張新春,何澤群,董思捷,朱 昂

(華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系,河北 保定 071003)

由于具有快速安裝、施工周期短、不污染環(huán)境、可在各種氣候及地質(zhì)條件下施工、可二次回收利用等優(yōu)點(diǎn),螺旋樁基礎(chǔ)被廣泛應(yīng)用于各種巖土工程中.然而,螺旋樁在安裝時(shí)必須借助特殊的工程機(jī)械施加安裝扭矩才能將其旋入土層中,這就不可避免地要涉及螺旋樁的安裝扭矩.選擇功率過(guò)大的施工設(shè)備可能會(huì)導(dǎo)致螺旋樁體的損壞;相反,過(guò)低的安裝扭矩可能會(huì)導(dǎo)致施工設(shè)備無(wú)法完成螺旋樁的安裝,甚至導(dǎo)致土體發(fā)生擾動(dòng).因此,研究鋼管螺旋樁的安裝扭矩對(duì)于特殊工程機(jī)械高效安裝具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值.

目前,關(guān)于螺旋樁承載特性和安裝扭矩的大量研究已展開(kāi).在螺旋樁承載特性方面,Mohajerani等[1]根據(jù)螺旋樁承載力的要求,對(duì)現(xiàn)有的螺旋樁設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較;郝冬雪等[2]對(duì)砂土中螺旋錨的上拔承載力做了模型實(shí)驗(yàn)分析;張新春等[3]提出了一種葉片可伸縮的鋼管螺旋樁結(jié)構(gòu),具體研究螺旋樁各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)承載能力的影響;Elkasabgy等[4]討論了螺旋樁打入黏土地基中的軸向壓縮響應(yīng),發(fā)現(xiàn)螺旋樁安裝過(guò)程中土壤的擾動(dòng)對(duì)樁的承載性能和破壞機(jī)理有重要影響.在螺旋樁安裝扭矩方面,為了保證螺旋樁穩(wěn)定地推進(jìn),可以在樁身上施加一定的軸向擠壓力.然而,Perko[5]卻指出在安裝期間通常不測(cè)量擠壓力,因?yàn)樵诼菪龢栋惭b過(guò)程中所施加的擠壓力相對(duì)于扭矩力來(lái)說(shuō)是很小的,可忽略不計(jì);Nagai等[6]研究了螺旋樁安裝方式對(duì)其承載性能的影響,發(fā)現(xiàn)螺旋樁的抗拔力是由安裝過(guò)程中樁體附近的土壓力變化而確定的;Sakr[7]分析了砂土中螺旋樁安裝扭矩與軸向承載力的關(guān)系,并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論模型的可靠性;Wada等[8]為了評(píng)估螺旋樁的承載力,進(jìn)行了軸向壓縮和抗拔實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究樁的安裝扭矩和軸身阻力.但目前對(duì)螺旋樁上拔承載特性的研究主要集中于安裝后的上拔過(guò)程,很少關(guān)注安裝過(guò)程,大多數(shù)是把螺旋樁直接埋入地基中而測(cè)量上拔力,也不考慮安裝時(shí)的土體擾動(dòng)問(wèn)題,而安裝模式的不同對(duì)上拔力有決定性的影響.因此，對(duì)螺旋樁安裝扭矩的研究亟需展開(kāi).

本文首先給出了螺旋樁安裝扭矩的理論公式,引入螺旋進(jìn)給率考慮安裝過(guò)程中對(duì)土體的破壞和擾動(dòng),通過(guò)扭矩系數(shù)將安裝扭矩與螺旋樁承載力相關(guān)聯(lián).為了驗(yàn)證螺旋樁安裝扭矩公式和扭矩系數(shù)的可靠性以及土體擾動(dòng)的影響,還進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模型實(shí)驗(yàn).本文的研究對(duì)砂土中鋼管螺旋樁安裝設(shè)計(jì)方法提供了理論參考.

1 螺旋樁安裝扭矩模型及扭矩系數(shù)

1.1 安裝扭矩理論計(jì)算

鋼管螺旋樁安裝扭矩模型如圖1所示,主要假設(shè)條件:① 在安裝過(guò)程中,忽略施加在樁上的擠壓力;② 在樁安裝期間抵抗扭矩與樁頭驅(qū)動(dòng)器的速度無(wú)關(guān),因?yàn)槭褂酶甙惭b速度會(huì)增加測(cè)量的扭矩讀數(shù);③ 假設(shè)沿著螺旋樁完整安裝深度的土壤層是均勻的、各向同性的;④ 螺旋葉片所形成的破壞體為圓柱體;⑤對(duì)于多葉片螺旋樁,下螺旋處的有效應(yīng)力等于土壤有效單位重量乘以螺旋間距的總和.

螺旋樁安裝期間施加的扭矩為

以上公式解釋如下:

(1) 砂土的被動(dòng)側(cè)向土壓力P1施加在樁身上,該力具有兩個(gè)分量P1x和P1y.第1個(gè)分量作用在軸上產(chǎn)生抵抗其旋轉(zhuǎn)的力矩T1,而第2個(gè)分量作用在螺旋葉片上產(chǎn)生摩擦力矩T2.

(2) 當(dāng)被動(dòng)側(cè)向土壓力P2作用在以螺旋葉片外圍為直徑的樁土界面圓柱上,該力由于螺旋樁對(duì)砂土層造成的局部壓實(shí)作用而產(chǎn)生.P2有兩個(gè)分量P2x和P2y.第1個(gè)分量不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)阻力,第2個(gè)分量為作用在螺旋葉片上產(chǎn)生摩擦力矩T3.

(3) 由于螺旋樁的向下推進(jìn),施加在螺旋葉片上表面的主動(dòng)土壓力和施加在螺旋葉片下表面的被動(dòng)土壓力分別在上部、下部葉片的表面產(chǎn)生摩擦阻力,導(dǎo)致在接觸瞬間產(chǎn)生抵抗扭矩T4和T5.

(4) 被動(dòng)側(cè)向土壓力引起的推力F施加在葉片螺距與葉片外圍周長(zhǎng)組成的葉片傾斜面上,抵抗砂土對(duì)葉片的壓力,從而產(chǎn)生抵抗扭矩T6來(lái)阻止螺旋樁的旋轉(zhuǎn).

(5) 施加在螺旋葉片外周上的力，因葉片厚度而與周圍砂土產(chǎn)生摩擦阻力,故產(chǎn)生摩擦阻力矩T7.

圖1 砂土中螺旋樁安裝扭矩受力分析Fig.1 Force analysis of screw pile installation in sand

1.2 安裝過(guò)程的土體擾動(dòng)

螺旋樁在土壤中旋轉(zhuǎn)時(shí),對(duì)土體的破壞和擾動(dòng)主要有3種[9]:第1種是切片,旋轉(zhuǎn)的葉片把圓形土柱切成螺旋形薄片;第2種是壓縮,葉片對(duì)后部土體的推動(dòng)力和前部土體對(duì)葉片的抵抗力,使土體受到壓縮;第3種是摩擦旋轉(zhuǎn),由于葉片和樁身的旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)一部分土體旋轉(zhuǎn),造成這部分土體與靜止土體之間的破壞.第2種和第3種破壞模式如圖2所示.

圖2 安裝過(guò)程造成的土體擾動(dòng)破壞示意圖Fig.2 Schematic diagram of soil disturbance caused by installation

本文對(duì)土體的擾動(dòng)采用第2種破壞模型,引入螺旋進(jìn)給率用以考慮安裝過(guò)程中對(duì)土體的破壞和擾動(dòng)，即

(13)

式中:p為螺距;L為螺旋樁旋入的豎向位移;n為旋入L豎向位移后的旋轉(zhuǎn)圈數(shù).

1.3 扭矩系數(shù)

大量實(shí)驗(yàn)表明,安裝扭矩與承載力近似線性相關(guān),工程中常利用兩者之間的關(guān)系定義扭矩系數(shù)并用于判斷承載力是否滿足要求.Livneh等[10]指出,這種相關(guān)性在該領(lǐng)域一直使用,其理論依據(jù)為安裝扭矩是克服土壤抗剪強(qiáng)度所需能量的量度,因此，與樁承載能力密切相關(guān).

實(shí)驗(yàn)中,忽略螺旋樁樁身與砂土的摩擦,僅研究葉片的安裝扭矩與承載力的關(guān)系,螺旋樁葉片的受力分析如圖3所示.每層葉片受抵抗扭矩Thi以及與周圍土的界面摩擦力fi,當(dāng)土塊在葉片傾斜面上移動(dòng)時(shí),每層葉片向下的壓力Qhi的總和即為葉片抗拔承載力.

圖3 螺旋樁葉片受力分析Fig.3 Force analysis of screw pile blades

對(duì)土塊在葉片傾斜面上的運(yùn)動(dòng),類似于在以螺距為高、等效中徑為底邊的斜面上運(yùn)動(dòng),這里的等效中徑類比于螺紋中徑.而抵抗扭矩以土塊對(duì)葉片的推力為扭力,等效中徑的一半為力臂得

式中:p為螺距;Qhi為第i層葉片承載力;Thi為第i層葉片抵抗扭矩;fi為第i層葉片與周圍土的界面摩擦力;dc為等效中徑;ψ′為螺旋葉片等效升角,ψ′=tan[p/(πdc)];F′為土塊對(duì)葉片向下旋進(jìn)時(shí)的推力.

2 鋼管螺旋樁模型實(shí)驗(yàn)

2.1 砂箱制備

砂箱由Q345鋼板制成,板厚為3 mm,頂面不封閉,3個(gè)側(cè)面和底面封閉.實(shí)驗(yàn)砂箱長(zhǎng)×寬×高=500 mm×500 mm×1 000 mm,水平方向大于樁徑20倍,可忽略邊界效應(yīng)[11].將砂土分批填入砂箱中,砂土逐層振搗后,放置7 d再進(jìn)行實(shí)驗(yàn).砂土的物理特性指標(biāo)為:比重Gs=2.68,中值粒徑d50=0.17 mm,不均勻系數(shù)Cu=1.61,曲率系數(shù)Cc=0.93,dmax=1.772 g/cm3,dmin=1.462 g/cm3,砂土內(nèi)摩擦角為36°.

2.2 鋼管螺旋樁模型制備

螺旋樁模型幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示,e為最下層葉片到樁底之間的距離.為了研究葉片螺距與直徑比值p/D對(duì)安裝扭矩的影響以及安裝扭矩與抗拔承載力之間的關(guān)系,共設(shè)計(jì)了4根模型試驗(yàn)樁P-1～P-4,具體參數(shù)如表1所示.通過(guò)改變?nèi)~片埋深H、葉片直徑D,控制螺旋樁結(jié)構(gòu),其他參數(shù)均保持相同.

圖4 實(shí)驗(yàn)螺旋樁模型幾何結(jié)構(gòu)Fig.4 Experimental screw pile model geometric structure

表1 螺旋樁樁型結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Screw pile structure parameters mm

為保證強(qiáng)度和剛度的要求,螺旋樁采用鋼材加工而成.在加工過(guò)程中,焊接時(shí)要求葉片拉伸的開(kāi)口方向一致,旋向一致,并且在鋼管樁身指定的葉片間距處焊接,葉片傾角為90°,樁端切成45°楔形.樁身表面光滑,假定樁身與砂土間摩擦不計(jì).葉片厚度和鋼管壁厚均為2 mm,樁頂鉆通孔,設(shè)計(jì)樁帽配合扭矩扳手,結(jié)合定位裝置,便于旋入土中和讀取安裝扭矩.葉片表面以及焊縫處均打磨,焊縫強(qiáng)度滿足要求.模型螺旋樁實(shí)物如圖5所示.

2.3 扭矩、上拔力加載及測(cè)量方式

由于安裝扭矩隨深度逐漸加大,前期變化較小,且扭矩?cái)?shù)值較小,所以施加方式前期固定為5圈快速安裝,后期變?yōu)?～2圈逐步加載,利用定制的樁套配合扭矩扳手的套筒,結(jié)合定位裝置施加扭矩,利用扭矩扳手讀取扭矩.

圖5 螺旋樁實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.5 Screw pile test models

施加上拔力荷載實(shí)驗(yàn)方式采用快速維持荷載法加載,用手動(dòng)葫蘆滑輪配合彈簧等工件及測(cè)力機(jī)構(gòu)施加豎向拉力荷載,等時(shí)間段近似等載荷加載,位移陡增時(shí),每次加載的載荷減半.樁頂?shù)奈灰谱兓ㄟ^(guò)位移計(jì)讀取.鋼管螺旋樁安裝扭矩和上拔力加載實(shí)驗(yàn)裝置分別如圖6和圖7所示.

圖6 扭矩實(shí)驗(yàn)裝置Fig.6 Torque test device

圖7 承載實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Load test device diagram

3 理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 螺旋樁安裝扭矩

螺旋樁安裝扭矩實(shí)驗(yàn)采用試件P-1～P-4,樁徑和螺距均為25 mm,4個(gè)試件的葉片外伸直徑分別為50,75,100和125 mm.根據(jù)式(1)～式(8),可得到對(duì)應(yīng)深度的安裝扭矩理論計(jì)算值.圖8給出了砂土中不同葉片直徑安裝扭矩實(shí)驗(yàn)值與理論值比較.表2給了兩者之間的誤差,安裝扭矩理論值和實(shí)驗(yàn)值誤差范圍在20%以內(nèi),從而證明了安裝扭矩理論公式的正確性.

圖8 不同葉片直徑安裝扭矩實(shí)驗(yàn)值與理論值對(duì)比Fig.8 Experimental and theoretical values of installation torque for screw piles with different blade diameters

圖8中指出:隨著葉片直徑的增加,安裝扭矩相應(yīng)增加;對(duì)于葉片直徑相同的試件,當(dāng)旋入深度較小時(shí),安裝扭矩實(shí)驗(yàn)值與理論值誤差較小;當(dāng)旋入一定深度后,土體擾動(dòng)影響較為明顯;當(dāng)樁身旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定,安裝扭矩趨于穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)值與理論值也相差不大.與式(1)對(duì)比,當(dāng)忽略較小的抵抗扭矩后,保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變?nèi)~片直徑,安裝扭矩應(yīng)該與葉片直徑呈現(xiàn)正相關(guān).值得注意的是,當(dāng)p/D逐漸減小時(shí),擾動(dòng)相對(duì)較小,實(shí)驗(yàn)值與理論值吻合較好.

表2 螺旋樁安裝扭矩實(shí)驗(yàn)值與理論值比較Tab.2 Comparison between experimental and theoretical values of installation torque for screw piles

通過(guò)安裝扭矩實(shí)驗(yàn)值與理論值的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺旋樁安裝過(guò)程中擾動(dòng)較小時(shí),所得實(shí)驗(yàn)誤差較小,實(shí)驗(yàn)曲線突然的拐點(diǎn)是由于螺旋樁對(duì)土體擾動(dòng)造成的.

3.2 安裝擾動(dòng)分析

根據(jù)式(13),圖9給出了螺旋進(jìn)給率與p/D間的關(guān)系.由圖9中可見(jiàn):當(dāng)p/D≥0.33時(shí),螺旋進(jìn)給率陡降,土體壓縮程度較大;當(dāng)p/D在0.2～0.3附近,螺旋進(jìn)給率變化不大,其值接近于1.通過(guò)以上分析可知,葉片螺距不宜過(guò)大,并且p/D不宜大于0.5.由于存在前兩種破壞模式,葉片螺距不宜太小,所以p/D宜取0.2～0.3.

圖9 螺旋進(jìn)給率與p/D間的關(guān)系Fig.9 Relationship between screw feed rate and p/D

3.3 扭矩系數(shù)分析

表3 螺旋樁扭矩系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與理論值Tab.3 Experimental and theoretical values of torque coefficient for screw piles

4 結(jié)論

(1) 鋼管螺旋樁的安裝扭矩與樁型結(jié)構(gòu)、埋深有關(guān),安裝扭矩對(duì)葉片直徑比較敏感,葉片直徑越大,安裝扭矩越大;

(2) 隨著p/D的增加,螺旋進(jìn)給率先增加后減小,當(dāng)p/D位于0.2～0.3時(shí),螺旋進(jìn)給率達(dá)到最大值,砂土中鋼管螺旋樁的安裝擾動(dòng)性較小;

(3) 安裝扭矩與上拔承載力呈線性相關(guān),安裝扭矩系數(shù)實(shí)驗(yàn)值和理論值之間的誤差可控制在20%以內(nèi),在工程應(yīng)用允許范圍內(nèi),可利用安裝扭矩準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋼管螺旋樁的上拔承載力.