钢螺杆锚桩抗拔承载力计算方法研究*

杨 军, 吴建良, 周治国, 陈放鸣, 高柏辉

(1 广州市市政工程试验检测有限公司，广州 510520；2 广东省装配式地下结构检测与监测工程技术研究中心，广州 510520；3 湖南理工学院土木建筑工程学院，岳阳 414000；4 卓典高麦高科技(广东)有限公司，广州 511450)

0 引言

随着我国传统工程建设模式逐渐向绿色、低碳和可持续方向转变,为更加充分地发挥岩土体的承载能力,异形截面桩在土木工程领域的应用逐年递增。螺杆桩是一种桩身强度高、施工快捷且无污染的变截面桩,由于施工过程完全挤土且始终保持桩侧土体成螺纹形,其竖向抗压和抗拔承载力均较直杆桩有不少提高。

国内外学者针对螺旋桩受荷承载特性开展了较为深入的理论和试验研究。Srijaroen等[1]依托现场试验探讨了水泥土螺杆桩的竖向抗压承载机理,并建立了软黏土中该桩型的承载力计算方法。Malik等[2]开展了螺旋桩单调和循环荷载作用下的室内模型试验,获得了螺旋板直径对螺旋桩承载力的影响规律,并建立了螺旋板下土体极限承载力计算经验公式。Sharif等[3]采用离散元法研究了螺旋桩推进比对桩体施工阻力和承载能力的影响,并评估了经验扭矩-承载力相关系数对大直径螺旋桩的适用性,通过改进螺纹构造,降低了螺杆桩旋入扭矩。Cerfontaine等[4]采用离散单元法模拟螺旋桩施工过程中复杂土体性状变化规律,深入分析了土体颗粒尺寸、桩贯入率等因素对计算结果的影响。Stephen等[5]在冰碛黏土中进行了2×2螺旋群桩和单桩的现场受压载荷试验,分析了桩间距、螺旋间距等因素对群桩承载力的影响。Ho等[6]通过数值和模型试验探讨了砂土中螺旋叶片弯曲变形对端部承载力的影响、螺旋下土压分布以及螺旋桩周围土体变形规律,发现单桩承载力随螺旋叶片挠度的增加呈线性下降趋势。在国内,陈亚东等[7-8]采用数字图像相关技术研究螺杆桩竖向受压承载特性和桩周土体变形渐进性发展规律,发现螺杆桩整体承载力较等直径直杆单桩可提高30%。左宏亮等[9]通过对螺杆灌注桩的静载试验数据进行统计分析,建立了不同土质情况下螺杆灌注桩单桩竖向极限承载力计算公式。高建中等[10]通过延安新区螺杆灌注桩的静载试验,对湿陷性黄土场地的螺杆灌注桩承载特性进行了研究。叶阳升等[11]结合某高速铁路螺杆桩复合地基工程,开展螺杆桩复合地基原位测试试验,研究了螺杆桩侧摩阻力演化规律及螺杆桩荷载传递过程。冯浙[12]、王曙光等[13]通过室内模型试验和图像处理技术获得了螺杆桩和直杆桩的破坏形态,并结合现场试验对其承载机理和承载力计算公式进行探讨。金顺利[14]采用有限元方法对比分析螺杆桩群桩和直杆桩群桩的承载特性和承载机理差异,提出同等情况下螺杆桩群桩基础比直杆桩群桩基础具有更好的经济优势和承载性能。

综上可知,已有研究成果主要是围绕螺杆灌注桩的承载机理展开研究。近年来,一些地区开始采用钢螺杆作为锚桩,将其与钢梁等结构组合成装配式系统,为基桩静载试验提供反力。钢螺杆桩施工代替堆载试块运输和吊装,现场装拆便捷高效,相比传统堆载试验法可节省30%以上的成本,应用优势十分明显[15-16]。然而,关于钢螺杆桩承载理论的研究远远滞后于工程实践,关于该桩型承载机理的研究工作鲜见报道,仅少数文献对其工程应用问题进行了探讨。笔者通过现场载荷试验发现,螺杆桩抗拔力发挥存在不可逆性,即当桩土界面产生一定相对位移后,若螺杆桩极限抗拔力不满足最大加载量要求,现场暂停试验或卸载后再加载,桩侧抗拔摩阻力将显著低于初次加载值,从而导致静载试验失效。因此,为避免基桩静荷载试验因锚固桩抗拔力不足情况的发生,建立钢螺杆锚桩抗拔力公式,根据场地地层参数估算其单桩抗拔承载力设计值具有重要意义。

本文首先介绍基于钢螺杆锚桩法的基桩静载试验实施过程,基于已完成的钢螺杆锚桩现场抗拔试验和场地工程地质勘察资料,研究土质条件、桩长及直径等对钢螺杆桩抗拔性能的影响,探讨该类桩型的抗拔承载机理。然后,基于我国《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[17]推荐的直杆桩桩侧抗拔摩阻力取值,建立与螺杆桩抗拔摩阻力的相关关系,给出不同类型土体的桩侧抗拔摩阻力提高系数。最后建立钢螺杆锚桩单桩抗拔承载力计算方法,并通过其单桩抗拔静载试桩进行验证。

1 钢螺杆锚桩静载试验方法

钢螺杆锚桩(图1)由专用机械旋压进入土层。螺纹杆是螺杆桩成桩的重要构件,主要用于钻孔挤土形成螺纹桩孔位,螺牙截面为梯形或三角形。

图1 钢螺杆锚桩实物照

钢螺杆是在20mm壁厚的外径300mm钢管上焊接螺距约250mm的螺纹板,钢螺杆的外径通常有400mm和600mm两种规格。钢螺杆桩宜采用直径400mm全螺纹桩,适用于砂质黏性土、坡积黏土、风化残积土,且厚度大于5.0m的地层。

现场载荷试验过程包括以下步骤:

(1)设备入场时,采用汽车吊将螺杆钻机、螺杆进行吊装,堆放在测试场地上。

(2)钢螺杆锚桩的施工采用转速12转/min、扭矩400kN·m的螺杆桩机,如图2所示,可确保钢管转一圈入土深度等同25cm螺距,保证桩周土体结构完整。每段螺杆长度6m,可根据需要进行接长。施工到锚桩机最大扭力的90%时停机终止钻进。

图2 钢螺杆桩施工装备

(3)钢螺杆锚桩一般以试验桩为中心对称布置,也可在试验桩旁进行杠杆式反力加载法布置[9]。钢螺杆锚桩与反力装置平台采用螺纹精钢连接。

(4)静载试桩过程按照《建筑桩基检测技术规范》(JGJ 106—2014)进行,同时监测钢螺杆锚桩在试验中的上拔量,上拔量不宜超过20mm。

(5)静载试验完成后,反转螺杆取出钢螺杆,采用最低转速并逐步加大扭力达到额定值,暂停扭转之后再重复上述反扭操作,让螺杆与地基土之间的接触阻力逐步降低,通过循环拧松将钢螺杆拔出并回填钻孔。

2 钢螺杆锚桩现场抗拔试验

为获得多种地层条件钢螺杆锚桩抗拔承载力数据资料,课题组依托广州多个工程项目开展钢螺杆锚桩静载试验。试验场地主要地质情况描述参见表1。

表1 试验场地地质情况

由表1可见,场地1～4均属于典型的分层土地基,桩周土层最大标贯击数不超过40,土体总体呈上软下硬分布,钢螺杆能穿过上述土层并顺利成螺。

图3为现场试验照片。现场试验采用的钢螺杆锚桩桩径包括400mm和600mm两种规格,进入土层段均为全螺纹段,桩端土层类型包括淤泥质土、砂质黏土层、砂层和全风化花岗岩层。

图3 钢螺杆锚桩抗拔试验现场照片

3 试验结果分析

图4为不同类别场地中入土深度15m的钢螺锚杆锚桩上拔荷载-上拔位移关系曲线。可以看出,钢螺杆锚桩抗拔力由小到大对应的桩端土类型依次为淤泥质土、粉质黏土、砂质黏土(砂性土)和全风化花岗岩,说明场地土质条件越好,钢螺杆锚桩抗拔承载力越高;当钢螺杆锚桩上拔位移小于10mm时,基本处于受荷线弹性变形阶段。

图4 试验桩上拔荷载-上拔位移关系曲线

图5为场地2中钢螺杆锚桩桩长与单位桩长抗拔承载力及抗拔刚度关系柱状图。由图5可见,随着钢螺杆锚桩下部桩段进入深部硬土层,桩侧土体对桩身抗拔力的贡献水平增加,故单位桩长抗拔承载力与桩长总体呈正相关关系。取各桩上拔位移量10mm,其对应的单桩抗拔刚度同样随桩长增加而提高。由此可知,对于上软下硬这类典型地层,在满足钢螺杆锚桩钻入和成螺的前提下,适当增加桩长并进入较好土层能够有效提高单桩抗拔承载力。

图5 桩长与抗拔承载力及刚度的关系

直径400mm钢螺杆锚桩的外周长为1 256mm,直径600mm钢螺杆锚桩的外周长为1 884mm,后者桩侧土接触面积超过前者约50%。图6给出了两种直径钢螺杆锚桩达到极限状态时,在淤泥质土(对应桩长12mm)、粉质黏土(对应桩长15mm)和砂性土(对应桩长18mm)地层中的钢螺杆锚桩桩侧单位抗拔摩阻力(单桩抗拔承载力/桩侧总面积)。可以看出,两种直径钢螺杆锚桩的单位抗拔摩阻力总体接近,通过增大螺纹直径(桩径)并未明显提高钢螺杆锚桩的单位抗拔摩阻力,推测这与400mm桩径施工时更易实现等螺距同步钻进,对土体结构挤压和扰动相对更小有关。

图6 不同直径、不同桩长钢螺杆锚桩的单位抗拔摩阻力

4 钢螺杆锚桩工作机理

采用螺桩机施工钢螺杆锚桩,为桩基承载力静载试验提供反力,在国内外桩基检测领域尚无成熟的应用经验。现场试验表明,钢螺杆锚桩钻进时,螺杆转速与钻入速度同步是保证桩周土体承载力的关键。随着钻入深度增加,地层硬度和抗力也增加。若螺杆转速与钻入速度不同步,土层中螺纹将受扰动破坏,无法为螺杆桩提供足够锚力。

钢螺杆锚桩抗拔承载性能发挥主要依靠桩侧土体对桩体的约束作用。由于钢螺杆锚桩自身刚度大,桩体向上运动时桩身螺牙挤压上部土体,螺牙影响区域内土体在机械咬合和挤密作用下与桩体共同移动,并与周围土体产生相对剪切滑移。当桩顶上拔力逐渐接近峰值时,桩侧破坏面平均直径大于螺牙外径,桩侧土界面作用应力将超过传统直杆桩界面抗拔摩阻力,这与螺杆灌注桩竖向抗拔试验研究结论基本一致[13]。换句话说,钢螺杆锚桩抗拔阻力表现为桩周各层土体的抗剪强度大小(与土性相关)和发挥程度(与位移有关),土体抗剪强度往往大于桩土界面的摩擦阻力,故该类桩的抗拔力较直杆桩提高更显著。

5 钢螺杆锚桩抗拔承载力计算公式

根据文献[7-8,12-13]开展的螺旋桩室内模型试验结果,本文假定钢螺杆锚桩进入极限承载状态后,桩与土沿着桩螺旋外径界面产生相对滑移。桩自重相对其抗拔承载力较小(6m长螺旋桩段质量约16t),分析时不考虑桩重量。钢螺杆锚桩单桩抗拔承载力Q计算公式为:

Q=u∑βiqili

(1)

式中:qi为第i层土的极限抗拔摩阻力;li为螺杆桩接触第i层土的厚度;u为螺杆桩周长;βi为抗拔摩阻力提高系数。

我国《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)对于桩侧摩阻力不区分向上或向下,故各类土层qi值均依据该规范取值。螺杆桩旋入土体对周围土体有挤密效应,能较好地保持桩侧土体结构,提高桩侧土体界面摩擦系数,本文将该有利因素定义为抗拔摩阻力提高系数βi。

为确保抗拔承载力推算值具有一定的安全储备,抗拔摩阻力提高系数βi通过以下方法计算:

(1)根据地质资料给定桩侧各土层qi值,初次计算取《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)推荐范围的最大值。

(2)将桩侧土层qi按照数值大小分为qi≤50kPa、50kPa85kPa四个区间,依据现场试验数据,假定上述各区间βi值。土体越密实,βi值越大;松散和软弱土的βi值较小。

(3)采用各土层βi值计算单桩抗拔承载力,将抗拔承载力计算值和实测抗拔承载值进行对比。若前者超过后者,则调整各类土的βi值重新计算,直至抗拔承载力计算值不超过实测抗拔承载力值,结束计算。

(4)通过上述步骤获得不同强度土层的βi值。从偏于安全考虑,软弱土层的βi值取1.0。表2为依据上述方法得到的各类土层抗拔摩阻力提高系数βi值。由表2可见,抗拔摩阻力提高系数βi取值范围通常为1.2～1.6(软弱土层不计)。

表2 抗拔摩阻力提高系数βi值

另取6根钢螺杆锚桩SZ1～SZ6(基本情况见表3),采用本文计算公式(1)进行对其抗拔承载力估算,并与静载试验结果比较,见图7。由图7可以看出,钢螺杆锚桩抗拔承载力计算值与实测值总体一致,且计算值相对偏小,能够满足钢螺杆锚桩抗拔试验承载力估算要求。

表3 钢螺杆锚桩基本情况

图7 抗拔承载力计算值与实测值对比

需要注意的是,依据本文式(1)计算钢螺杆锚桩单桩抗拔承载力时,桩体上部若存在无螺纹段,则按照实际管桩外径进行计算,不考虑抗拔摩阻力提高,取βi=1。施工时若无法保证螺旋钻入(桩侧土层结构被破坏),计算时不应考虑摩阻力提高效应,取βi=1。

6 结论

本文基于钢螺杆锚桩现场抗拔试验成果,研究桩长、螺纹直径等因素对钢螺杆锚桩抗拔性能的影响,探讨了钢螺杆锚桩竖向抗拔承载机理,并建立了可用于估算钢螺杆锚桩单桩抗拔承载力的计算方法。主要结论如下:

(1)钢螺杆锚桩施工过程为完全挤土且桩侧土体呈螺旋形,其单桩抗拔承载力较同等桩径直杆桩有一定提高,并且土体性质越好,其抗拔摩阻力提高越明显。

(2)螺纹直径400mm与600mm的钢螺杆锚桩单桩抗拔承载力总体接近。螺杆旋进与进尺同步时单桩抗拔承载力较高,增大螺纹直径并不能有效提高其抗拔性能。从便于现场施工角度考虑,采用400mm桩径具有更大的经济技术优势。

(3)本文采用试算法确定各类土层抗拔摩阻力提高系数βi值,根据土体软硬和密实程度,抗拔摩阻力提高系数βi取值范围通常为1.2～1.6(软弱土层不计)。本文提出的钢螺杆锚桩单桩抗拔承载力计算公式能够有效指导钢螺杆锚桩静载反力系统设计,为顺利开展基桩承载力检测提供了可靠保证。