葉陽升,蔡德鉤,陳曉斌,楊嚴龍,陳 鋒

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；4.中南大學 重載鐵路工程結構教育部重點試驗，湖南 長沙 410075)

螺桿樁全稱為半螺旋擠孔管內泵壓混凝土灌注樁，是一種變截面樁，其上部為圓柱形，下部為螺紋型，如圖1所示。沈保漢等[1]分析了螺桿樁的基本原理、樁型特點、施工機械與設備、適用范圍以及施工工藝后，指出螺桿樁實際上是螺紋灌注樁的變形體，具有施工效率高、無泥漿及噪音污染等優(yōu)點。自投入使用以來，螺桿樁已在鄭徐、張呼、合安、大張等多條高速鐵路、客運專線的復合地基中采用[2-3]。螺桿樁開發(fā)思路主要在于充分發(fā)揮樁土之間的摩擦力，剖析圖2所示螺桿樁—土荷載傳遞機制，認識直桿段與螺紋段樁側摩阻力分布規(guī)律和發(fā)展特點，是正確計算螺桿樁承載力和修正計算結果的重要依據(jù)[4-6]。所以，開展螺桿樁復合地基樁側摩阻力研究具有重要意義。

圖1 螺桿樁的直桿段和螺紋段

圖2 螺桿樁土接觸面

復合地基以其特有的優(yōu)勢在工程建設中大量應用，復合地基內樁端無論落在一般土層還是堅硬土層，均可保證樁間土始終參與工作[7]。自從螺桿樁復合地基投入使用以來，對復合地基內螺桿樁樁身內力分布規(guī)律已有一些有益的研究。在數(shù)值模擬方面，張偉[8]在國內外已有的研究基礎上，系統(tǒng)分析了螺桿樁的荷載傳遞機理、受力特征和破壞性狀，基于極限分析方法推導了螺桿樁極限承載力的計算公式。彭奎森[9]利用有限元軟件ANSYS分析了螺桿樁的豎向承載特性，并基于數(shù)值模擬結果，提出了雙折線數(shù)學模型的螺桿樁靜載荷Q—樁頂沉降s曲線的擬合解。李海周[10]運用ANSYS軟件對螺桿樁進行了數(shù)值模擬，分析了不同的樁型參數(shù)對樁身應力分布的影響，通過數(shù)值計算揭示了螺桿樁軸力分布規(guī)律。齊艷霞[11]基于ANSYS軟件，分析了螺紋段長度、螺距以及螺紋葉片高度3個參數(shù)對螺桿樁單樁承載力及樁身應力分布的影響，加深了對螺桿樁力學傳遞機理的認識。張璐[12]對比分析了螺桿樁及灌注樁兩種樁型在控制沉降、樁身軸力分布方面的差異，基于數(shù)值模擬結果，指出螺桿樁具有推遲樁側阻力軟化的能力。在試驗研究方面，方崇[13]根據(jù)靜載試驗資料，分析了螺桿樁豎向荷載的傳遞機理，探討了螺桿樁的受力特征以及破壞性狀，指出最佳螺紋間距為1.0～1.5D(D為樁外徑)。周閃[14]通過現(xiàn)場靜載試驗數(shù)據(jù)與理論計算的單樁承載力進行對比分析，驗證了螺桿樁具有較高的承載力。Stanier[15]和Dong[16]對螺紋樁的受力性能也進行了研究。譚國煥等[17]通過3根側表面粗糙情況不同的模型樁對比試驗，探討了樁側表面粗糙程度變化對樁極限承載力的影響規(guī)律。錢建固[18]對新型注漿成型螺紋樁的樁側螺紋注漿界面開展了大型直剪試驗，結果表明存在最優(yōu)螺距，使得螺紋樁側摩阻力能夠得到最大程度的發(fā)揮。王曉哲[19]討論了螺桿樁螺紋段承載力計算方法與直桿段作用。姚建明[20]開展了全螺紋鉆(擠)孔灌注樁在上海軟土地區(qū)的應用研究。應立軍[21]等人在進行大直徑螺桿樁機變徑鉆具的結構設計時，分析了樁側阻力的影響?，F(xiàn)有對復合地基內螺桿樁樁身內力分布的研究，主要集中于螺桿樁的豎向承載及樁身軸力方面[22-24]，且大部分為數(shù)值模擬計算工作，由于現(xiàn)場試驗耗時耗力，針對螺桿樁復合地基的現(xiàn)場原位測試試驗研究成果不多，特別是直桿段與螺紋段樁側摩阻力原位測試分析方面的研究更是寥寥無幾。

實際中，螺桿樁在承受上部荷載時，直桿段與螺紋段樁側摩阻力發(fā)揮著非常重要的作用。另外，螺桿樁由于其特殊的截面形式，使得其荷載傳遞機理、受力特性以及側摩阻力的分布規(guī)律非常復雜。因此，螺桿樁側摩阻力方面還存在幾個問題亟待研究：①螺桿全樁長—土接觸面荷載傳遞機制及發(fā)展變化規(guī)律；②螺桿全樁螺紋部分的樁側摩阻力分布規(guī)律；③理論分析及數(shù)值分析結論需要現(xiàn)場原位測試結果進行佐證。為了彌補螺桿樁側摩阻力研究的不足，本文結合太焦高速鐵路螺桿樁復合地基工程，開展螺桿樁復合地基樁側摩阻力原位測試試驗，獲得螺桿樁單樁Q—s曲線以及樁身內力分布曲線，研究高鐵復合地基中螺桿樁側摩阻力演化規(guī)律及螺桿樁的荷載傳遞機理。

1 側摩阻力原位試驗概況

太焦高速鐵路是山西和河南兩省“十二五”規(guī)劃的重大交通基礎設施項目，鄭州至太原鐵路(鄭太高鐵)的重要組成部分。該線路始于山西太原市，經(jīng)晉中市、長治市、晉城市終點位于河南焦作市。太焦高速鐵路線路長度362 km，采用CRH系列動車組雙線電力牽引，設計行車速度為250 km·h-1，為雙線高速鐵路。本文基于太焦高速鐵路螺桿樁復合地基工程，開展了螺桿樁復合地基樁側摩阻力原位測試，試驗點位于太焦高速鐵路晉城東站。試驗點的螺桿樁復合地基設計圖以及施工現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 螺桿樁復合地基結構設計圖及施工現(xiàn)場圖

根據(jù)現(xiàn)場的地質勘探資料，試驗點土層分布情況及基本物理力學參數(shù)見表1。

表1 試驗點地土層基本物理力學參數(shù)

現(xiàn)場原位試驗選取了3根15 m長的螺桿樁單樁，其中螺紋段占2/3，樁徑為0.4 m，樁身混凝土強度為C20。

參考TB 10218—2008《鐵路工程基樁檢測技術規(guī)程》的規(guī)定[25]，采用靜載荷試驗方法對選取的3根螺桿樁進行單樁靜載試驗。

試驗現(xiàn)場采用圖4所示的堆載—反力裝置，樁頂荷載由反力裝置通過油壓千斤頂施加，施加的荷載大小和樁頂沉降量通過全自動樁基靜載測試系統(tǒng)檢測。試驗采用慢速維持荷載法進行分級加載和卸載。試驗中，在樁身埋設應變傳感器測試樁身應變，通過換算獲得樁側摩阻力值，傳感器布置情況如圖5所示。在靜載試驗過程中同步測試樁身內力。試驗樁施工前應計算好每個應變傳感器距樁頂?shù)臏蚀_距離，其中最下方的應變傳感器安裝在距樁端的500 mm處，試驗中應變傳感器距樁頂?shù)木嚯x分別為0.3，2.3，5.3，8.3，11.3和14.5 m。

圖4 堆載—反力裝置

圖5 原位試驗及傳感器布置

2 靜載荷試驗結果

圖6為現(xiàn)場原位測試得到的Q—s試驗曲線。

圖6 Q—s曲線

由圖6可見：隨著荷載增加，Q—s曲線可以劃分為3個階段：Ⅰ階段，當荷載小于800 kN時，樁頂沉降較小，不超過5 mm，并且沉降量隨荷載增加近似呈線性變化，說明樁身處于彈性階段；Ⅱ階段，當荷載在800～1 800 kN時，樁頂沉降明顯增加，樁周土體逐漸發(fā)生非線性變形，此時樁身處于彈塑性階段；Ⅲ階段，當荷載大于1 800 kN時，樁頂沉降快速增加，當樁端土體受壓破壞時，樁身位移會急劇增大，整個樁身向下滑移，螺紋葉片內部土體與外部土體發(fā)生剪切破壞，此后樁頂荷載增加量將由樁端阻力承擔，此時樁身處于極限狀態(tài)。

基于3根試驗基樁實測數(shù)據(jù)，分析得到不同靜荷載下樁頂沉降曲線如圖7所示。

由圖7可知：3根樁靜載荷下的樁頂沉降曲線的變化趨于一致，都表現(xiàn)出彈性、彈塑性和極限狀態(tài)3個階段。其中，彈性階段樁頂沉降快速穩(wěn)定，隨著持荷時間增加不明顯；彈塑性階段樁頂沉降隨著持荷時間而緩慢增加；極限狀態(tài)階段樁頂沉降隨著持荷時間快速增加，最終沉降量超過40 mm。

圖7 不同靜荷載下樁頂沉降曲線

按照規(guī)范，螺桿樁的極限承載力取極限狀態(tài)階段的前一級荷載。

由圖7(a)可見：15-1號螺桿樁加載至2 200 kN并維持15 min后，樁頂沉降突然增大，達到了46.74 mm，樁端土發(fā)生刺入破壞，因此取2 000 kN作為極限承載力。由圖7(b)可見：15-2號螺桿樁加載至2 160 kN后，樁頂位移先慢慢增大，15 min時樁頂位移突然增大，達到50.28 mm，樁端土發(fā)生破壞，因此取1 980 kN作為極限承載力。由圖7(c)可見：15-3號螺桿樁加載至2 200 kN后，一開始樁頂沉降比較平穩(wěn)，經(jīng)過90 min后，樁頂位移突然增大，達到了48.02 mm，樁端土產生破壞，因此取2 000 kN作為極限承載力。

依據(jù)TB 10218—2008《鐵路工程基樁檢測技術規(guī)程》的規(guī)定，綜合分析和計算，得到了螺桿樁承載力取值見表3。

表3 螺桿樁承載力值極限值和特征值

3 樁側摩阻力結果分析

3.1 側摩阻力結果

根據(jù)力學原理，螺桿樁樁身單元內力分布情況如圖8所示。依據(jù)圖8，可通過樁身軸力推算出樁身不同位置處的樁側摩阻力，計算公式[26]為

(1)

其中，ΔSi=πdLi

式中：qsi為樁身第i段的平均側阻力，kPa；ΔPi為樁身第i段兩量測截面間軸力差，kN；ΔSi為樁身第i段的側表面積，m2；Li為樁身第i段的長度；d為螺桿樁直徑，螺紋段取外徑。

圖8 樁身單元內力圖

依據(jù)樁側摩阻力計算公式(1)，得到3根基樁實測樁側摩阻力分布曲線，如圖9所示。

對比圖9可以發(fā)現(xiàn)，隨著荷載的增大，螺桿樁樁身每一段的側摩阻力都在增大。同時可以發(fā)現(xiàn)，螺紋段側摩阻力增加的幅度要大于直桿段側摩阻力增加的幅度，說明螺紋段由于其特殊的截面形式，使其能夠提供更多的側摩阻力。圖9還可以發(fā)現(xiàn)：螺桿樁直桿段承載力比螺紋段先發(fā)揮作用，但隨著荷載的增大，螺紋段發(fā)揮作用趨勢更快，其極限側摩阻力大于直桿段。

當樁頂受到荷載時，螺紋段的側摩阻力主要表現(xiàn)為螺紋內外兩側土體之間的剪切力以及螺紋外側與土體之間的摩擦力，螺紋段由于螺紋與土體之間存在相互咬合現(xiàn)象，使得樁土之間的變形相互協(xié)調，因此同等條件下螺紋段的相對位移要小于直桿段的相對位移，且螺紋段的極限側摩阻力要大于直桿段的極限側摩阻力。

圖9 不同靜荷載下螺桿樁側阻力沿深度分布曲線

3.2 樁側摩阻力演化規(guī)律

為更好分析螺桿樁的樁側摩阻力演化規(guī)律，將計算得到的側摩阻力數(shù)據(jù)進行歸一化處理，定義樁側摩阻力比(分段側摩阻力/本樁最大側摩阻力)。圖10為歸一化處理后樁側摩阻力比沿著樁身深度分布曲線。圖10對應的是15-1號螺桿樁的3個加載階段下側摩阻力比分布變化情況。

圖10 螺桿樁側摩阻力比沿深度分布曲線(15-1號樁)

從圖10(a)中可以看出，在樁頂荷載小于800 kN時，螺桿樁的側摩阻力沿樁長方向整體上呈現(xiàn)出減小趨勢，上部直桿段的側摩阻力大于下部螺紋段的側摩阻力，而且整個樁身側摩阻力較小。在荷載為400和600 kN時，螺桿樁底部的側摩阻力為0，樁土之間沒有發(fā)生相對位移。說明在荷載較小時，樁土相對位移較小，樁側摩阻力發(fā)揮不充分，但直桿段樁土相對位移要大于螺紋段樁土相對位移，因此直桿段的側摩阻力要大于螺紋段的側摩阻力，此時樁頂荷載主要由上部直桿段承擔。

從圖10(b)中可以看出，當荷載增大時，直桿段和螺紋段的側摩阻力均在增大，但螺紋段側摩阻力增加的趨勢更快，此時除螺紋段底部側摩阻力較小外，樁身上下的側摩阻力相差不大。說明隨著荷載的增大，樁土相對位移在不斷增大，且螺紋段的樁土相對位移比直桿段增大的趨勢更快。隨著荷載的不斷增大，螺紋段的應力水平不斷提高，樁周土體逐漸發(fā)生非線性變形，此時螺紋段的側摩阻力發(fā)揮程度越來越高。

從圖10(c)中可以看出，當荷載增加到最后2級時，整個樁身的側摩阻力都在增大，且2 000 kN對應的側摩阻力為各部分的極限側阻力，此時螺紋段底部的側摩阻力相對于其上部樁身出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象。說明由于荷載的增大，其上部樁身的側摩阻力已經(jīng)接近極限值，增大幅度較小，樁頂荷載沿樁身傳遞到了螺紋段底部，使得螺紋段底部的側摩阻力有較大的提高。此時螺紋葉片內部土體與外部土體發(fā)生剪切破壞，螺紋段樁土達到屈服狀態(tài)，螺桿樁處于極限狀態(tài)，此后樁頂荷載增加量將由樁端阻力承擔。此時，螺紋段的側摩阻力要大于直桿段的側摩阻力，這充分體現(xiàn)出了螺紋這種特殊的截面形式在承載力方面所帶來的優(yōu)勢。

圖11為15-2號試驗樁的直桿段與螺紋段樁側摩阻力比沿深度分布圖。圖12為15-3號試驗樁的直桿段與螺紋段樁側摩阻力比沿深度分布圖。

從圖11和圖12中可以看出，3根螺桿樁在樁頂荷載的作用下，其側摩阻力分布規(guī)律是相似的，在低荷載作用下，螺桿樁側摩阻力沿樁身整體上呈現(xiàn)減小的趨勢，螺紋段側摩阻力發(fā)揮程度較??；隨著荷載的增大，螺紋段側摩阻力以較快速率逐漸增大，此時螺紋段側摩阻力和直桿段側摩阻力差異不大，但樁端附近的側摩阻力發(fā)揮程度較??；當荷載逐漸增大到極限值時，螺紋段側摩阻力快速增大并超過直桿段側摩阻力，此時樁端附近的側摩阻力突然增大，承擔了較多的荷載。

總體來說，螺桿樁側摩阻力呈現(xiàn)異步發(fā)揮的特點，直桿段的側摩阻力比螺紋段側摩阻力先發(fā)揮，隨著樁頂荷載的不斷增大，螺紋段的側摩阻力逐漸得到發(fā)揮并最終超過直桿段。當樁側摩阻力比在0～0.5范圍內時，樁側摩阻力沿樁長整體上呈現(xiàn)減小的趨勢，螺紋段的側摩阻力發(fā)揮程度較小。當樁側摩阻力比在0.5～0.7范圍內時，螺紋段側摩阻力有了較快的發(fā)揮，此時螺紋段側摩阻力和直桿段側摩阻力差異不大，但樁端附近的側摩阻力較小，荷載沒有傳遞下來。當樁側摩阻力比在0.7～1.0范圍內時，螺紋段側摩阻力得到了更大的發(fā)揮，并逐漸超過直桿段，承擔了較多的荷載。螺紋段這種特殊的截面形式，將傳統(tǒng)的樁土之間的相互摩擦變成了樁土之間的相互咬合，使得樁的極限側摩阻力大大提高。

圖11 不同靜荷載下螺桿樁側摩阻力比沿深度分布曲線(15-2號樁)

圖12 不同靜荷載下螺桿樁側摩阻力比沿深度分布曲線(15-3號樁)

4 討 論

通過對晉城東站螺桿樁現(xiàn)場測試的結果分析得知，試驗過程中，螺桿樁直桿段的承載力比螺紋段的承載力先發(fā)揮，樁側摩阻力比樁端阻力先發(fā)揮。螺桿樁側摩阻力的演化過程可以明顯劃分為彈性階段(對應樁側摩阻力比為0～0.5)、彈塑性階段(對應樁側摩阻力比為0.5～0.7)和極限狀態(tài)階段(對應樁側摩阻力比為0.7～1.0)3個階段。實際測試得到的螺桿樁側摩阻力發(fā)展演化規(guī)律如下：①彈性階段，直桿段的側摩阻力比螺紋段側摩阻力先發(fā)揮，表現(xiàn)為螺紋段側摩阻力小于直桿段側摩阻力，樁頂豎向荷載主要由上段均勻承擔；②彈塑性階段，隨著樁頂荷載的不斷增大，螺紋段的側摩阻力逐漸得到發(fā)揮并接近直桿段側摩阻力，表現(xiàn)為螺紋段側摩阻力與直桿段側摩阻力相當，上下兩段均勻分擔樁頂荷載；③極限狀態(tài)階段，螺紋段側摩阻力快速增大，螺紋段側摩阻力充分發(fā)揮，表現(xiàn)為螺紋段側摩阻力大于直桿段側摩阻力，樁頂荷載主要由下段承擔。

實際測試結果揭示了螺桿樁側摩阻力從上部直桿段充分發(fā)揮逐步過渡到下部螺紋段發(fā)揮的過程。只有在較大樁頂荷載作用下，可激發(fā)螺紋部分樁土之間咬合力發(fā)揮作用，螺紋部分的側摩阻力才能大幅度提高，方可體現(xiàn)出螺桿樁的優(yōu)勢。在這方面，數(shù)值計算得到的樁側摩阻力規(guī)律與實測得到的規(guī)律有時候不一致。例如，針對粉質黏土，蔣鵬程[25]對螺桿樁的側摩阻力分布開展了數(shù)值模擬計算，結果如圖13所示。

由圖13顯示，數(shù)值模擬能夠很好體現(xiàn)Q—s曲線的3個階段。Q—s曲線在200 kN以下時近似直線，此時樁身處于彈性階段；200～500 kN時，Q—s曲線向下彎曲，樁身處于彈塑性階段；當荷載增大至600 kN時，Q—s曲線出現(xiàn)明顯的拐點，樁頂在施加600 kN荷載時出現(xiàn)陡降，沉降量迅速增加。數(shù)值計算手段在模擬承載能力方面能夠取得較好的效果。但是在分析樁側摩阻力分布規(guī)律方面，存在一些困難，不能很好反映螺桿樁側摩阻力從上部直桿段充分發(fā)揮階段逐步過渡到下部螺紋段發(fā)揮階段的演化過程。例如，數(shù)值計算表現(xiàn)為：在樁頂荷載較低時，樁身上下側摩阻力差異不大；隨著荷載增大，直桿段側摩阻力逐漸大于螺紋段；當樁頂荷載達到極限狀態(tài)時，螺紋段最大側摩阻力只有直桿段最大側摩阻力的70%，螺桿樁特殊的截面形式所帶來的優(yōu)勢不能發(fā)揮出來。螺桿樁由于其特殊的截面形式，其荷載傳遞機理、受力特性以及側摩阻力發(fā)揮機制非常復雜，以目前的技術手段很難在數(shù)值計算中重現(xiàn)螺桿樁側摩阻力演化發(fā)展的真實特點，數(shù)值分析結論需要現(xiàn)場原位測試結果進行佐證?；诂F(xiàn)場原位測試結果和螺桿樁側摩阻力發(fā)展規(guī)律的認識，在螺桿樁復合地基優(yōu)化設計方面，提出螺桿樁復合地基優(yōu)化思路：①對于小噸位要求的螺桿樁復合地基，優(yōu)先考慮發(fā)揮螺桿樁上部樁側摩阻力，有施工條件情況下可將螺紋段設計在上部；②對于大噸位要求的螺桿樁復合地基，優(yōu)先考慮發(fā)揮螺桿樁中、上部樁側摩阻力，有施工條件情況下可將螺紋段設計在上部和中部；③對于大噸位和變形嚴格要求的螺桿樁復合地基，可考慮全樁長設計螺紋段，全面發(fā)揮螺紋部分樁土之間的咬合力作用，全面利用螺桿樁的優(yōu)勢。

5 結 論

(1)螺桿樁全樁—土接觸面荷載傳遞過程劃分成3個階段：當樁側摩阻力比為0～0.5時，樁—土作用狀態(tài)為彈性階段；當樁側摩阻力比為0.5～0.7時，樁—土作用狀態(tài)為彈塑性階段；當樁側摩阻力比為0.7～1.0時，樁—土作用狀態(tài)為極限狀態(tài)階段。

(2)螺桿樁直桿段和螺紋段樁側摩阻力的演化規(guī)律為：在彈性階段，螺紋段側摩阻力小于直桿段側摩阻力；在彈塑性階段，螺紋段的側摩阻力逐漸得到發(fā)揮并接近直桿段側摩阻力；在極限狀態(tài)階段，螺紋段側摩阻力大于直桿段側摩阻力。

(3)基于現(xiàn)場原位測試結果和螺桿樁側摩阻力發(fā)展規(guī)律的認識，有助于加深對螺桿樁—土荷載傳遞機制的理解，為修正螺桿樁承載力計算方法提供參考。