螺杆桩不同螺纹构造对桩体承载能力影响的探析

肖雨晨 （北京化建建筑工程有限公司，北京 102300）

0 前言

随着我国经济快速发展，高速铁路建设已经步入一个相对高峰期。高铁建设主要涉及路、桥、隧等基本建设，工程建设的核心问题为如何控制好构筑物及路基沉降，为高速通行的列车提供变形充分、沉降稳定的运行环境。

在高速铁路路基建设中，为解决路基本体填筑前天然松软地基沉降过大、承载力不足等问题，设计多采取复合地基处理。较为常见软基处理形式有CFG桩、水泥土搅拌桩、挤密桩、碎石桩等。经过实际对比分析，在众多处理桩型中，采用螺杆桩进行地基加固施工，取得了较为良好的沉降控制效果。

1 研究桩型

螺杆桩是一种新型地基处理桩基，通过大扭力钻机及特殊钻杆在土体中形成带有螺纹的混凝土桩，该螺纹改变了传统直壁桩型靠桩侧摩擦提供桩体承载能力，而是靠螺纹剪力大大提高桩体承载能力。

螺杆桩是采用了变截面的构造形状，一般分为上部直杆段及下部螺纹段。成孔过程中桩侧土体受到挤密作用，成桩后原部分土体被钻杆挤密并泵送混凝土形成螺纹，而桩侧土体形成螺母，桩体螺纹与桩侧土螺母紧密咬合，当桩顶受荷时，螺纹段的桩侧土“螺母”受到压缩，环状“螺母”的根部受到剪切。桩的承载力有直杆段的侧阻力（摩阻力），螺纹段的抗剪强度和桩端的端承载力组成，而螺纹段的抗剪力远远大于同等条件下的侧阻力，满足了附加应力的分布规律和应力分担比及刚度变化的要求，调整了桩与土之间的作用，桩侧土体应力分摊比及应力扩散度提高，桩端荷载减少，使桩身受力与土体受力协调一致。

2 工程概况

新建×××铁路DK18+404.99～DK19+804.93站场正线路基范围内设计采用螺杆桩进行地基加固处理。螺杆桩几何断面“上部为直杆型，下部为螺纹型”，直杆段长度不小于有效桩长的1/3，螺杆桩桩底应深入细圆砾土≮0.5m，螺杆桩桩径0.5m，螺纹段直径等于直杆段直径，桩间距2m，平面呈正方形布置，桩长 7.0～14.5m。螺杆桩桩体采用 C25混凝土泵送成桩，螺牙宽度一般为5～6cm宽，螺牙端部厚度约5cm，根部厚度一般为10cm，桩径与螺距之比为1:0.6 ～1。

结合该施工段落内地质特点，原地面以下主要地层土质依次为粉质黏土（原地面～1.3m）、淤泥质粉质黏土（1.3～7.4m）、细砂（7.4～10.75m）、细圆砾土（10.75～15m）。土层主要物理力学参数见表1。

土层物理力学参数表 表1

图1 路基标准横断面图

3 计算模型建立

3.1 模型概述

本文采用Midas GTS NX有限元软件进行数值建模分析，模拟螺杆桩在相同地质条件下，针对相同桩径不同螺距、不同螺纹宽度及不同直杆与螺杆长度分配比例下桩体沉降情况及土体等效塑性应变来分析桩体承载能力及土体受荷后应变特性。

为充分模拟螺杆桩螺纹部分，土体及螺杆桩在软件中均采用实体单元模拟。土体采用能较好反映土体非线性变化的德鲁克-普拉格（D-P）理想弹塑性本构、桩体采用弹性本构，桩体与土体摩擦采用界面单元进行模拟，接触非线性选择库伦摩擦准则。为提高模型分析精度，实体网格划分采用软件中尺寸控制功能，桩体网格尺寸控制为0.1m，土体网格尺寸控制为0.5m，模型实体网格采用程序四面体网格划分，网格划分结果如图2所示。

图2 模型网格划分示意图

3.2 模型参数

为真实反映螺杆桩实际应力-应变情况，模型选取桩长11.25m为研究长度，土层建立尺寸为15m×15m×15m（长×宽×高）。由于该施工段落为软土地层，各个地层土体弹性模量E选取设计地勘文件3倍的压缩模量Es，界面单元中结构参数及接触非线性参数由软件界面属性助手生成。模型结构约束及重力均由软件自动设置完成。桩体加载按1500kN作为最大加载控制值，共分为10级加载，每级加载150kN，得到桩体数值模拟加载沉降位移Q-s曲线。

4 螺杆桩单桩竖向极限承载力标准计算

根据《螺纹桩技术规程》（JGJ/T379-2016） 第 4.3.4-1、4.3.4-2 及4.3.4-3中相关要求，螺纹桩单桩竖向极限承载力标准值可采用下列公式计算：

式中：u―按螺纹桩外径计算的周长（m）；

qlwsik―螺纹桩穿过第i层土层的等效侧阻力标准值（kPa）；

qsik―干作业钻孔桩极限侧阻力标准值（kPa）；

β―增强系数，直杆段取1.0；螺纹段可取 1.3～1.6,砂土取高值，黏性土取低值；

qpk―极限端阻力标准值（kPa）；

ιi―螺纹桩穿过的第i层土层厚度（m）；

Ap―螺纹桩外径在桩端的投影面积（m2）；

D―螺纹桩外径（m）。

结合螺杆桩施工地质条件，在螺杆桩桩径为0.5m，桩长为11.25m，直杆段长度为有效桩长1/3的工况条件下，求得螺杆桩单桩竖向极限承载力标准值为1369.34kN，安全系数取2，则有螺杆桩单桩竖向承载力特征值为684.67kN。

（a）螺纹间距40cm土体等效塑性应变（桩顶荷载750kN）

（b）螺纹间距50cm土体等效塑性应变（桩顶荷载750kN）

5 三维数值模拟结果分析

5.1 螺纹间距对桩基承载影响

通过对螺纹间距为30cm、40cm、50cm的螺杆桩及等直径全直壁CFG桩分别进行模拟对比分析。通过图3、图4分析，在螺杆桩单桩竖向承载力特征值范围内，不同的螺纹间距对桩体沉降有一定影响，但桩顶沉降值差异不大较为接近。螺纹间距是影响桩体沉降控制指标之一，且明显存在最优螺纹间距。通过对相同荷载下土体等效塑性应变分析，由于螺纹间距的不同，改变了土体与桩体之间的摩擦特性，土体应力-应变也不相同。通过对等直径全直壁CFG桩与螺杆桩数值模拟对比分析，CFG桩在达到土体塑性破坏后，相比各螺纹间距螺杆桩沉降产生突变式变化，不利于沉降控制。

图3 不同螺纹间距加载沉降曲线

图4 不同螺纹间距每级加载沉降变化曲线

5.2 螺纹宽度对桩基承载影响

通过对螺纹宽度为30mm、40mm、50mm的螺杆桩分别进行模拟对比分析，螺纹的宽度对桩体承载影响较大。通过对图5、图6进行对比分析，螺杆桩在桩顶受荷750kN后，螺纹宽度为6cm较螺纹宽度为3cm及9cm桩体最大沉降小，且变化速率慢，螺杆桩螺纹宽度存在最优宽度。结合土体等效塑性应变情况，由于螺牙宽度不同，改变了桩土受力界面，螺纹宽度在6cm时，土体等效塑性应变区域明显小于螺纹宽度为3cm及9cm，土体等效塑性应变较小，桩体受力较为均匀，承载力大，沉降较小。

图5 不同螺纹宽度加载沉降曲线

图6 不同螺纹宽度每级加载沉降变化曲线

（a）螺纹宽度3cm土体等效塑性应变

（b）螺纹宽度6cm土体等效塑性应变

（c）螺纹宽度9cm土体等效塑性应变

5.3 螺纹长度对桩基承载影响

通过对螺纹长度占桩体有效长度的1/3、1/2、2/3、全螺纹的螺杆桩及CFG桩分别进行模拟，并对图7、图8进行对比分析,在螺杆桩单桩极限承载力下，2/3桩身螺纹位移沉降最小，且变化速率相对较为平缓，其余螺纹长度比例相比之下均存在沉降变化速率快，沉降值过大等情况，因此得出在同一地质条件且相同桩长下，桩体螺纹长度设置与土体性质关系较为密切。

图7 不同螺纹长度加载沉降曲线

图8 不同螺纹长度每级加载沉降变化曲线

5.4 螺杆桩受力情况分析

通过对直径50cm、螺纹宽度6cm、螺距40cm及螺纹长度为2/3桩身的螺杆桩进行细化分析，螺杆桩在受荷过程中有明显的弹性压缩，如图9所示。在土体弹性阶段内，桩周土体给螺杆桩有效的桩侧摩擦阻力，随着荷载增大，桩体与土体产生相对滑动，桩底承载增加，桩周土体塑性区变小，当荷载增大到极限荷载后，由于土体产生塑性破坏，无法为桩体提供侧阻力，螺杆桩将产生刺入式破坏。

图9 螺杆桩桩顶桩底差异沉降变化值

6 结论

本文利用midas GTS NX有限元软件对螺杆桩采用数值模拟方式针对不同螺纹工况进行对比分析。模型本构选用合理、界面接触单元参数正确，模拟效果良好，模拟结果进一步揭示了螺杆桩在不同工况下的加载沉降情况，可为螺杆桩施工及设计提供有效的参考。

①通过对比分析可知，同直径CFG桩与合理设置螺纹构造的等直径螺杆在单桩承载力特征值范围内位移沉降较小，承载力相对较大，CFG桩在土体产生塑性破坏后，沉降速率有突变情况，桩体承载能力损失较快，不利于桩体受荷沉降控制，且在螺杆桩单桩极限承载力范围内，螺杆桩承载力明显优于同直径CFG桩，且同直径CFG桩相比螺杆桩截面尺寸较大，在大体量软基处理中不利于混凝土材料节约。

②针对螺杆桩不同螺纹构造进行分析，螺纹宽度、长度及螺纹间距均存在最优值，在设计阶段应充分考虑不同地质条件下的最优螺杆桩螺纹构造设计参数，以充分提高螺杆桩承载能力及减小复合地基工后沉降。

③螺杆桩施工前应严格按设计要求选用符合要求的钻杆，在施工过程中应严格保证钻孔速度及成桩直径，控制螺杆桩钻杆下钻速度与钻杆转动速度相匹配，提钻速度与转动速度相匹配，且下钻速速与提钻速度相同，保证螺纹有效形成。

④综上所述，结合该地质情况，通过数值模拟分析，该处软基处理采用螺杆桩（具体桩体要求为：设计直杆段长度不小于有效桩长的1/3，螺杆桩施工桩底应深入细圆砾土≮0.5m螺杆桩桩径0.5m，螺纹段直径等于直杆段直径，螺杆桩螺牙宽度一般为5～6cm宽，螺牙端部厚度约5cm，根部厚度一般为10cm，桩径与螺距之比为1:0.6～1）。设计合理，与数值模拟结果相一致，此设计有利于该处高铁路基地基处理沉降及承载控制，为后期高速铁路运行提供了良好的运行条件。