2种桩复合地基桩土应力比均随着荷载的增大而增大，最后基本趋于稳定。当荷载较小时桩间土承担的荷载较大，随着荷载的增大，荷载逐渐向桩顶转移；当荷载增大到一定程度后，桩土变形协调，桩土分担的荷载也趋于稳定。螺杆桩复合地基桩土应力比为2.27～4.33，荷载分担比为69%～81%；CFG桩复合地基桩土应力比为2.86～5.22，荷载分担比为74%～83%。说明相比于CFG桩复合地基，螺杆桩复合地基更有利于桩间土承载力的发挥，提高复合地基承载力。

3 结论

1)在相同桩径和桩长条件下，螺杆桩复合地基的承载力比CFG桩复合地基高39%。螺杆桩复合地基桩土应力比为2.27～4.33，CFG桩复合地基桩土应力比为2.86～5.22，螺杆桩复合地基更有利于桩间土承载力的发挥，提高复合地基承载力。

2)螺杆桩桩身轴力在变截面处有较大衰减，部分荷载传递到螺纹段，螺纹叶片的端阻力、螺纹与土体之间的机械咬合力起到了端承作用；CFG桩桩身轴力随着深度的增加先增大后减小，桩顶部存在负摩阻区。

3)螺杆桩直杆段与螺纹段的交界点下方出现了负摩阻区，在工程设计、施工中应注意变截面处的处理。

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