砂土中钢管螺旋桩安装扭矩的研究

张新春,何泽群,董思捷,朱 昂

(华北电力大学 机械工程系,河北 保定 071003)

由于具有快速安装、施工周期短、不污染环境、可在各种气候及地质条件下施工、可二次回收利用等优点,螺旋桩基础被广泛应用于各种岩土工程中.然而,螺旋桩在安装时必须借助特殊的工程机械施加安装扭矩才能将其旋入土层中,这就不可避免地要涉及螺旋桩的安装扭矩.选择功率过大的施工设备可能会导致螺旋桩体的损坏;相反,过低的安装扭矩可能会导致施工设备无法完成螺旋桩的安装,甚至导致土体发生扰动.因此,研究钢管螺旋桩的安装扭矩对于特殊工程机械高效安装具有重要的工程应用价值.

目前,关于螺旋桩承载特性和安装扭矩的大量研究已展开.在螺旋桩承载特性方面,Mohajerani等[1]根据螺旋桩承载力的要求,对现有的螺旋桩设计方法进行了比较;郝冬雪等[2]对砂土中螺旋锚的上拔承载力做了模型实验分析;张新春等[3]提出了一种叶片可伸缩的钢管螺旋桩结构,具体研究螺旋桩各结构参数对承载能力的影响;Elkasabgy等[4]讨论了螺旋桩打入黏土地基中的轴向压缩响应,发现螺旋桩安装过程中土壤的扰动对桩的承载性能和破坏机理有重要影响.在螺旋桩安装扭矩方面,为了保证螺旋桩稳定地推进,可以在桩身上施加一定的轴向挤压力.然而,Perko[5]却指出在安装期间通常不测量挤压力,因为在螺旋桩安装过程中所施加的挤压力相对于扭矩力来说是很小的,可忽略不计;Nagai等[6]研究了螺旋桩安装方式对其承载性能的影响,发现螺旋桩的抗拔力是由安装过程中桩体附近的土压力变化而确定的;Sakr[7]分析了砂土中螺旋桩安装扭矩与轴向承载力的关系,并且通过实验验证理论模型的可靠性;Wada等[8]为了评估螺旋桩的承载力,进行了轴向压缩和抗拔实验,重点研究桩的安装扭矩和轴身阻力.但目前对螺旋桩上拔承载特性的研究主要集中于安装后的上拔过程,很少关注安装过程,大多数是把螺旋桩直接埋入地基中而测量上拔力,也不考虑安装时的土体扰动问题,而安装模式的不同对上拔力有决定性的影响.因此，对螺旋桩安装扭矩的研究亟需展开.

本文首先给出了螺旋桩安装扭矩的理论公式,引入螺旋进给率考虑安装过程中对土体的破坏和扰动,通过扭矩系数将安装扭矩与螺旋桩承载力相关联.为了验证螺旋桩安装扭矩公式和扭矩系数的可靠性以及土体扰动的影响,还进行了现场模型实验.本文的研究对砂土中钢管螺旋桩安装设计方法提供了理论参考.

1 螺旋桩安装扭矩模型及扭矩系数

1.1 安装扭矩理论计算

钢管螺旋桩安装扭矩模型如图1所示,主要假设条件:① 在安装过程中,忽略施加在桩上的挤压力;② 在桩安装期间抵抗扭矩与桩头驱动器的速度无关,因为使用高安装速度会增加测量的扭矩读数;③ 假设沿着螺旋桩完整安装深度的土壤层是均匀的、各向同性的;④ 螺旋叶片所形成的破坏体为圆柱体;⑤对于多叶片螺旋桩,下螺旋处的有效应力等于土壤有效单位重量乘以螺旋间距的总和.

螺旋桩安装期间施加的扭矩为

以上公式解释如下:

(1) 砂土的被动侧向土压力P1施加在桩身上,该力具有两个分量P1x和P1y.第1个分量作用在轴上产生抵抗其旋转的力矩T1,而第2个分量作用在螺旋叶片上产生摩擦力矩T2.

(2) 当被动侧向土压力P2作用在以螺旋叶片外围为直径的桩土界面圆柱上,该力由于螺旋桩对砂土层造成的局部压实作用而产生.P2有两个分量P2x和P2y.第1个分量不产生扭转阻力,第2个分量为作用在螺旋叶片上产生摩擦力矩T3.

(3) 由于螺旋桩的向下推进,施加在螺旋叶片上表面的主动土压力和施加在螺旋叶片下表面的被动土压力分别在上部、下部叶片的表面产生摩擦阻力,导致在接触瞬间产生抵抗扭矩T4和T5.

(4) 被动侧向土压力引起的推力F施加在叶片螺距与叶片外围周长组成的叶片倾斜面上,抵抗砂土对叶片的压力,从而产生抵抗扭矩T6来阻止螺旋桩的旋转.

(5) 施加在螺旋叶片外周上的力，因叶片厚度而与周围砂土产生摩擦阻力,故产生摩擦阻力矩T7.

图1 砂土中螺旋桩安装扭矩受力分析Fig.1 Force analysis of screw pile installation in sand

1.2 安装过程的土体扰动

螺旋桩在土壤中旋转时,对土体的破坏和扰动主要有3种[9]:第1种是切片,旋转的叶片把圆形土柱切成螺旋形薄片;第2种是压缩,叶片对后部土体的推动力和前部土体对叶片的抵抗力,使土体受到压缩;第3种是摩擦旋转,由于叶片和桩身的旋转,带动一部分土体旋转,造成这部分土体与静止土体之间的破坏.第2种和第3种破坏模式如图2所示.

图2 安装过程造成的土体扰动破坏示意图Fig.2 Schematic diagram of soil disturbance caused by installation

本文对土体的扰动采用第2种破坏模型,引入螺旋进给率用以考虑安装过程中对土体的破坏和扰动，即

(13)

式中:p为螺距;L为螺旋桩旋入的竖向位移;n为旋入L竖向位移后的旋转圈数.

1.3 扭矩系数

大量实验表明,安装扭矩与承载力近似线性相关,工程中常利用两者之间的关系定义扭矩系数并用于判断承载力是否满足要求.Livneh等[10]指出,这种相关性在该领域一直使用,其理论依据为安装扭矩是克服土壤抗剪强度所需能量的量度,因此，与桩承载能力密切相关.

实验中,忽略螺旋桩桩身与砂土的摩擦,仅研究叶片的安装扭矩与承载力的关系,螺旋桩叶片的受力分析如图3所示.每层叶片受抵抗扭矩Thi以及与周围土的界面摩擦力fi,当土块在叶片倾斜面上移动时,每层叶片向下的压力Qhi的总和即为叶片抗拔承载力.

图3 螺旋桩叶片受力分析Fig.3 Force analysis of screw pile blades

对土块在叶片倾斜面上的运动,类似于在以螺距为高、等效中径为底边的斜面上运动,这里的等效中径类比于螺纹中径.而抵抗扭矩以土块对叶片的推力为扭力,等效中径的一半为力臂得

式中:p为螺距;Qhi为第i层叶片承载力;Thi为第i层叶片抵抗扭矩;fi为第i层叶片与周围土的界面摩擦力;dc为等效中径;ψ′为螺旋叶片等效升角,ψ′=tan[p/(πdc)];F′为土块对叶片向下旋进时的推力.

2 钢管螺旋桩模型实验

2.1 砂箱制备

砂箱由Q345钢板制成,板厚为3 mm,顶面不封闭,3个侧面和底面封闭.实验砂箱长×宽×高=500 mm×500 mm×1 000 mm,水平方向大于桩径20倍,可忽略边界效应[11].将砂土分批填入砂箱中,砂土逐层振捣后,放置7 d再进行实验.砂土的物理特性指标为:比重Gs=2.68,中值粒径d50=0.17 mm,不均匀系数Cu=1.61,曲率系数Cc=0.93,dmax=1.772 g/cm3,dmin=1.462 g/cm3,砂土内摩擦角为36°.

2.2 钢管螺旋桩模型制备

螺旋桩模型几何结构如图4所示,e为最下层叶片到桩底之间的距离.为了研究叶片螺距与直径比值p/D对安装扭矩的影响以及安装扭矩与抗拔承载力之间的关系,共设计了4根模型试验桩P-1～P-4,具体参数如表1所示.通过改变叶片埋深H、叶片直径D,控制螺旋桩结构,其他参数均保持相同.

图4 实验螺旋桩模型几何结构Fig.4 Experimental screw pile model geometric structure

表1 螺旋桩桩型结构参数Tab.1 Screw pile structure parameters mm

为保证强度和刚度的要求,螺旋桩采用钢材加工而成.在加工过程中,焊接时要求叶片拉伸的开口方向一致,旋向一致,并且在钢管桩身指定的叶片间距处焊接,叶片倾角为90°,桩端切成45°楔形.桩身表面光滑,假定桩身与砂土间摩擦不计.叶片厚度和钢管壁厚均为2 mm,桩顶钻通孔,设计桩帽配合扭矩扳手,结合定位装置,便于旋入土中和读取安装扭矩.叶片表面以及焊缝处均打磨,焊缝强度满足要求.模型螺旋桩实物如图5所示.

2.3 扭矩、上拔力加载及测量方式

由于安装扭矩随深度逐渐加大,前期变化较小,且扭矩数值较小,所以施加方式前期固定为5圈快速安装,后期变为1～2圈逐步加载,利用定制的桩套配合扭矩扳手的套筒,结合定位装置施加扭矩,利用扭矩扳手读取扭矩.

图5 螺旋桩实验模型Fig.5 Screw pile test models

施加上拔力荷载实验方式采用快速维持荷载法加载,用手动葫芦滑轮配合弹簧等工件及测力机构施加竖向拉力荷载,等时间段近似等载荷加载,位移陡增时,每次加载的载荷减半.桩顶的位移变化通过位移计读取.钢管螺旋桩安装扭矩和上拔力加载实验装置分别如图6和图7所示.

图6 扭矩实验装置Fig.6 Torque test device

图7 承载实验装置Fig.7 Load test device diagram

3 理论与实验数据分析

3.1 螺旋桩安装扭矩

螺旋桩安装扭矩实验采用试件P-1～P-4,桩径和螺距均为25 mm,4个试件的叶片外伸直径分别为50,75,100和125 mm.根据式(1)～式(8),可得到对应深度的安装扭矩理论计算值.图8给出了砂土中不同叶片直径安装扭矩实验值与理论值比较.表2给了两者之间的误差,安装扭矩理论值和实验值误差范围在20%以内,从而证明了安装扭矩理论公式的正确性.

图8 不同叶片直径安装扭矩实验值与理论值对比Fig.8 Experimental and theoretical values of installation torque for screw piles with different blade diameters

图8中指出:随着叶片直径的增加,安装扭矩相应增加;对于叶片直径相同的试件,当旋入深度较小时,安装扭矩实验值与理论值误差较小;当旋入一定深度后,土体扰动影响较为明显;当桩身旋转趋于稳定,安装扭矩趋于稳定,实验值与理论值也相差不大.与式(1)对比,当忽略较小的抵抗扭矩后,保持其他结构参数不变,仅改变叶片直径,安装扭矩应该与叶片直径呈现正相关.值得注意的是,当p/D逐渐减小时,扰动相对较小,实验值与理论值吻合较好.

表2 螺旋桩安装扭矩实验值与理论值比较Tab.2 Comparison between experimental and theoretical values of installation torque for screw piles

通过安装扭矩实验值与理论值的对比,发现当螺旋桩安装过程中扰动较小时,所得实验误差较小,实验曲线突然的拐点是由于螺旋桩对土体扰动造成的.

3.2 安装扰动分析

根据式(13),图9给出了螺旋进给率与p/D间的关系.由图9中可见:当p/D≥0.33时,螺旋进给率陡降,土体压缩程度较大;当p/D在0.2～0.3附近,螺旋进给率变化不大,其值接近于1.通过以上分析可知,叶片螺距不宜过大,并且p/D不宜大于0.5.由于存在前两种破坏模式,叶片螺距不宜太小,所以p/D宜取0.2～0.3.

图9 螺旋进给率与p/D间的关系Fig.9 Relationship between screw feed rate and p/D

3.3 扭矩系数分析

表3 螺旋桩扭矩系数实验值与理论值Tab.3 Experimental and theoretical values of torque coefficient for screw piles

4 结论

(1) 钢管螺旋桩的安装扭矩与桩型结构、埋深有关,安装扭矩对叶片直径比较敏感,叶片直径越大,安装扭矩越大;

(2) 随着p/D的增加,螺旋进给率先增加后减小,当p/D位于0.2～0.3时,螺旋进给率达到最大值,砂土中钢管螺旋桩的安装扰动性较小;

(3) 安装扭矩与上拔承载力呈线性相关,安装扭矩系数实验值和理论值之间的误差可控制在20%以内,在工程应用允许范围内,可利用安装扭矩准确预测钢管螺旋桩的上拔承载力.