黄土地区螺杆灌注桩复合地基承载特性与沉降分析

马志勇

国能宝日希勒能源有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000

高速铁路列车具有运行速度快、对轨下基础要求严格的特点，而严格控制路基的变形是保证稳定的轨下基础的关键。我国黄土分布广泛，主要以全新世坡积黄土为主，土质结构主要表现为疏松多孔、稳定性差、湿陷特性等，复合地基沉降控制相对困难［1］。螺杆灌注桩作为一种新桩型，桩身是由上半部分直杆段和下半部分螺纹段组成的组合式灌注桩，该桩改变了传统直型桩的桩土相互作用模式，增加了螺纹与土体的相互咬合协同作用，具备环保性能突出、适用范围广、桩身质量可靠、桩身承载力高、工程造价低、施工效益高等特点，以其巨大的优势被使用至全国各地［2-5］。但相关学者对螺杆灌注桩的研究较少，仅开展其在西南及东部地区的承载特性试验研究［6-7］，目前仅有海南、重庆等几个省市制定了相关的地方标准，其承载机理、变形特性等方面的理论滞后于工程实践。对于西北黄土地区，螺杆灌注桩的应用面临无据可依的困境。

在路基沉降计算采用理论计算时，对参数和边界的选取具有一定的局限性［8-9］。在工程实践和研究过程中，总结得到沉降的预测方法主要分为两类：一类是静态预测方法，另一类是动态预测方法。采用曲线拟合沉降的方法主要有指数曲线法、双曲线法、抛物线法、三点法等［10-11］。动态预测方法主要有遗传算法、灰色理论预测法、人工神经网络法等［12］。对于新型复合地基，采用合适的沉降预测方法开展分析和预测是其应用中的难点之一。

本文采用数值分析的方法，结合实际工程及单桩承载力静载荷试验，基于桩身荷载传递规律，建立计算模型，分析不同荷载作用下螺杆灌注桩的承载特性。以西北黄土地区路基工程（直线段、路桥过渡段、路涵过渡段）为研究对象，采用不同沉降预测方法对沉降数据进行分析和预测，以避免黄土地区高速铁路路基沉降过大。

1 工程概况

研究区段位于银吴（银川—吴忠）客运专线吴忠车站附近，直线段、路桥过渡段和路涵过渡段在1 km范围内，均位于利通区郭家桥乡。其中工程区地下35 m范围内主要为第四系地层，三段路基的各土层厚度及计算参数接近，见表1。直线段、路桥过渡段和路涵过渡段最大路基填筑高度分别为5.0、4.9、4.9 m。采用螺杆灌注桩进行地基处理。螺杆灌注桩桩径0.4 m，螺距0.4 m，螺牙宽度0.05 m，端部厚度为0.05 m，根部厚度为0.1 m，螺纹截面呈梯形；桩长为15 m，其中螺纹段长度为10 m，桩身混凝土强度等级不低于C20［13］。每段路基监测断面布置3 个测点（L1、G1、G2），L1测点位于线路中心、复合地基垫层顶部，G1和G2分别位于左右路肩、基床表层顶部。

表1 各土层厚度及计算参数

2 桩身荷载传递规律

对于竖向桩基，在上部荷载作用下，其承担作用主要表现为桩侧摩阻力和桩端阻力，对于摩擦桩主要为侧摩阻力，端承桩则主要为桩端阻力。如图1所示，当荷载较小时，桩顶受力较小，仅上部出现变形，上部桩土接触产生相对滑移，桩周土体出现弹性变形；随着荷载增加，桩身变形增加，上部桩周土体由弹性状态转变为塑性桩体，桩身侧摩阻力向下延伸，下部开始发挥作用；当桩顶荷载增加到一定值时，桩周土体塑性区不断增大，桩身侧摩阻力向下发展到桩底，桩端阻力开始发挥作用。

图1 荷载传递过程示意

3 计算模型

采用有限元软件建立单桩复合地基桩土模型，见图2。考虑螺杆桩影响区域［5］，模型为5 m（长）× 5 m（宽）×24 m（高）。模型边界为水平约束，底部采用固定边界，其中土体采用摩尔-库伦弹塑性模型，螺杆桩采用线弹性本构模型。模拟过程采用14个分析步（单桩承载力静载荷试验加载值→1 500 kN→1 800 kN→2 100 kN→2 400 kN）。螺杆桩直线段及螺纹段与土体接触采用摩擦接触模拟，摩擦因数为0.5。

图2 计算模型

4 螺杆灌注桩承载特性

4.1 单桩承载力静载荷试验

针对该区段单桩承载力静载荷试验数据，直线段、路桥过渡段和路涵过渡段各桩的荷载-沉降曲线见图3。可知：在加载阶段，桩顶沉降随着荷载增加而增加，线性平滑，接近直线，没有发生突变现象，直线段、路桥过渡段和路涵过渡段桩顶沉降均在最大荷载1 240 kN时达到最大，分别为10.24、10.30和9.97 mm；在卸载阶段，卸载完成时螺杆桩顶残余变形分别为5.71、6.88、7.70 mm。

图3 桩基荷载-沉降曲线（静荷载试验）

4.2 计算分析

桩基模型计算所得荷载-沉降曲线见图4。可知：随着桩顶荷载的增加，桩顶竖向沉降呈增加趋势，荷载小于1 800 kN 时桩顶沉降随荷载增加而线性增加，荷载超过1 800 kN 时桩顶沉降突增，桩顶荷载达2 400 kN时桩顶沉降达到92.4 mm。与单桩承载力静载荷试验结果对比，相同荷载作用下，模型计算得到的沉降偏大。采用α 理论、规范法、圆柱形剪切法、支盘桩法、糙面摩擦剪切变形法五种计算方法，得到单桩竖向极限承载力分别为2 021.1、2 045.4、2 465.6、2107.8、2 234.4 kN。对于突变荷载1 800 kN，满足JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》相关规定（单桩竖向极限承载力大于1 240 kN，且桩顶沉降较小），同时与理论计算所得单桩竖向承载力值相比，该值偏低。

图4 桩基荷载-沉降曲线（计算分析）

4.3 螺杆灌注桩承载特性机理

结合文献［14］分析可知，螺杆灌注桩螺纹段作用机理主要体现为侧摩阻力增大。在进行单桩竖向极限承载力计算时，可通过增大侧摩阻力系数、桩侧土采用极限抗剪强度、分节采用直盘桩受力等方法，阐释螺杆灌注桩与普通灌注桩相比承载力增加的机理。

不同荷载作用下螺杆灌注桩螺纹段桩侧塑性云图见图5。考虑桩体对称性，仅取一侧开展分析。可知：当竖向荷载较小时，仅螺纹段上部受力，塑性区仅出现在螺纹段上部，且塑性值较小［图5（a）］；随着荷载的增加，螺纹段桩侧塑性区随桩身深度逐渐下移，直至桩端，其中各节螺纹斜下侧出现塑性集中区域，由于塑性区等值线的叠加，在距离桩侧约3～4倍螺牙长度出现塑性贯通现象［图5（b）］；当荷载竖向荷载大于1 800 kN 时，由于桩土界面采用摩擦接触，桩土出现相对滑移，则螺纹段桩侧的塑性区塑性值增加，塑性区集中区域面积降低，但桩端的塑性区增加更明显，桩端土出现塑性挤出现象［图5（c）］。

图5 不同荷载作用下螺杆灌注桩螺纹段桩侧塑性云图

螺杆灌注桩在不同土层中具有不同的成桩效果，见图6。可知：对于低渗透性的粉土，桩体表面可明显看到螺纹，桩身附着一定的细颗粒；对于高渗透性的砂土和圆砾石，由于螺杆桩施工的压力灌注工艺，致使水泥浆向桩周渗透、填充，桩周土胶结附于桩身，桩体实际作用直径增加。该区段螺杆灌注桩螺纹段位于粉砂、细砂和圆砾土中，由于前述原因，同时由于桩体施工时对桩周土体具有一定的挤密作用，相同荷载作用下，计算结果比单桩承载力静载荷试验结果沉降大，计算结果偏于安全。

图6 不同土层中的成桩效果图

5 路基段沉降对比分析

5.1 直线段

直线段各测点沉降及填筑高度随时间变化曲线见图7。可知：L1 位置的沉降随填筑高度的增加而增加，当路基填筑高度达到最大值时，沉降先快速增加而后趋于稳定，当填筑道砟和铺设上部轨道结构时沉降较小，累计观测沉降为17.20 mm；对于路基顶部G1和G2 测点，在填筑道砟前，两测点的沉降均随时间而增加，而后趋于稳定，在铺筑道砟、上部轨道结构和联调联试后，两测点沉降再次增加并逐渐趋于稳定，累积沉降分别为1.22、1.05 mm。

图7 直线段各测点沉降及填筑高度随时间变化曲线

5.2 路桥过渡段

路桥过渡段各测点沉降-填筑高度随时间变化曲线见图8。可知：路桥过渡段L1 位置沉降变化规律与直线段L1 位置相似，累计沉降为22.22 mm；而路基顶部G1 和G2 测点累计沉降分别为1.88、1.66 mm。与直线段相比，各监测位置的沉降均较大，主要原因为路桥过渡段填筑材料为掺加3% ～ 5%的级配碎石填料，其重度与常规路堤、基床填料相比偏大，对于复合地基产生的附加应力亦较大，造成L1 位置的沉降偏大，同时由于路桥过渡段压实困难，掺加水泥的填料具有整体性，水泥水化产生一定的收缩变形，但路基填料后期产生的次固结变形（蠕变变形）较小，综合作用下造成G1位置的沉降偏大。

图8 路桥过渡段各测点沉降及填筑高度随时间变化曲线

5.3 路涵过渡段

路涵过渡段各测点沉降及填筑高度随时间变化曲线见图9。可知：路涵过渡段L1 位置沉降变化规律与直线段、路桥过渡段L1 位置相似，累计沉降28.89 mm；而路基顶部G1 和G2 两测点累计沉降分别为2.11、1.81 mm。

图9 路涵过渡段各测点沉降及填筑高度随时间变化曲线

5.4 各路基段沉降预测对比分析

自铺轨完成至监测完成，各路基段沉降预测见表2。对于复合地基变形基本稳定，采用G1 位置变形，其中忽略了上部轨道结构铺设造成的非常态次固结变形，同时忽略了降雨、融雪影响。

由表2可知：对于静态预测方法，由于监测数据量充足，采用指数模型、双曲线模型、对数模型均具有较高的相关系数，但对数模型无法预测其总沉降，而泊松模型相关系数较低，适用性较低，主要是由于监测后期测试时间较长，同时由于黄土地区复合地基固结和次固结变形较缓慢；对于动态预测方法，非等距灰色模型和BP 神经网络模型均具有较高的相关系数；对于直线段、路桥过渡段和路涵过渡段采用不同的预测方法，预测工后沉降最大值分别为0.30、0.53 和0.62 mm，均满足设计要求。

表2 各路基段沉降预测

6 结论

1）相同荷载作用下，数值分析得到的沉降与单桩承载力静载荷试验结果相比偏大；采用模型计算得到螺杆灌注桩单桩承载力值为1 800 kN，与理论计算结果相比，该值偏低。

2）当竖向荷载较小时，仅螺纹段上部受力，塑性区仅出现在螺纹段上部；随着荷载增加，螺纹段桩侧塑性区随桩身深度逐渐下移，直至桩端，在距离桩侧约3 ～ 4 倍螺牙长度出现塑性贯通现象；当荷载大于1 800 kN时，由于桩土界面采用摩擦接触，桩土出现相对滑移，则螺纹段桩侧的塑性区塑性变形增加，塑性区集中区域面积降低，但桩端的塑性区增加更明显，桩端土出现塑性挤出现象。

3）对于静态预测方法，采用指数模型、双曲线模型、对数模型均具有较高的相关系数，但对数模型无法预测其总沉降，而泊松模型相关系数较低，适用性较低；对于动态预测方法，非等距灰色模型和BP 神经网络模型均具有较高的相关系数。