基于有限元对螺纹桩极限承载力影响因素的研究

邢昌柱,梁俊杰,陈国健,刘雯月,杨 雪

(1.中交路桥南方工程有限公司,北京 101101;2.吉林大学建设工程学院,吉林 长春 130012)

1 螺纹桩承载特性分析

1.1 有限元模型建立

螺纹桩主要由两部分组成,其内部是等截面圆芯,外部由一定厚度与间距的旋转螺纹组成,在CAD软件中进行螺纹桩三维模型的建立,参数见表1,通过布尔运算得到与之相对应的桩间土体模型,由于土体是半无限体,但是受桩影响的范围相对是有限的,且因为有限元分析模型的计算域有边界,因此为了降低其对于计算结果产生的影响,在前期预研后确定土体水平方向取20倍桩径,桩端土体取2倍桩长;对螺纹桩与桩周土体进行材料参数赋值,见表2;将得到的螺纹桩与桩周土体模型导入到Abaqus软件当中进行网格划分,采用C3D8R单元进行划分,使用四面体网格,网格由近到远,由密到疏逐渐过渡。接触面的法向行为采用硬(hard)接触,接触之后接触面可以分离,切向行为均采用库伦摩擦模型,摩擦系数为0.7;对土体底部进行固定端约束,对土体侧面进行侧向约束;在地应力平衡分析步中进行初始地应力平衡,于荷载分析步在桩顶面圆心处施加竖向位移,监测该点的反力变化,最终通过荷载-位移曲线来判断螺纹桩极限承载力。

表1 螺纹桩结构参数

表2 土层和桩体参数

1.2 荷载-位移曲线

荷载-位移曲线发生明显转折的桩即陡降桩,陡降桩的极限承载力取其位移量发生突变时所对应荷载,通过螺纹桩的荷载-位移曲线可知,螺纹桩属于陡降桩,其极限承载力和与之对应的变形量见表3,螺纹桩的极限承载力为3 175 kN,此时沉降量为22 mm。荷载-位移曲线无明显转折为缓变桩,取其位移量达到40 mm时的荷载为极限承载力,等截面圆桩属于缓变桩,其极限承载力和与之对应的变形量见表3,直径为400.0 mm、500.0 mm的等截面圆桩的极限承载力分别是1 089 kN和1 864 kN,在其他条件相同的情况下,螺纹桩的极限承载力是直径400.0 mm、500.0 mm等截面圆桩的2.92倍、1.70倍,而极限破坏时变形量仅为二者的55%。从有限元模拟的角度验证了与相同直径的等截面圆桩相比,螺纹桩具有更强的承载能力,且在达到极限承载力的时候所产生的变形量更小。

表3 不同桩的极限承载力与沉降量

2 螺纹桩结构参数对极限承载力的影响

2.1 螺纹密度

螺纹密度是指单位桩长内螺纹的周数,与相邻螺纹间的距离成反比。定义螺纹距离为400 mm的螺纹桩的螺纹密度为1,在螺纹桩其他参数不变的基础上,通过改变螺纹间的距离以改变螺纹密度,具体螺纹桩单桩结构设计参数见表4,建立数值模型对不同螺纹密度的螺纹桩极限承载力进行计算。

表4 不同螺纹密度下螺纹桩设计参数

图1是螺纹桩极限承载力与螺纹密度的关系曲线。随着螺纹桩螺纹密度逐渐增大,螺纹桩的极限承载力也随之增大,但是当螺纹桩的螺纹密度增加到2时,即螺纹间距在200 mm的时候,继续增加螺纹密度会使螺纹桩的极限承载力下降。这是因为螺纹桩的承载力主要是依靠螺纹桩之间土体抵抗剪切的能力,当螺纹过密时,螺纹之间土体在桩形成的过程中会发生剪切破坏,不再提供强度。观察图中曲线变化的波动可知,当螺纹密度从1下降到2/3的时候,极限承载力变化幅度较小,仅为3.4%,当从2/3下降到1/2的时候,极限承载力出现了较大幅度的波动,为10.1%,因此在实际施工的过程中参考模拟所得到的结果,当设计类似参数的螺纹桩时,建议螺纹密度在2/3～1的范围内。

图1 螺纹桩极限承载力与螺纹密度的关系曲线

2.2 螺纹宽度

螺纹宽度是指与桩轴线垂直方向上螺纹的尺寸,其取值也是在螺纹桩设计与施工过程中需要考虑的一个参数。同理,在保持其他结构参数不变的同时,仅改变螺纹宽度,建立螺纹桩的数值模型并对其进行极限承载力的分析计算,具体螺纹桩单桩结构设计参数见表5。

表5 不同螺纹宽度下螺纹桩结构设计参数

为了能更加直观的分析出螺纹桩极限承载力与螺纹宽度之间的关系,以20 mm为间隔对螺纹宽度在40～160 mm之间的螺纹桩的极限承载力进行计算,并得到关系曲线,见图2。随着螺纹宽度的增加,螺纹桩极限承载力有所上升,当螺纹宽度大于80 mm的时候,增长趋势逐渐变缓,以螺纹宽度为40 mm的螺纹桩为对照组,螺纹宽度为80 mm的时候,其极限承载力增加了13.2%,而当螺纹宽度增加至160 mm的时候,相比宽度为80 mm的极限承载力仅提升了4.8%,随着螺纹宽度的持续增加,螺纹桩的极限承载力持续增长,但当螺纹宽度超过80 mm时,其极限承载力增长速率缓慢,施工难度却大幅度提升。因此综合施工难度与成本来讲,对于相似参数的螺纹桩,螺纹宽度为80 mm的时候较为合理。

图2 螺纹桩极限承载力与螺纹宽度的关系曲线

2.3 螺纹外侧厚度

螺纹桩上的螺纹内侧厚度大于外侧厚度,这与成桩工艺相关。为探究螺纹桩螺纹外侧厚度对其极限承载力的影响程度,保持其他结构参数不变,仅改变螺纹外侧厚度,建立螺纹桩的数值模型并对其极限承载力进行计算分析,具体螺纹桩单桩结构设计参数见表6。

表6 不同螺纹外侧厚度下螺纹桩结构设计参数

在螺纹桩其他参数固定不变的情况下,由图3可知,随着螺纹外侧厚度的不断增加,极限承载力不断增大,但是螺纹桩螺纹外侧厚度变化对极限承载力所带来的影响微小,螺纹外侧厚度从20 mm变化至120 mm的过程中,螺纹桩极限承载力仅增加5.7%。因此在实际施工过程中,可以根据施工设备、施工便宜性和施工成本等因素对螺纹桩的螺纹外侧厚度进行合理设计。

图3 螺纹桩极限承载力与螺纹外侧厚度的关系

2.4 螺纹桩桩长

螺纹桩是一种典型的摩擦桩,随着桩长的增加,螺纹桩的侧摩阻力会增加,极限承载力也会增加。为了研究螺纹桩极限承载力与桩长L之间的关系,在保持其余结构参数不变的情况下,仅改变桩长并建立数值模型对极限承载力进行计算分析,具体螺纹桩的结构参数设置见表7。

表7 不同桩长下螺纹桩结构设计参数

绘制桩长与螺纹桩极限承载力之间的关系曲线。由桩长与螺纹桩极限承载力之间的关系曲线可知,极限承载力随桩长的增加呈线性增长,随着桩长从8 m增加到14 m,极限承载力从1 121 N增加到2 764 N,增大幅度为146.6%,由此可知随着螺纹桩桩长的增加,螺纹桩极限承载力呈线性增长,且增长幅度较大。因而在实际工程应用之中,可以在条件允许的范围内通过增加桩身长度来提高螺纹桩极限承载力以满足承载需求。

3 结 论

通过Abaqus有限元软件探究螺纹桩螺纹的结构参数包括螺纹密度、螺纹宽度、螺纹外侧厚度以及螺纹桩桩长对螺纹桩极限承载力的影响程度,得到如下结论。

(1)对螺纹桩和与其内、外径相同尺寸等截面圆桩的极限承载力进行对比研究,螺纹桩与内、外径相同尺寸等截面圆桩极限承载力比值分别为2.92和1.70,且当螺纹桩发生破坏时所对应的位移仅为等截面圆桩沉降量的55%,综合极限承载力与破坏时产生的位移,从有限元模拟的角度证明了螺纹桩承载能力优于等截面圆桩。

(2)螺纹密度和螺纹桩的桩长对螺纹桩极限承载力产生的影响较大,在内、外径分别为400束mm和500 mm的螺纹桩中,螺纹间距为400 mm的时候其承载能力好,在此基础上继续缩小螺纹间距以增大螺纹密度对极限承载力提升所带来的影响较小;随着桩长的增加,极限承载力与桩长呈线性增长关系,因此可以在允许的范围内通过增加桩长增强极限承载力。

(3)随着螺纹宽度和螺纹外侧厚度的变化,螺纹桩的极限承载力变化幅度较小,通过改变这两种结构参数难以达到增加螺纹桩极限承载力的目的,在螺纹桩工程实践过程中,可以依据施工需求与施工条件对两种参数进行合理设计。