变截面螺杆桩沉桩数值模拟

(扬州大学建筑科学与工程学院 江苏 扬州 225127)

引言

2018年9月，在扬州西区进行勘探时，发现土层含有东部地区较少出现的中风化泥质砂岩，而普通灌注桩沉桩时间长，经济效益差，难以在岩层中成桩[2]。故专家组讨论决定采用螺杆桩施工工艺，而在现场施工时，常规螺杆桩在穿越岩层时，钻杆出现较大抖动，沉桩时间较长，待桩顶钻入岩层后钻杆稳定，说明接触岩层时，常规螺杆桩的钻头的螺纹端处出现了较大的应力集中和不稳定的情况，等到成孔后这种情况得以缓解。施工完成后进行研究发现，常规螺杆桩(图1桩型Ⅰ)钻机进入土层(岩层)过程中，钻头处螺纹段会发生较大的应力集中，所以改变桩头段螺纹形式，对于提升螺杆桩施工过程中的稳定性，减小应力集中现象有着重要意义，本文根据前人研究就经验所得，现将螺纹段桩头设计改变为渐变形式(图1)，通过PFC2D离散元模拟研究以及模型槽实验等进行差异化研究，得出不同桩型在砂土-岩石情况下的和沉桩过程中桩身接触应力的分配。为控制变量，仅将桩头处螺纹进行改变，常规螺纹段尺寸仍保持不变。

一、初始模型

本次模拟采用PFC2D软件进行。利用wall命令建立Ⅰ个0.8m×1.5m模型箱和1m长螺杆桩，在封闭空间内按照筛分实验所得的颗粒级配曲线生成约17500个颗粒，颗粒个数由目标孔隙率控制，其初始颗粒模型与级配曲线如图4所示,其中曲线1为筛分实验所得级配曲线，曲线2为模拟软件生成的级配曲线。

二、沉贯阻力

在沉惯过程中，桩身所受到应力分布将直接决定成桩质量，影响桩身配筋方式。所以，我们通过对桩身不同点进行监测，得出了在沉惯过程中桩身不同点的接触力大小，首先是主要监测点2、3、4(图6)所示为沉贯过程中螺纹接触力与贯入量变化曲线，曲线变化可以分为三个阶段：0～0.5m阶段为线性增长，接触应力增长到2.13×103n时开始放缓，0.5m～0.8m增长幅度减小，0.8m之后嵌入岩石，接触力迅速增长。最终接触力最大可到达1.79×104n。对于桩型Ⅰ来说，由于螺纹长度较长，在刺入土体成孔时，所挤密的颗粒更多，受到的接触力更大，但是当螺纹2成孔后，螺纹3、4刺入土体所受到的接触力却小于螺纹2，螺纹3受到的力占螺纹2的百分之90左右，螺纹4占百分之60左右。这是符合规律的，说明成孔后土体受到了扰动，使得后续螺纹贯入受到的阻力减小，但也说明了桩头产生了应力集中，随后减缓。在桩型Ⅱ中，监测点2由于其短螺纹所受到的力远小于其余监测点，而监测点3、4的接触力却有所提高，监测点3在砂性土中接触力为监测点2的1.2倍左右，监测点4为点2的1.3倍左右，说明渐变螺纹在控制贯入阻力分配方面是非常有效的，过程为短螺纹先开孔，然后长螺纹扩大孔径。但是当刺入岩石层后，监测点4的接触力却迅速增长到了点2点3的2倍左右，与桩型Ⅲ进行对比，桩型Ⅲ在砂性土中与桩型Ⅱ所受到的接触力区别不大，接触力增长曲线也相似，但是在岩石层中，桩型Ⅲ带倾角的螺纹优势便体现出来，三个监测点的应力增长速度相近，沉贯完成的最终的接触力三个点也仅相差百分之十左右，这表明带倾角螺纹在强粘聚力的土层如中风化岩层中，成孔过程中产生侧向压力，虽然这会导致螺纹在成孔时所受到的接触应力稍大，但是对于后续螺纹扩大孔径时所受到的接触力分配有着良好的影响，接触力分配也是逐步递增而非突变。而在中低密砂土及软弱土中，桩型Ⅱ与桩型Ⅲ的受力并无巨大区别，所以在密实度较低的土体中，不需要对螺杆桩螺纹形状进行特殊处理。

而对于监测点1(图5)来说，桩头在刺入土体后,所受到的力呈现先缓慢增长，然后刺入岩石后快速增长的规律，而不同桩桩头所受到的力受后续螺纹成孔的影响，呈现细微的区别，在砂土中，横向对比三种桩的桩端接触应力差值波动在百分之五左右，而刺入岩石后至沉贯完成后接触应力差距提高到百分之10属于正常现象，这也说明后续螺纹的改变对与端头受力影响较小，可以忽略不计，但值得注意的是，在刺入岩石时(y=0.825m)的时候，桩Ⅰ与桩Ⅲ提升到百分之15，桩Ⅱ与桩Ⅲ差值提高到百分之17，然后迅速回落，回落到百分之10左右。分析原因这是由于螺纹成孔时提高了沉贯阻力，提高了桩端下沉阻力，而在成孔完成后阻力减小，便又回落到了正常数值。所以在穿越不同土层的时候，要适当减小沉贯速度以减小桩体受到的应力集中。

而对于监测点5、6、7(图7)来说，应力增长呈现为线性增长，而且不同于其余监测点，当y>0.8m后也就是桩体在刺入岩石后并没有出现应力快速增长的现象，这说明了桩体在岩石中成孔后，孔内灌入砂土[3]，此时螺纹仅需要克服砂土剪切力向下位移，减小了后续桩身沉贯所受到的应力，此时桩身受到的力仅为被动土压力。土体在沉桩过程中受到了扰动，对桩身螺纹的阻力也相应的减小。这也从侧面说明了在沉贯过程中的最大应力集中点发生在桩体对原状土进行成孔的位置。

监测点7(图7)表现为直杆段在土体中的应力增长曲线，其应力所占比重大约为常规螺纹的0.3-0.7倍，螺纹段所受阻力比直杆段更大，这也从侧面说明螺纹段比直杆段所挤密土体的效果更加好，桩与桩周土所能共同提供的承载力也更大，大概在1.4-2.2倍左右，这与学者徐佩洪[4]在的结论是一致的,同截面尺寸下的螺杆桩单桩承载力约为灌注桩的1.7[5]倍左右，在加载作用下受到的荷载约为灌注桩的1.9倍左右。

三、结论

1.变截面螺纹对螺杆桩在沉贯过程中的应力分配有着重要影响，桩头处螺纹形式及长度会影响刺入土体时桩身的应力分配。

2.螺纹段相对于直杆段来说，在施工过程中所受的力更大，大约为1.4～2.2倍左右。

3.在低密砂土体情况中，螺纹的形式并不会明显影响接触应力的大小，反倒是螺纹长度对桩身的应力集中现象有着明显的影响。螺纹长度越长，带动的颗粒下沉越多，应力集中现象越明显。

4.在岩石层中，螺纹的形式会影响桩身的应力分配，带倾角的螺纹能够避免应力突变现象，使得桩身在沉贯过程中，桩身所受到接触力是逐级递增，且逐级递增幅度为百分之20左右，应力分配均匀。