螺杆桩群桩基础在建筑结构中的承载机理和适用性研究

金顺利

(中铁二十四局江苏工程有限公司， 南京 210046)

0 引言

建筑结构日新月异，对其上部结构的研究屡见不鲜，但结构基础投入通常占总投资的30%～50%。例如，在软土地区，天然地基的承载能力往往不能满足沉降控制要求，工程中可以采用桩基础形式来控制上部结构的沉降[1]。显然，如能对建筑结构下部基础进行优化，不仅能够改善其承载性能，还能够有可观的经济效益。建筑工程对沉降变形和不均匀沉降有较高的控制要求，这要求建筑基础需具有一定的承重能力和变形控制能力，否则将造成较大的经济损失和安全隐患。因此对桩基础形式进行优化，降低桩基础的经济成本具有工程意义。

螺杆桩是近年来工程中应用较多的一种新型桩体，是一种上部为圆柱形、下部为螺丝形的组合式灌注桩。螺杆桩单桩具有承载能力高、节省材料、适用范围广等优点[2]，其承载力主要由直杆段摩阻力、螺杆段复合阻力、桩端端承力三部分构成[3-5]。刘钟等[4]研究发现螺杆桩桩侧摩阻力先于桩端端承力发挥作用，且摩阻力自桩身上部向下部逐步发挥作用，端承力随桩身压缩变形增大而逐步发挥作用。

针对群桩基础或复合地基，李应保[6]针对摩擦端承桩复合基础的设计进行了较为全面的研究，周峰等[7]针对如何提升桩土共同作用也开展了一定的研究。但上述研究多针对直杆桩(常规桩基)而非螺杆桩。现阶段，针对螺杆桩的研究主要局限于应用在铁路交通中的单桩承载性能，缺乏其在建筑结构基础中的适用性讨论。

本文基于螺杆桩的优良特性，在螺杆桩复合路基研究[8-9]的基础上，将螺杆桩运用于建筑结构基础，探究螺杆桩群桩基础的承载机理和适用性能。

1 群桩基础有限元模型建立

采用PLAXIS软件分别建立直杆桩建筑群桩基础和螺杆桩建筑群桩基础有限元模型。考虑到建筑结构基础在长度方向的几何和物理特性均存在较好的延续性，即变异性不大，本文采用了二维模型进行模拟；另外，考虑到群桩基础平面的对称特性，建模时进行了对称简化处理；且以施加荷载的形式考虑上部结构。将直杆桩和螺杆桩群桩基础对称简化处理后的几何构型总体情况，合并后统一绘制于图1中。

图1 螺杆桩与直杆桩群桩基础示意

螺杆桩建筑群桩基础模型中，螺杆桩桩间距为2.0 m；桩长为10 m，其中螺杆段长5 m，直杆段长5 m；桩径为600 mm；螺牙端部厚度为100 mm；螺牙叶片宽度为50 mm；螺牙间距为300 mm。直杆桩建筑群桩基础模型中，直杆桩桩径也为600 mm，桩长也为10m。螺杆桩和直杆桩材料采用C30混凝土，两者所在地基土层相同。其中，地基土层情况选取东部沿海典型土层工况：土层1厚度为10 m(软土层)，土层2厚度为20 m，桩基础以土层2为持力层。

考虑到对称简化，模型左侧设置对称边界，且仅约束边界的水平向运动。模型右侧和底部约束所有方向运动。模型的尺寸大小为50 m(长)×30 m(深)，模型侧边界和底部边界距离桩体模型的距离均大于最大桩径的20倍(20×0.6=12 m)，从而保证了桩基础模型数值分析结果不受边界影响[10-11]。

螺杆桩和直杆桩桩体采用线弹性本构模型，土层采用摩尔库伦本构模型。为保障计算精度，模型中桩体和土体均选取15节点三角形单元模拟。桩土相互作用通过PLAXIS中内嵌的接触单元实现，设置接触参数来表征桩土之间相互作用的强弱。摩擦系数根据土体和桩体材料进行选取，通常为0.3～1.0，本文取0.5[11]。桩体和土体材料物理力学参数如表1所示。

模型中桩体和土体材料物理力学参数 表1

2 螺杆桩群桩基础承载特性

2.1 竖向荷载与竖向位移关系

图2为群桩基础的竖向荷载-竖向位移曲线。由图2可知，螺杆桩群桩基础的竖向位移随着竖向荷载的增大(建筑层数增加)呈先线性增大再缓慢增大的趋势，分界点在3 000 kN附近；直杆桩群桩基础的竖向位移随着竖向荷载的增加呈先线性增大再快速增大的趋势，分界点在2 200 kN附近。

由图2可发现，在相同竖向荷载作用下，螺杆桩群桩基础产生的竖向位移明显小于直杆桩群桩基础；总体上，在相近竖向荷载作用下螺杆桩群桩基础的竖向位移较直杆桩群桩基础可以减小10%以上。说明螺杆桩群桩基础具有较好的沉降控制能力及更高的承载力。竖向荷载加载至6 000 kN的全过程中，螺杆桩群桩基础的竖向荷载-竖向位移曲线均较为平缓，未发现明显的突变；但直杆桩群桩基础的竖向荷载-竖向位移曲线却在竖向荷载达到2 200 kN左右时发生突变，曲线斜率明显增大，说明，此时该基础承载模式发生了明显改变，承载模式可能由以侧摩阻力为主转变为以端承力为主。螺杆桩能够在节省材料的同时(基于螺杆尺寸计算材料用量，经计算，相比于直杆桩，螺杆桩可减少2%～10%材料)，可以提高建筑基础的承载能力并且保持控制建筑结构变形的能力。

图2 群桩基础竖向荷载-竖向位移曲线

2.2 基础竖向变形

图3、图4分别为竖向荷载为3 000kN(多层建筑)和6 000kN(中高层建筑)时螺杆桩群桩基础和直杆桩群桩基础的竖向位移云图。当荷载为3 000kN时，螺杆桩群桩基础的竖向位移(最大值95.8 mm)明显小于直杆桩群桩基础的竖向位移(最大值140.4 mm)；两个群桩基础底部土体竖向位移分布形式总体相同，均呈现类似“倒钟形”分布，两个群桩基础整体承载能力均得到了较好的发挥。

图3 竖向荷载3 000 kN时群桩基础竖向位移云图/(×10-3m)

图4 竖向荷载6 000 kN时群桩基础竖向位移云图/(×10-3m)

当竖向荷载增加到6 000kN时，螺杆桩群桩基础和直杆桩群桩基础的最大竖向位移分别为250.0 mm和441.8 mm，螺杆桩群桩基础的竖向位移明显小于直杆桩群桩基础；螺杆桩群桩基础底部土体竖向位移仍保持为类似“倒钟形”分布，且分布较为均匀，桩与桩之间及桩土之间共同承载的效果发挥较好；但直杆桩群桩基础底部土体竖向位移呈现类似“倒三角形”分布，直杆桩群桩基础和周边土体变形有明显差别，两者竖向位移差值明显变大，且群桩基础中心底部土体竖向位移明显大于其他部位土体。这表明，当竖向荷载达到6 000kN时，直杆桩群桩基础和周边土体开始发生相对滑移并造成土体剪切破坏，直杆桩群桩基础中心部位向土体传递的荷载显著大于其他部位，群桩基础整体承载能力变弱。螺杆桩群桩基础能够发挥更大承载力的主要原因是螺纹的存在带动了更多周边土体受荷，扩大了荷载的传递范围。

3 基础周围土体受荷响应

3.1 基础周围土体有效剪应力分布

图5、图6分别为竖向荷载为3 000 kN和6 000 kN时螺杆桩群桩基础和直杆桩群桩基础有效剪应力云图。由图5、图6可知，在竖向荷载为3 000 kN和6 000 kN两种工况下，群桩基础外围桩体桩侧摩阻力充分发挥范围约为靠近桩端L/2(L为桩长)部分，其他桩体桩侧摩阻力充分发挥范围约为靠近桩端L/10部分。当竖向荷载为3 000kN时(图5)，螺杆桩群桩基础和直杆桩群桩基础周围土体最大有效剪应力分别为76.01kN/m2和64.85kN/m2，提高约17.21%；当竖向荷载为6 000kN时(图6)，螺杆桩群桩基础和直杆桩群桩基础周围土体最大有效剪应力分别为155.2kN/m2和134.3kN/m2，提升约15.56%。总之，不论是螺杆桩群桩基础还是直杆桩群桩基础，均表现为群桩整体承载特性，因此除外围桩体外，群桩基础内部桩体的桩侧摩阻力仍未充分发挥。

图5 竖向荷载为3 000 kN时土体有效剪应力云图/(kN/m2)

图6 竖向荷载为6 000 kN时土体有效剪应力云图/(kN/m2)

图7为竖向荷载为3 000kN时螺杆桩群桩基础、直杆桩群桩基础外围桩体侧摩阻力的对比。由图7可见，直杆桩群桩基础外围桩体侧摩阻力随桩深度增大呈现相对线性增大的形式，螺杆桩群桩基础外围桩体侧摩阻力随桩深度增大呈现凹凸波折形式。螺杆桩群桩基础外围桩体侧摩阻力明显强于直杆桩群桩基础，其中，螺杆段部分侧摩阻力提升最大，可达20 kPa，螺杆桩上部直杆段侧摩阻力也略有提高(约5 kPa)，说明螺杆桩群桩基础能够更为高效地通过侧摩阻力将荷载传递至桩周土体。

图7 竖向荷载3 000kN时群桩基础外围桩体侧摩阻力

图8为群桩基础外围桩体各部分分担荷载情况。可以发现，对于直杆桩群桩基础，绝大部分荷载由桩端端承力承受，少部分由桩侧摩阻力承受；对于螺杆桩群桩基础，荷载由桩端端承力、桩侧摩阻力共同承担，其中螺杆段侧摩阻力占有明显比例，说明螺杆段起到了明显的荷载分担作用，将荷载更高效地传至桩周土体。并且螺杆桩群桩基础外围桩体各部分分担荷载总和高于直杆桩群桩基础，说明了螺杆桩群桩基础能在节约材料的同时提高承载能力。

图8 群桩基础外围桩体各部分分担荷载情况

综上，在承载上部建筑传递荷载的过程中，螺杆桩群桩基础桩体侧摩阻力发挥比直杆桩群桩基础更为充分，不仅能带动更多的土层受荷还能更充分地利用周边土体的抗剪能力。

3.2 基础周围土体塑性点分布

图9、图10分别为竖向荷载为3 000kN和6 000kN时螺杆桩群桩基础和直杆桩群桩基础周围土体塑性点分布图。当竖向荷载为3 000kN时(图9)，螺杆桩群桩基础和直杆桩群桩基础周围土体塑性点均主要分布在上层较软弱土体中(土层1)，其中直杆桩群桩基础周围土体塑性点已开始扩散至土层2中。螺杆桩群桩基础周围土体靠近螺纹部分塑性点分布相对直杆部分更为密集，且塑性点分布范围集中在桩体土体附近，表明，螺杆桩群桩基础外围桩体侧摩阻力发挥较为充分，较好地实现了桩土共同承载。直杆桩群桩基础周围土体塑性点表现为“广而散”的分布特性，直杆桩群桩基础利用外围桩体侧摩阻力传递荷载的能力相对较弱。

图9 竖向荷载3 000 kN时群桩基础周围土体塑性点分布

当竖向荷载增加到6 000kN时(图10)，螺杆桩群桩基础和直杆桩群桩基础周围土体塑性点均扩散至土层2中。其中，螺杆桩群桩基础周围土体塑性点在土层2中仍局限在外围桩体底部，而直杆桩群桩基础周围土体塑性点已经贯穿至土层2中群桩中心的下部区域。与竖向荷载3 000kN时工况相似，螺杆桩群桩基础周围土体塑性点分布呈现“紧而密”的特征而直杆桩群桩基础周围土体塑性点分布呈现“广而散”的特征。此外，群桩基础除外围桩体外，其他桩体桩端附近的侧摩阻力、桩端端承力也开始发挥：在螺杆桩群桩基础中，桩端附近桩体主要发挥侧摩阻力作用，侧摩阻力发挥的有效范围约为靠近桩端L/8部分，桩端端承力发挥不明显；在直杆桩群桩基础中，桩端附近桩体的侧摩阻力和桩端端承力均较为明显，其中侧摩阻力发挥的有效范围约为靠近桩端L/10部分。这说明，螺杆桩群桩基础能够与周边土体形成更好的相互作用机制，特别是在螺纹段这种相互作用更加显著，且在同样设计条件下螺杆桩群桩基础有更多的承重冗余度，为结构提供了更大的安全保障。

图10 竖向荷载6 000 kN时群桩基础周围土体塑性点分布

4 结论

本文采用有限元模拟方法，通过对比应用于建筑结构的螺杆桩和直杆桩群桩基础，探究螺杆桩群桩基础在竖向荷载作用下的承载能力、变形特性，得出以下结论：

(1)在本研究涉及的所有工况中，相较于直杆桩群桩基础，螺杆桩群桩基础可以在更少物料消耗的情况下，具有更强的沉降控制能力(减小10%以上)和承载能力(增大15%以上)。

(2)当竖向荷载较小时，螺杆桩群桩基础和直杆桩群桩基础均能较好发挥共同承载作用；当竖向荷载较大时，直杆桩群桩基础和周边土体的竖向位移有明显的差别，两者差值明显变大，且直杆桩群桩中心底部竖向变形明显大于其他位置。

(3)螺杆桩群桩基础和直杆桩群桩基础均表现为整体承载特性，且外围桩体的侧摩阻力可以发挥得充分。其中，群桩基础外围桩体桩侧摩阻力充分发挥范围约为靠近桩端L/2部分，其他桩体桩侧摩阻力充分发挥范围约为靠近桩端L/10部分。

(4)螺杆桩群桩基础能够发挥更大承载力的主要原因是螺纹的存在可以提供更多的机械咬合和滑动范围，从而带动其周边更多土体受荷，即扩大了荷载的传递范围。