叶片式钢管螺旋桩通过扭矩将带有螺旋叶片的钢管拧入地下成桩, 是一种具有复杂几何表面的异形桩^[1]。因其具有施工速度快、环境污染小、施工用地少、适用地质条件广和较好的工厂化生产和机械化施工优势, 国外将其广泛用于防汛抢险、基坑支护、边坡加固和桥梁、房屋建筑物、光伏电站的基础等^[2]。

我国21世纪初才开始应用, 应用领域可见于高速公路标识、风力发电工程、轻型房屋基础、工业厂房基础、大棚基础、路基边坡加固、基坑支护和部分临时性房屋基础。尽管该桩型具有建造成本低、施工速度快、适用场地广、桩自身可以重复利用等优点, 但由于该技术引进时间短、人们对其认知度不高, 制约了其在工程中的大量应用, 但纵观其在国外的应用, 该桩型在国内应用具有光明的前景。

已有研究结果显示, Gen Mori^[3]研究发现叶片式钢管螺旋桩的几何形状对其抗压极限承载力有影响。J.S.Pack等^[4]研究了膨胀土地区钢管螺旋桩极限承载力的影响因素及变化规律。国内研究人员根据工程需要对此也进行过一些研究, 董天文等^[5,6,7]研究了螺距对其极限承载力的影响、抗拔螺旋桩叶片与地基之间的相互作用和螺旋群桩的承载力问题;王达麟等^[8]通过现场试验分析了桩型参数对其抗拔承载力的影响, 得出极限抗拔承载力随桩长、叶片直径增加, 叶片间距和首层叶片的埋深均存在临界点的结论。

综上所述, 可见少量叶片式钢管螺旋桩承载力研究, 但未见基于现场承载力试验、较系统的桩型参数优化分析。因此, 本文从现场试验和数值模拟2个方面讨论桩型参数对叶片式螺旋桩极限抗压承载力的影响, 分析桩径, 叶片直径、个数和间距对桩极限抗压承载力的影响, 并对桩型参数进行优化。

钢管螺旋桩由桩身钢管、螺旋叶片和桩帽组成。根据桩长和地质条件不同, 通常设计1～5层叶片, 螺距为3～5倍叶片直径^[9]。目前常用单叶片和双叶片2种形式, 其中双叶片钢管螺旋桩有2种可能的承压破坏模式:单盘承载破坏和柱状剪切破坏, 如图1所示。

当S/D>3时 (S为螺旋叶片间距, D为螺旋叶片直径) , 在致密均匀的无黏性土中的桩, 破坏模式为单盘承载破坏, 即反力是由每个螺旋叶片单独提供的反力的总和^[2];当S/D<3时, 对于处于均匀黏性土中的桩, 破坏模式是柱状剪切破坏, 即桩的承载力由轴承上两叶片形成的土壤圆柱与土体的摩擦和最底下叶片的端承力所提供^[2]。可见, 双叶片钢管螺旋桩承压破坏机制的形式主要取决于螺旋叶片的间距, 并且受到地质条件的影响。

对于单叶片钢管螺旋桩, 由于没有叶片间土柱, 破坏模式均为单盘承载破坏, 只存在桩端力和桩身与土之间的摩擦力^[1]。

根据叶片式钢管螺旋桩抗压承载机理, 桩径、叶片直径、叶片个数和叶片间距对其极限抗压承载力有影响, 下面结合现场抗压承载力试验结果对其进行分析。

本工程试验场区位于北京市顺义区, 拟建场地地形基本平坦, 整体为空地。根据对现场勘探 (15m) 、原位测试及室内土工试验结果的综合分析, 表层为人工堆积黏质粉土, 以下为第四纪沉积黏土为主。钻孔实测地下水位埋深为1.5m。

现场选取2根桩, 桩径分别为114, 140mm, 叶片直径均为456mm, 叶片个数均为1, 桩长为7m, 2根桩的极限抗压承载力分别为165kN和210kN。桩径增大22.8%, 单桩承载力提高了27.3%, 说明对单叶片钢管螺旋桩, 在相同叶片直径下, 增大桩径可增加螺旋桩的抗压承载力。主要原因在于钢管螺旋桩受荷后, 荷载通过桩身钢管向下传递, 桩身与周围土体接触出现相对位移产生侧摩阻力, 桩径的大小影响桩身钢管与周围土体的接触面积, 因此桩径越大, 其桩侧承载力越大, 极限抗压承载力随之增大。

现场选取2根桩, 叶片直径分别为254, 456mm, 桩身直径均为114mm, 叶片个数均为1, 桩长为7m, 桩基抗压承载力试验得出2根桩的极限抗压承载力分别为130, 165kN。叶片直径增大79.5%, 抗压承载力提高了26.9%。说明对单叶片钢管螺旋桩, 在相同桩径下, 增大叶片直径对抗压承载力起积极作用。单叶片钢管螺旋桩下部的叶片可为桩提供桩端阻力, 叶片直径越大, 下部承载的面积越大, 提供的桩端阻力越大, 桩的承载力越高。同样, 对于叶片钢管螺旋桩, 在单盘承载破坏模式下, 增大叶片直径可增大总桩端阻力;在柱状剪切破坏模式下, 增大叶片直径, 不但增大了桩端阻力, 而且增大了下部土柱的直径, 增大了桩侧阻力, 进而增加承载力。

现场分别选取2根桩, 叶片个数分别为1, 2, 桩径均为114mm, 叶片直径均为254mm, 桩长为7m, 桩基抗压承载力试验得出2组桩的极限抗压承载力分别为130, 145kN, 增加叶片个数对承载力有提高作用。在单盘承载破坏模式下, 增加叶片个数即增大了端阻力;在柱状剪切模式下, 增加叶片个数相当于增大了叶片之间桩径, 从而增大了桩侧摩阻力。这2种模式都可以提高桩的极限抗压承载力。

由双叶片钢管螺旋桩的2种破坏模式可以看出, 叶片间距与叶片直径的比例关系对螺旋桩破坏模式起重要作用, 叶片间距对双叶片桩的承载力影响较大。因此, 在优化计算时该因素必须考虑在内。

由于现场试验成本高、耗时长, 不具备大量开展的条件, 致使现场试验数据仅得到桩径, 叶片直径、个数和间距对桩基承载力的定性影响, 得不到相对定量的关系, 而数值模拟可对此进行补充。在现场试验的基础上, 利用FLAC3D软件模拟叶片式钢管螺旋桩在不同桩型参数下的荷载-沉降曲线, 得出极限抗压承载力, 进而进行桩型参数优化分析。

为减少模型边界对计算结果产生影响, 建立长5m、宽5m、深12m的土体三维模型;桩长与现场试验桩长相同, 取7m, 其他参数根据优化因素选取, 如图2所示。边界条件的选取除顶面取为自由边界外, 其他面均采取法向约束。

土体采用莫尔-库仑模型, 土层参数取自试验场地, 如表1所示。钢管螺旋桩采用各向同性弹性模型, 体积模量取1.75×10¹¹kPa, 切变模量为0.8×10¹¹GPa。为防止计算过程中出现屈服流动, 用更改强度参数的弹塑性求解方法生成初始应力场。

对土体及钢管螺旋桩均采用六面体实体单元。桩、土之间采用interface接触面。

数值模拟预测桩承载力需要先对试验桩的荷载-沉降曲线进行拟合, 在同等条件下对其他桩型进行预测。

FLAC3D软件计算时, 计算步数影响系统的稳定性, 影响计算是否能够达到平衡。试算过程中发现选取合适的计算步数时计算时间较短, 且系统易达到平衡。为解决某级加载下计算不收敛的问题, 在计算时采取接触面参数, 改变收敛标准的方法, 通过调整每级计算步数来拟合试验曲线。计算流程如图3所示。

对螺旋桩模型进行多次试算, 得到合适的接触面法向刚度参数为5MPa, 考虑到现场试验受试验场地、试验器材的影响, 首级沉降偏大, 故首级计算步数较多, 取为40 000步, 在该参数下第1级计算数据与试验数据相符。在后续计算中, 继续使用该接触面参数 (5MPa) , 分级加载并确定计算步数均为15 000步。以桩径140mm、叶片直径456mm、叶片个数1、桩长7m为例, 从而拟合得到桩顶荷载-沉降曲线与实际试验数据的对比 (见图4) 。

通过对比可以发现, 计算采用逐级加载方式符合实际情况, 改变桩型参数, 根据计算得到的荷载-沉降曲线, 以曲线拐点法判定桩的极限抗压承载力, 分别研究桩径、叶片直径、叶片个数及叶片间距对叶片式钢管螺旋桩承载力的影响。

计算选取单叶片桩, 叶片直径D为456mm, 桩径d分别取114, 152, 228, 342mm (D/d为1.33～4) , 叶片距离桩底50cm, 计算得到的荷载-沉降曲线如图5所示。

以桩径342mm为例, 从图5看出沉降值在B点之后明显增大, 根据荷载-沉降曲线第二拐点法, 可以判断出B点所对应的承载力值为桩的最大承载力160kN, 其他3个桩径对应的最大承载力分别为180, 200, 165kN。

在相同叶片个数、叶片直径情况下, 随着桩径增大, 钢管螺旋桩极限抗压承载力先增大后减小。图6为D/d和桩极限承载力关系曲线, 在图3计算结果的基础上, 增加了桩径140mm, 极限承载力210kN的试验值。

从图6中可以看出, 相同叶片直径时, 随着桩径的增大, D/d值减小, 承载力先增大后减小, 在D/d取3.3时, 极限承载力取得最大值。因此, 在相同叶片个数、叶片直径的情况下, D/d取3.3左右为宜。

计算选取单叶片桩, 桩径d取114mm, 叶片直径D取254, 285, 342, 456mm (D/d为2.22～4) , 叶片距离桩底50cm, 计算得到的荷载-沉降曲线如图7所示。

根据3.3.1节相同的分析方法可以得出叶片直径从小到大所对应的最大承载力分别为130, 140, 160, 165kN。可以看出, 在相同叶片个数和桩径的条件下, 随着叶片直径增大, 钢管螺旋桩的抗压承载力提高。但如果叶片直径过大, 叶片与土体接触面积增大, 安装时需要的扭矩较大, 安装成本高;且叶片与桩身钢管连接处的弯矩过大, 加载中焊接处容易脱开, 致使桩未达到极限承载力而桩身连接处破坏, 造成桩身叶片失效。因此在桩型选择时要结合现场情况控制叶片直径与桩径的比例, 使二者处于合理范围。

选取桩径114mm、叶片直径254mm的单、双叶片钢管螺旋桩, 其中双叶片间距为50cm, 下部叶片距离桩底50cm, 计算得到桩基荷载-沉降曲线如图8所示。

单叶片钢管螺旋桩承载力为130kN, 双叶片钢管螺旋桩承载力为150kN, 承载力提高15.4%, 说明叶片增加可增大单桩承载力, 和2.3节中的试验结论一致。

选取双叶片钢管螺旋桩, 桩径d为114mm, 叶片直径D为254mm, 叶片间距S分别取0.3, 0.5, 0.7, 0.9m, 下部叶片距离桩底50cm, 计算得到的桩基荷载-沉降曲线如图9所示。

根据3.3.1相同的分析方法可以得出叶片间距从小到大所对应的最大承载力分别为140, 150, 170, 160kN。

相同桩径、叶片直径下叶片间距承载力曲线如图10所示。随着叶片间距的增大, 螺旋桩极限抗压承载力呈现先增大后减小的趋势, 当叶片间距在0.4～0.7m时承载力增长较快, 并在叶片间距为0.75m左右取得最大值, 随着叶片间距继续增大, 承载力反而降低。叶片间距影响钢管螺旋桩的承载破坏模式, 进而影响其极限抗压承载力。当叶片间距较小 (S/D<3) 时, 螺旋桩呈柱状剪切破坏模式, 叶片间形成土柱, 在该范围内, 随着S的增加, 螺旋桩底部土柱的厚度增大, 桩基侧阻力增加较多, 致使桩承载力增大;当叶片间距较大 (S/D>3) 时, 螺旋桩呈单盘承载破坏模式, 叶片单独受力, 叶片中间也形成不了土柱, 且两个叶片间桩身与土体之间的侧阻力由于螺旋桩安装施工的影响使土体和桩身之间贴合不紧密, 故这部分侧阻力不对承载力直接发挥作用, 多忽略不计。因此在该范围内, 随着叶片间距的增加, 端承力不变, 但侧阻力减小, 因此桩的承载力稍有降低。由此可知, S/D为1～3时, 可通过增加叶片间距来提高承载力;同时为使双叶片螺旋桩达到较大承载力, S/D取3较为合适。

1) 相同叶片个数、叶片直径下, 随着桩径的增大, 桩基抗压承载力先增大后减小, 桩径在某一临界值时其极限抗压承载力最大, 本研究中该临界值D/d=3.3。

2) 相同叶片个数、桩径下, 随着叶片直径的增大, 螺旋桩的抗压承载力增大。但受到实际施工安装等情况的限制, 叶片直径越来越大时, 抗压承载力很难得到明显提高。

3) 叶片个数从单叶片到双叶片, 桩基极限抗压承载力增大。

4) 叶片间距影响双叶片钢管螺旋桩的承载破坏模式, 进而影响其极限抗压承载力。当叶片间距较小 (S/D<3) 时, 螺旋桩呈柱状剪切破坏模式, 抗压承载力随叶片间距的增大而增大;当叶片间距较大 (S/D>3) 时, 螺旋桩呈单盘承载破坏模式, 抗压承载力随叶片间距的增大略有减小。