單葉片全尺寸螺旋錨樁豎向拉拔試驗(yàn)研究

胡偉+劉順凱+張亞惠+鄒貴華

摘 要：對葉片鑲嵌有微型土壓力盒的自制全尺寸單葉片螺旋錨樁進(jìn)行豎向拉拔試驗(yàn)，記錄不同埋深下安裝扭矩、樁身位移和葉片表面土壓力隨上拔荷載的變化情況。分析安裝扭矩、極限抗拔承載力與埋深比三者之間的相互關(guān)系，并初步探究螺旋葉片表面的土壓力分布規(guī)律。結(jié)果表明，在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，安裝扭矩和極限承載力都隨埋深比的增加呈線性增大，二者受共同因素影響，線性相關(guān)程度明顯；在上拔過程中，葉片上表面土壓力增量從根部到邊緣呈逐漸增大趨勢，下表面土壓力增量則遠(yuǎn)小于上表面，且大部分區(qū)域壓力基本保持不變，少數(shù)邊緣區(qū)域增大；葉片上下表面土壓力合力隨上拔荷載的增加而增大；樁土之間摩阻力的發(fā)揮則呈拋物線形，當(dāng)上拔位移達(dá)到土體破壞極限位移量時，摩阻力達(dá)到峰值，而后逐漸減小到零；可以通過葉片表面土壓力的分布來計算螺旋錨樁的拉拔承載力。

關(guān)鍵詞：螺旋錨樁；單葉片；埋置深度；土壓力；極限承載力

中圖分類號：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2017）05-0031-09

Abstract：Self-made single blade screw anchor pile which was embedded soil pressure gauges was tested by uplift loading experiment. The variation of mounting torques， anchors displacements and soil pressures on blade surface versus uplift loading under different embedded depths was recorded to analyse the relationship between installation torque， ultimate uplift bearing capacity and embedded depth ratios， and a preliminary inquiry was also made on the distribution regulation of soil pressure on helical blade surface. The results showed that， both of mounting torque and ultimate bearing capacity increased linearly with the buried depth ratio， and they were linearly independent to each other for the common influenced factors. In the pullout process， the increment of soil pressure on the surface of blade increased gradually from root to the edge， and the increment on the lower surface was far less than that of the upper one. The most of the area maintained the pressure constant except enlarged on few marginal area. The resultant force of two sides of blade increased with the loading， and the frictional resistance between pile and soil was parabolic developed. When the uplift displacement reacheed the limit ones of soil failure， the frictional resistance reached the peak value， and then decreased to zero. The bearing capacity of screw anchor pile could be calculated by the analysis of soil pressure on the blade surface.

Keywords：screw anchor pile； single blade； embedded depth； soil pressures； ultimate bearing capacity

螺旋錨樁由于易于安裝[1]、承載能力強(qiáng)[2]、成本低[3]等諸多優(yōu)點(diǎn)在輸電線路[4]、海洋工程[5]和民用建筑[6]等工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。螺旋錨樁的拉拔承載機(jī)理因螺旋葉片[7]的存在而表現(xiàn)出與常規(guī)樁基礎(chǔ)顯著的差異，其承載力很大程度上取決于葉片的直徑、間距、數(shù)量和埋置深度等因素[8]，而非樁體本身。目前，這方面的研究也主要針對上述因素的影響而展開。如劉福天等[9]對螺旋錨樁模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，探討了埋置深度和葉片直徑對極限承載力的影響。Demir等[10]則同時進(jìn)行了數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)，對比分析了多葉片螺旋錨樁在不同埋深比下樁的抗拔性能變化規(guī)律。郝冬雪等[11]對砂土中的螺旋錨樁進(jìn)行了室內(nèi)1g模型的試驗(yàn)研究，并考慮了葉片間距及數(shù)量對上拔承載特性及承載力影響。

淺埋螺旋錨樁拉拔過程中的錨樁土整體和錨樁的平面受力分析如圖1所示[2]。若忽略由于葉片傾角而引起的拉拔過程中不能抵消的葉片表面摩阻力，則錨樁土整體主要承受土體破裂面上的正壓力N1、N2及相應(yīng)的摩阻力f1、f2，土體對葉片下表面的土壓力合力F下、錨樁及土體自重WS+P、上拔荷載T。但現(xiàn)有研究成果對破裂面的形式尚未形成較為統(tǒng)一的認(rèn)識[12]，故上述大部分力學(xué)量的大小無法直接測量或準(zhǔn)確計算。以錨樁為研究對象，其在豎直方向主要受葉片上下表面的土壓力合力F上和F下、樁體自重WP、樁表面的摩阻力Ff、上拔荷載T。若能掌握拉拔過程中葉片上下表面土壓力的變化規(guī)律，則可根據(jù)力學(xué)平衡關(guān)系直接計算出上拔荷載，繼而確定螺旋錨樁的拉拔承載力，但目前尚未有關(guān)于葉片表面土壓力分布規(guī)律的研究，理論分析中一般假定以主動土壓力或被動土壓力來進(jìn)行計算[13]。endprint

筆者擬通過對淺埋的自制全尺寸單葉片螺旋錨樁在試驗(yàn)砂箱中進(jìn)行豎向拉拔試驗(yàn)，分析其安裝扭矩、埋置深度和極限抗拔承載力三者之間的相互關(guān)系，重點(diǎn)通過嵌入葉片上下表面的微型土壓力盒測量拉拔過程中葉片表面土壓力的分布情況及變化規(guī)律，以驗(yàn)證通過葉片表面土壓力來計算螺旋錨樁拉拔承載力的可行性。

1 拉拔試驗(yàn)

試驗(yàn)采用自制的全尺寸單葉片螺旋錨樁和大型砂箱，對不同埋深下的螺旋錨樁進(jìn)行豎向拉拔，獲得拉拔荷載位移曲線；通過嵌入式微型土壓力盒測得拉拔過程中葉片表面不同位置處的土壓力。

1.1 模型錨樁設(shè)計

試驗(yàn)所用單葉片螺旋錨樁制作材料為Q235鋼，樁身長度l=1 m，圓環(huán)形截面，外徑d=60 mm，管壁厚s′=5.5 mm；葉片直徑D=300 mm，葉片厚度s=10 mm，葉片傾角θ=16.5°，順時針螺旋向下，螺距為150 mm，葉片通過套箍和樁體鉚接在一起。樁身頂部焊接法蘭盤以連接扭矩測量儀。螺旋錨樁模型示意及實(shí)物如圖2所示。

葉片厚度為10 mm，微型土壓力計的厚度為6 mm，故可在葉片上表面或下表面開與土壓力計等大的圓槽，并根據(jù)土壓力計的分布情況開設(shè)線槽。將土壓力計放入圓槽中，用速干膠固定并盡量保證其表面與葉片表面高度一致，且周圍與葉片間無間隙。整理土壓力計電纜，使其通過線槽統(tǒng)一引向樁身與葉片結(jié)合處的布線孔，經(jīng)由樁身內(nèi)部從樁頂穿出，從而減小電纜與土體的相互作用。土壓力計的嵌入安裝以最大限度地保證葉片表面土壓力大小的量測少受土壓力計本身的影響為原則。螺旋葉片上下表面的土壓力盒沿葉片徑向呈對角排列，如圖3（a）、（b）所示，上表面土壓力盒編號為1～12，下表面土壓力盒編號為13～24，具體分布如圖3（c）所示。

1.2 試驗(yàn)砂箱

自制砂箱尺寸為2 400 mm×2 400 mm×1 500 mm。試驗(yàn)時，螺旋錨樁安裝在砂箱正中，樁中心距砂箱任一邊界的垂直距離為葉片半徑的8倍，故可忽略拉拔試驗(yàn)時邊界條件的影響。砂箱所用鋼板為Q345鋼，厚度8 mm，角部使用角鋼通過4個螺栓連接。角鋼尺寸為L50×50，以保證試驗(yàn)箱的側(cè)向剛度。砂箱上面設(shè)置加載橫梁，通過千斤頂施加荷載，實(shí)物如圖4所示。

試驗(yàn)所用砂土為在南渡江取的河砂，通過網(wǎng)篩除去大顆粒后分8層鋪設(shè)，每層壓實(shí)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)后再鋪設(shè)下一層。經(jīng)過相應(yīng)的物理力學(xué)試驗(yàn)測試，得到所用砂土顆粒級配曲線如圖5所示。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量

試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)包括安裝扭矩、樁頂豎向位移和荷載、葉片上下表面土壓力。樁頂拉拔荷載由電阻應(yīng)變式拉力傳感器進(jìn)行測定，拉力傳感器與電阻應(yīng)變式靜態(tài)應(yīng)變儀相連接，加載大小由顯示器讀數(shù)控制；樁頂位移測量系統(tǒng)由百分表、磁性表座和基準(zhǔn)梁組成?；鶞?zhǔn)梁采用槽鋼，試驗(yàn)過程中保證基準(zhǔn)梁無擾動且不受試驗(yàn)樁的影響；葉片表面土壓力由土壓力盒進(jìn)行測量，通過應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并換算獲得。各數(shù)據(jù)量測儀器儀表如圖6所示。

1.4 加載方式及數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)設(shè)置5個埋深（H=D、1.5D、2D、2.5D、3D），每個埋深進(jìn)行一個預(yù)加載試驗(yàn)和3個平行試驗(yàn)，共計20組試驗(yàn)。通過預(yù)加載試驗(yàn)以初步確定不同埋深下的拉拔極限荷載，然后在3個平行試驗(yàn)中將預(yù)加載試驗(yàn)獲取的極限荷載的1/10～1/12作為分級加載增量，采用分級加載方式進(jìn)行加載；每加載一級后靜置30 min，每10 min記錄一次土壓力計及百分表讀數(shù)，待樁頂位移穩(wěn)定以后施加下一級荷載，直至破壞。

當(dāng)出現(xiàn)以下情況之一時，終止加載[14]：

1）某級荷載作用下樁頂?shù)纳习挝灰屏繛樯霞壓奢d作用下位移量的5倍。

2）某級荷載作用下樁頂位移為上一級荷載作用下位移量的2倍，且30 min以后樁頂位移尚未穩(wěn)定。

3）荷載與位移關(guān)系曲線出現(xiàn)陡降段。

4）千斤頂量程到極限。

5）試驗(yàn)中發(fā)生影響試驗(yàn)結(jié)果的意外情況，如鎖緊鋼絲繩的卡扣脫落等。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 安裝扭矩

在旋入過程中通過扭矩儀實(shí)時記錄安裝扭矩，不同埋深下的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表中可看出：同一埋深的3次平行試驗(yàn)的安裝扭矩大小變化幅度很小，隨著埋深比的增加，安裝扭矩也逐漸增大。

2.2 荷載位移曲線

螺旋錨樁在受拉拔荷載作用初期，樁周土體處于彈性變形階段，對應(yīng)的拉拔荷載隨位移線性增長；當(dāng)荷載增大到一定程度時，葉片邊緣處土體開始發(fā)生局部剪切破壞，樁周與土體間開始有相對滑移，荷載位移曲線表現(xiàn)出非線性特征；隨著荷載的繼續(xù)增加，土體中局部剪切破壞的范圍增大，并最終形成貫通至地表的破裂面，位移急劇增大，拉拔荷載達(dá)到極限值。典型的荷載位移的非線性曲線如圖7所示，破裂面延伸至地表形態(tài)如圖8所示。

從圖7中可以看出，不同埋深比下荷載位移曲線的彈性段、非線性段、陡升段3階段性較為明顯。取曲線陡升段起始點(diǎn)對應(yīng)的荷載值作為極限承載力[15]，結(jié)果如表3所示。

D不變時，隨著埋置深度H的增大，螺旋錨樁極限承載力增大。當(dāng)埋深比H/D從1增大到3時，極限承載力增加了近3倍，說明提高螺旋錨樁的埋置深度可有效增大其極限承載力。

2.3 安裝扭矩極限承載力埋深比

不同埋深比下安裝扭矩與極限承載力平均值擬合分析如圖9所示，圖中擬合式中x為埋深比，y1為極限承載力，y2為安裝扭矩。

從擬合結(jié)果可以看出，安裝扭矩與埋深比基本呈線性相關(guān)。螺旋錨樁安裝過程中主要是要克服周圍土體對葉片、樁體表面的摩阻力以及葉片切割土體所受到的阻力，而埋置深度越大，土中應(yīng)力的增加使得土體的抗剪強(qiáng)度及表面摩阻力增大，因而所需要的安裝扭矩也就越大。同時，當(dāng)葉片直徑D一定時，單葉片螺旋錨樁極限承載力隨著埋深比的增大呈線性增大。這是因?yàn)闇\埋螺旋錨樁的抗拔承載力在很大程度上取決于葉片和破裂面范圍內(nèi)土體的自重以及破裂面上的土壓力。隨著埋深比增大，破裂面長度增加，則土體自重和土壓力都會相應(yīng)增大，對應(yīng)的抗拔承載力也就越大。進(jìn)一步對比兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)：安裝扭矩和極限承載力都隨埋置深度的增大而呈線性變化，且兩條擬合曲線基本呈平行關(guān)系。由此說明：安裝扭矩的大小與極限承載力有著很強(qiáng)的線性相關(guān)性。endprint

2.4 葉片表面土壓力

拉拔承載力與葉片上下表面土壓力分布密切相關(guān)，故理清拉拔過程中葉片表面的土壓力大小及分布情況對研究螺旋錨樁承載力具有重要意義。以下對埋深比H/D=3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行代表性分析。

2.4.1 葉片上表面土壓力分析 在上拔荷載作用下，葉片上表面各土壓力盒埋置區(qū)域壓力增量（以螺旋錨樁埋置前的讀數(shù)為基準(zhǔn)，增大為正）隨加載等級的變化曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，葉片上表面土壓力增量隨上拔荷載增加的變化趨勢呈現(xiàn)出3種形式。其中，大部分區(qū)域（區(qū)域1、2、4、5、10、12）的土壓力隨著荷載的增加而顯著增大；小部分區(qū)域（區(qū)域6、8、9、11）的土壓力則僅表現(xiàn)出微小的波動；極個別區(qū)域（區(qū)域3和7）的土壓力則有一定程度的減小。結(jié)合圖3所示的土壓力盒分布區(qū)域來看，土壓力隨加載等級增大的區(qū)域基本上位于葉片的中部和邊緣，而不變或減小的區(qū)域則是以中部和根部區(qū)域?yàn)橹?。取最后一級（?2級）荷載所對應(yīng)的土壓力增量進(jìn)行區(qū)域分析如圖11所示。

從圖中可以看出，從葉片根部區(qū)域（區(qū)域4和7）到中部（區(qū)域2、5、8和10）和邊緣區(qū)域（區(qū)域1和區(qū)域9）基本上呈增大趨勢。葉片上部一定范圍內(nèi)的土體土體在上拔過程中會與周圍土體發(fā)生相對位移而逐漸形成貫通至表面的滑裂面，而滑裂面剪阻力的豎直分量會傳遞至葉片，從而影響葉片上表面的土壓力，這種影響從邊緣到根部會逐漸減弱，從而導(dǎo)致葉片上表面土壓力從根部到邊緣逐漸增大。區(qū)域6和12上部土體可能在上拔過程中沿葉片邊緣向下滑落，導(dǎo)致該區(qū)域的壓力增量相對于其他邊緣區(qū)域較小，區(qū)域3也可能是相同的原因。而還有部分中間區(qū)域（區(qū)域11）可能是該部分土體受外部影響不大，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)始終只受其上部土體的壓力，故而保持不變。而區(qū)域7則是因?yàn)槠鋭偤锰幱诠潭ㄈ~片所用螺栓下方，導(dǎo)致上拔過程中土體因有螺栓阻擋而與該區(qū)域逐漸脫落致使壓力增量為負(fù)。

2.4.2 葉片下表面土壓力分析 拉拔過程中，葉片下表面土壓力增量（以螺旋錨樁埋置前的讀數(shù)為基準(zhǔn)，增大為正）隨加載等級的變化曲線如圖12所示。

從圖中可以看出，葉片下表面土壓力增量變化與上表面有明顯區(qū)別，大部分區(qū)域的土壓力基本保持不變，變化量多在±5 kPa以內(nèi)。這與葉片在上拔過程其下表面空隙會不斷得到周圍砂土的填充而重新維持壓力的平衡有關(guān)。區(qū)域19、22和23因處于螺旋葉片下降方向上，在上拔過程中流向該區(qū)域的砂土被錨桿下端阻擋，導(dǎo)致該區(qū)域與土體出現(xiàn)脫離，故而土壓力有明顯減小，增量為負(fù)值。17、18和21則因處于葉片外邊緣，在上拔過程中周圍土體會首先填充這些區(qū)域，而后流向其他區(qū)域，從而導(dǎo)致局部土壓力高于其他區(qū)域，壓力增量相對較大。

2.4.3 葉片表面壓力與上拔荷載的關(guān)系

從式（3）可以看出，螺旋錨樁所受的豎向拉拔荷載是由葉片上下表面土壓力合力增量的差值和樁土之間的摩阻力來平衡的。為了能更直觀地體現(xiàn)出葉片表面土壓力合力對螺旋錨樁承載力的貢獻(xiàn)，現(xiàn)對葉片表面土壓力合力做如下粗略計算，并與承載力進(jìn)行比較。

根據(jù)土壓力盒的分布劃分所代表的區(qū)域如圖13所示。單塊區(qū)域內(nèi)土壓力增量的合力由每塊區(qū)域的面積乘以該區(qū)域內(nèi)土壓力盒所測壓強(qiáng)增量來計算。結(jié)合圖3可知，葉片上下表面土壓力盒均只在葉片的一半范圍內(nèi)有分布，故將上表面或下表面所有土壓力盒計算的土壓力增量合力的2倍作為該表面的總壓力。據(jù)此，第12級加載所對應(yīng)的上下表面計算結(jié)果分別如表4、表5所示。

各級加載下葉片表面土壓力合力與拉拔荷載的對比如圖14所示。從圖中可以看出，葉片表面土壓力的合力略低于上拔荷載；在加載前期（第1～4級），其增長速率要低于上拔荷載；在加載中期（第5～8級），其增長速率與上拔荷載基本一致；而在加載后期（第9～12級），則略高于上拔荷載。當(dāng)達(dá)到極限承載力時，二者大小幾乎一致。

根據(jù)式（3）可知，上拔荷載與葉片表面土壓力的合力之差即為樁土之間的摩阻力。在加載初期，樁土相對位移會逐漸增加，其摩阻力也會增大。但與此同時，葉片的上移會逐漸帶動一定范圍內(nèi)的土體整體運(yùn)動并伴隨破裂面的開展，該范圍內(nèi)樁土間的摩阻力會因不存在相對位移而消失；隨著整體移動土體范圍的不斷擴(kuò)大，存在樁土間摩阻力的長度則不斷減小；當(dāng)破裂面貫通至地表，樁長范圍內(nèi)全部土體都將隨錨樁一起運(yùn)動，則此時樁土摩阻力減小到0。樁土之間摩阻力隨加載等級的變化規(guī)律及大小如圖15所示。

由圖15、16可以看出，隨著上拔荷載的增加，樁身位移量增大，樁土間相對位移量也由下至上逐漸增加，樁側(cè)摩阻力隨之逐步發(fā)揮出來。當(dāng)荷載等級在5～8級之間時，對應(yīng)的位移量為7.3～14.86 mm，此時樁側(cè)阻力也已發(fā)揮到極限值（0.82～0.86 kN），這與砂土的極限位移在8～15 mm之間相對應(yīng)[15]，側(cè)阻力與理論值（0.802 kN）也一致。在此之后，隨著破裂面的不斷開展，隨葉片一起運(yùn)動的土體范圍逐漸擴(kuò)大，存在樁土間摩阻力的長度則不斷減小。故從第9級荷載開始，摩阻力開始降低，直至第12級荷載破裂面貫通至地表，樁長范圍內(nèi)全部土體都隨錨樁向上運(yùn)動，摩阻力減小到0。

3 結(jié)論

通過單葉片螺旋錨樁的室內(nèi)全尺寸模型試驗(yàn)測試了安裝扭矩，獲取了豎向拉拔荷載位移曲線。分析了安裝扭矩和極限抗拔承載力與埋置深度之間的關(guān)系；同時，通過微型土壓力盒對葉片表面的土壓力進(jìn)行了測量，對其分布規(guī)律進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1）隨著埋置深度的增加，安裝扭矩和極限承載力都呈線性增大，兩者有著共同的影響因素，且具有較好的線性相關(guān)性。

2）隨著上拔荷載的增加，土壓力增量分布整體上呈現(xiàn)從根部到邊緣逐漸增大的趨勢；葉片上表面大部分區(qū)域土壓力增量顯著增大，主要分布在邊緣和葉片中間區(qū)域；下表面土壓力增量則遠(yuǎn)小于上表面，且大部分區(qū)域基本保持不變，只有少數(shù)邊緣區(qū)域增大。

3）葉片上下表面土壓力增量合力和樁土間摩阻力的發(fā)揮表現(xiàn)出不同的規(guī)律。前者隨上拔荷載的增加而增大，不同加載階段的增大速率有所不同，先慢后快；隨著加載等級的增加，前者所占比重增大，在后期基本上與上拔荷載相等；樁土之間的摩阻力則呈拋物線型發(fā)揮，加載前期增大，中期不變，后期則逐漸減小到0；當(dāng)上拔位移達(dá)到土體破壞極限位移量時，摩阻力達(dá)到峰值。endprint

4）可以通過測量分析葉片表面土壓力的分布變化來計算螺旋錨樁的拉拔承載力，但限于本次研究中葉片鑲嵌土壓力盒的數(shù)量，該方法還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證和深入研究。

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（編輯 胡英奎）endprint