螺紋樁自上而下不同樁段受到土體阻力種類不同，故要計算螺紋樁的承載能力，就要對其不同樁段阻力進行計算。不同樁段阻力由樁側阻力與樁身位移關系確定。本文所采用樁側阻力與樁身位移關系曲線如圖3所示。曲線變化規律為：oa段線性變化;bc段為水平直線;ab段非線性變化，并用雙曲線函數近似模擬，即：

 

　　式中：m為曲線過原點切線斜率tanθ的倒數，1/m= tanθ;n為樁側極限阻力qu的倒數，即1/n=qu。

 

　　圖3 樁側阻力與樁身位移的關系

　　qu，su為樁側極限阻力、樁側極限阻力出現時的樁身位移;qe，se為樁側阻力彈性應變階段的 應力、 應變。各量可由試驗測得。

　　要計算各樁段阻力，首先要確定劃分各樁段的方法。由承載機理分析可知：樁段類型取決于本段樁身位移及樁側土體性質，即取決于樁側阻力與樁身位移關系(圖3)。對于某一層固定土體，其土體性質是既定的，位于該土層中樁身的樁側阻力與樁身位移關系便確定了(由試驗測定)。當樁體受到樁頂荷載，該土層中樁身產生向下位移s，根據s的大小劃分本段樁身類型：當0<s≤se時，樁身位移與樁側阻力處于線性變化范圍內(對應圖3中oa段)，本段樁身即為彈性段;當se<s≤su時，樁身位移與樁側阻力非線性變化(對應圖3中ab段)，本段樁身即為彈塑性段;當s>su時，樁側阻力不隨樁身位移變化而變化，樁側阻力達到極限(對應圖3中bc段)，本段樁身即為極限段。

　　1.極限段阻力

　　由于極限段樁體向下位移較大，螺紋樁協同螺紋內部土體一起向下滑移，螺紋內部土體與樁周土體脫離，機械咬合力消失，即螺紋底部土體不再對螺紋產生阻力。此時樁側阻力僅由側摩阻力提供，側摩阻力包括螺紋外緣與土體的摩阻力和螺紋內部土體與外部土體之間的摩阻力?？梢哉J為螺紋內部土體直徑與螺紋外徑相同。

　　故極限段總阻力為：

 

　　式中：Ql為極限段總阻力;u2為螺紋水平方向投影周長;τfi為極限段樁側第i層土的抗剪強度，其值可由實驗測得;li1為極限段樁身穿越第i層土的厚度，計算時減去螺紋根部累計長度;li2為極限段螺紋穿越第i層土的厚度，計算時轉換為整圓厚度;qsui為彈塑性段樁側第i層土體屈服摩阻力。

　　2. 彈塑性段阻力

　　設彈塑性段樁身位移為sep，則se≤sep≤su;令彈塑性系數

 

　　則

 

　　即彈塑性段低點

 

　　 點ξ=1，彈塑性系數ξ沿樁身并非按線性變化，為簡化計算，可將其近似為線性變化，則彈性段樁側阻力可取為ξqu。計算所得總阻力值會略低于真實值，用修正系數δ予以修正，1≤δ≤1.1。

　　由對螺紋樁承載機理的分析可知：彈塑性段樁身所受阻力包括螺紋樁內圓樁側摩阻力(取值為ξqsu)和螺紋所受阻力(圖4)，螺紋所受阻力包括螺紋下表面受到土體的正壓力(取值為ξqpu)、底摩阻力和螺紋外緣所受土體的側摩阻力(取值為ξqsu)

 

　　圖4 豎向荷載下螺紋受力示意

　　故彈塑性段總阻力為：

 

　　式中：Qep為彈塑性段總阻力;u1為樁身內圓周長;u2為螺紋水平方向投影周長;li1為彈塑性段樁身穿越第i層土的厚度，計算時減去螺紋根部累計長度;li2為彈塑性段螺紋穿越第i層土的厚度，計算時轉換為整圓厚度;β為螺紋與水平面之間夾角;ξi為第i層土的彈塑性系數;qsui為彈塑性段樁側第i層土體屈服摩阻力;qpui為彈塑性段樁側第i層土體屈服端阻力;δ為修正系數;Api為扣除主樁樁身截面積的第i個螺紋的水平投影面積。

　　3.彈性段阻力

　　設彈性段位移為see，則有0≤see≤se;令彈性系數

 

　　則有0≤γ≤1。即彈性段低點γ=0， 點γ=1，整個彈性段γ沿樁身線性變化，則彈性段樁側阻力可取為γqe。

　　彈性段樁身所受阻力性質和彈塑性段相同，阻力大小不同。螺紋樁內圓樁側摩阻力(取值為γqse)和螺紋所受阻力見圖4，螺紋所受阻力包括螺紋下表面受到土體的正壓力(取值為γqpe)、底摩阻力和螺紋外緣所受土體的側摩阻力(取值為γqse)。

　　故彈性段總阻力為：

 

　　式中：Qe為彈性段總阻力;γi為第i層土的彈性系數;li1為彈性段樁身穿越第i層土的厚度，計算時減去螺紋根部累計長度;li2為彈性段螺紋穿越第i層土的厚度，計算時轉換為整圓厚度;qsei為彈性段樁側第i層土體彈性應變階段 摩阻力;qpei為彈性段樁側第i層土體彈性應變階段 端阻力;其余各量與前述公式(5)中相應量意義相同。

　　4.樁端阻力

　　設樁端沉降sb，當sb取值不同時，樁端阻力采用不同計算方法。

　　當0≤sb≤se時，樁端土體處于彈性壓縮階段，令彈性系數

 

　　則有0≤γ≤1，樁端阻力可取為γqe，此時樁端總阻力為：

 

　　當se≤sb≤su時，樁端土體處于彈塑性壓縮階段，令彈塑性系數

 

　　則

 

　　，樁端阻力可取為ξqu，此時樁端總阻力為：

 

　　當sb>su時，樁端土體受壓屈服，樁端阻力達到極限值qu，此時樁端總阻力為：

 

　　由以上分析可知，當螺紋樁尚未達到極限承載力時的承載能力由下式確定：

 

　　式中各量由式(4)～(6)與式(7)或(8)確定。

　　當螺紋樁達到極限承載力時，整個樁身均為極限段，只需將式(4)求和區域擴大到整個樁身便可求得樁身極限側阻力，即：

 

　　極限端阻力由式(9)確定，則螺紋樁豎向極限承載力計算公式為：

 

　　結論

　　1)由理論分析可知，螺紋樁承載依靠樁周側摩阻力、螺紋與土體間機械咬合力和樁端阻力。螺紋樁破壞特征是螺紋外的土體剪切強度耗盡和樁端土體受壓屈服，整個樁身有較大下沉的趨勢。

　　2)螺紋樁在豎向荷載作用下，荷載沿著樁身向下傳遞;由于受到樁周土體阻力作用，樁身軸力不斷減小;不同深度處樁周土體受力狀態不同，即不同樁段阻力不同，據此將螺紋樁分為彈性段、彈塑性段、極限段和無軸力段，并得到不同樁段阻力及樁端阻力計算方法。由此得到螺紋樁承載能力計算方法式(10)及螺紋樁極限承載力計算公式(12)。

相關文章： 螺紋樁