螺杆灌注桩竖向抗拔承载特性的试验研究

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螺杆灌注桩是一种桩身上部为直杆、下部为螺纹的组合新桩型。螺杆灌注桩较普通直杆桩具有更高的承载力、更小的沉降以及施工中的种种优点使其在工程中得到了广泛应用。当前《螺杆灌注桩技术规程》(T/CECS 780—2020)中关于螺杆灌注桩抗拔极限承载力的计算方法未有明确,继续按照现有普通灌注桩的方法计算抗拔承载力误差较大,因此需对其展开进一步研究。本文在收集整理螺杆灌注桩和抗拔桩相关研究的基础上,总结相关理论成果、试验方法和试验手段,通过室内模型试验、现场静载试验和数值模拟的方法,采用数字图像分析处理技术和应变测试技术,研究分析了螺杆灌注桩抗拔承载特性,并初步讨论了螺杆灌注桩抗拔极限承载力的计算方法。本文的主要研究内容和成果包括:(1)通过自行设计的室内砂箱模型试验,利用Photo Infor数字图像处理分析技术和应变测试技术,分析了螺杆桩和直杆桩在不同相对密实度均匀砂土中上拔的荷载-位移曲线、桩身轴力分布曲线、侧阻力分布曲线和模型桩桩周土位移场的分布特征。试验结果表明:由于螺牙的存在,螺杆桩的抗拔极限承载力相对直杆桩显著提高;螺杆桩在上拔力作用下,螺牙向上移动挤压螺牙上侧土体形成密实的楔形体,楔形体随螺牙一同向上位移挤压其斜边外侧土体使其斜向上方发生位移,破坏时形成连续的拱形位移场;螺杆桩抗拔极限承载力以中下部侧阻力为主要来源。(2)通过现场抗拔和抗压静载试验,利用应变测试技术,分析了螺杆桩和直杆桩在抗拔和抗压状态下的荷载-位移曲线、桩身轴力分布曲线、侧阻力分布曲线和侧阻力随桩顶荷载和位移的变化曲线。本次试验结果表明:螺杆灌注桩与普通直杆灌注桩相比,抗压极限承载力提升了42.6%,抗拔极限承载力提升了33.3%,单桩承载力显著提高;直杆桩侧阻力沿桩长发挥较均匀,螺杆桩螺纹段侧阻力大于直杆段侧阻力,螺杆桩螺纹段侧阻力相对直杆桩侧阻力的侧阻增大系数为2.74;直杆桩抗拔折减系数为0.85,螺杆桩抗拔折减系数为0.71;讨论了两种螺杆灌注桩抗拔承载力的计算方法。(3)结合现场试验,通过Midas GTS NX有限元软件模拟螺杆灌注桩的桩土作用过程,分析了螺杆桩模型的荷载-位移曲线、桩周土体位移场和塑性区和桩模型的轴力和侧阻力分布,并研究了桩周土强度参数和桩身尺寸参数对螺杆桩抗拔特性的影响。数值模拟结果表明:螺杆桩抗拔破坏时螺牙间土体随桩体一同位移并与外侧桩周土体发生相对位移,螺纹段桩周土的整体位移场呈连续的拱形;螺杆桩在上拔过程中,螺牙边缘桩周土首先出现塑性应变,逐渐延伸、扩大并最终形成一个包裹着螺纹段桩体、外侧为螺旋状连续拱形的壳体;与直杆段相接的螺纹段部分轴力变化较剧烈,应重点关注此处的桩体强度验算;桩周土粘聚力越大荷载-位移曲线拐点出现对应的荷载值越大;内摩擦角越大荷载-位移曲线塑性段斜率越小,桩达到破坏标准时的极限承载力就越大;螺杆桩螺纹间距S=0.8d(400mm)时,螺杆桩抗拔承载性能最好;深螺纹桩(h=110mm)未能充分发挥螺牙间土体的承载作用,其抗拔承载能力不如浅螺纹桩(h=50mm)。
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