反向螺丝钉桩单桩沉降特性与承载分析

刘杰民，郭 强，郝宝锋，王培森

（1.山东潍莱高速铁路有限公司，山东 济南 250021；2.中铁一局集团 第五工程有限公司，陕西 宝鸡 721000；3.山东建筑大学，山东 济南 250101）

引言

桩基础作为一种常见的基础形式，通过其桩身将上部结构的荷载传递至承载力较强的土层或岩层[1]， 或挤密软土层以提高地基极限承载力，从而减少地基的不均匀沉降，确保建筑物的稳定。增加桩径或者桩长可以提高桩基整体承载性能，但是靠增加桩长或桩径提高桩基承载力的做法既不经济又会增大施工难度。螺纹结构能增加桩土之间的接触面积，并产生咬合作用，增大桩基承载力[2-3]。随着时代发展步伐的加快与国家对环境保护的重视，鉴于工程背景与实际需求，提出了反向螺丝钉桩这一新型变截面桩基础。反向螺丝钉桩由桩身和桩帽组成[4]，螺纹方向为逆时针，上部圆柱型直杆占整个桩身的1/3，下部为螺纹型桩身占整个桩身的2/3，桩顶设置桩帽。稳定、高质量的桩基础才能保障其使用性能和安全性[5-6]。

1 反向螺丝钉桩有限元模型

采用ABAQUS建立桩-土地基有限元模型，拟对比反向螺丝钉桩相比于普通桩基对地基竖向承载能力的加强作用。所选用的土层地基尺寸为30 m×30 m×15 m。反向螺丝钉桩圆横截面直径为0.3 m，螺纹总宽度0.2 m，螺纹桩横截面总直径为0.5 m，桩身长度为10 m。土层地基采用Mohr-Columb弹塑性本构，桩身采用线弹性本构。桩身地基的材料参数见表1。

表1 桩身地基材料参数

采用精细化有限元建模，反向螺丝钉桩单元网格大小约为0.05 m。为保证反向螺丝钉桩周围土体的精确模拟，土体采用C3D10四面体单元划分网格，其中最精细尺寸约为0.01 m。桩土地基模型有限元数量约为30万个，保证了有限元模拟的准确性与可靠性。土层与桩身有限元模型见图1，并提出了三种不同尺寸的反向螺丝钉桩，对比分析了反向螺丝钉桩参数对地基竖向承载力的保护作用，材料参数见表2，有限元模型见图2。

图1 桩身有限元模型

表2 反向螺丝钉桩螺纹几何参数

图2 反向螺丝钉桩有限元模型

2 反向螺丝钉桩与普通桩竖向承载力对比分析

普通圆桩基横截面直径为0.5 m，桩长为10 m；对比普通圆桩，反向螺丝钉桩-1的圆横截面直径为0.3 m，螺纹总宽度0.2 m，螺纹桩横截面总直径为0.5 m，螺纹桩身长度为9 m，顶部圆桩位1 m。图3、图4分别为不同桩基在自重作用下以及竖向荷载作用下桩底的竖向位移。

由图3、图4可知，在自重作用下，反向螺丝钉桩-1的基底位移相对于普通圆形桩的基底位移稍大，但反向螺丝钉桩桩身变形较小，这是由土层与桩基静力相互作用导致。而在竖向荷载作用下，反向螺丝钉桩桩顶沉降量显著小于普通圆形桩的沉降，柱顶最大沉降量由34 mm减小至26 mm，沉降量减少比例达24%。结果表明，螺纹的存在增大了桩身与周围土层竖向方向的咬合作用，有效地控制了桩身沉降以及变形。

图3 自重下不同桩基对地基承载力影响对比

图4 竖向荷载下不同桩基对地基承载力影响对比

3 反向螺丝钉桩螺纹间距、螺纹角度等对竖向承载力的影响

两反向螺丝钉桩的圆横截面直径为0.3 m，螺纹总宽度0.2 m，螺纹桩横截面总直径为0.5 m，螺纹桩身长度为9 m，顶部圆桩为1 m，两者不同之处在于螺纹间距。图5、图6分别为不同桩基在自重以及竖向荷载作用下桩底的竖向位移。

图5 自重下反向螺丝钉桩螺纹间距对地基承载力影响对比

图6 竖向荷载下反向螺丝钉桩螺纹间距对地基承载力影响对比

由图5、图6可知，在自重作用下，反向螺丝钉桩-1的基底位移相对于反向螺丝钉桩-2的基底位移稍大。而在竖向荷载作用下，反向螺丝钉桩-2桩顶沉降量稍微小于反向螺丝钉桩-1的沉降量，柱顶最大沉降量由26 mm减小至24 mm，沉降量减少比例约为8%；并且反向螺丝钉桩-2的整体桩身竖向应变也相对反向螺丝钉桩-1较小。结果表明，反向螺丝钉桩中螺纹的存在可以增大桩的抗压作用，但螺丝间距并不是越小越好，合理的螺纹分布既可以减轻桩身的自重，也可以提高反向螺丝钉的抗压抗拔能力。

4 反向螺丝钉桩螺纹厚度对竖向承载力的影响

两反向螺丝钉桩的圆横截面直径为0.3 m，螺纹总宽度0.2 m，螺纹桩横截面总直径为0.5 m，螺纹桩身长度为9 m，顶部圆桩为1 m，两者不同之处在于螺纹厚度。图7、图8分别为不同桩基在自重作用下以及竖向荷载作用下桩底的竖向位移。

图7 自重下反向螺丝钉桩螺纹厚度对地基承载力影响对比

图8 竖向荷载下反向螺丝钉桩螺纹厚度对地基承载力影响对比

由图7、图8可知，在自重作用下，反向螺丝钉桩-1的基底位移相对于反向螺丝钉桩-3的基底位移稍大。而在竖向荷载作用下，反向螺丝钉桩-3桩顶沉降量与螺丝钉桩-1的沉降量相差不大，并且两整体桩身竖向应变也相差较小。结果表明，反向螺丝钉桩中螺纹的厚度对于桩基的抗压抗拔能力影响不大。

5 结语

鉴于工程背景与实际需求，提出了反向螺丝钉桩这一新型变截面桩基础。研究发现，螺纹的存在增加了桩身与周围土层竖向方向的咬合作用，有效控制了桩身沉降以及变形，反向螺丝钉桩可以增大桩的抗压作用。螺纹厚度对反向螺丝钉桩桩基的抗压抗拔能力影响不大，而合理的螺纹分布既可以减轻桩身的自重，也可以提高反向螺丝钉的抗压抗拔能力。