螺距對(duì)螺紋樁豎向承載力影響的模型試驗(yàn)研究

馬宏偉 劉力 汪鵬

摘 要：采用模型試驗(yàn)方法進(jìn)行了螺距對(duì)螺紋樁豎向承載力的影響研究，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了螺紋樁荷載沉降關(guān)系、承載力的構(gòu)成、側(cè)阻力分布特征、極限側(cè)阻力以及最優(yōu)螺距的分析。研究表明，螺紋樁是一種典型的端承摩擦樁，與相同外徑的直孔樁相比，其具有更高的承載性能和沉降控制能力;螺紋樁的樁側(cè)阻力隨著外荷載的增加而增大，并沿樁身由上而下逐漸達(dá)到側(cè)阻極限狀態(tài)，當(dāng)全長(zhǎng)范圍內(nèi)均達(dá)到側(cè)阻極限狀態(tài)時(shí)，螺紋樁由于沉降迅速增大而達(dá)到承載極限狀態(tài)，其極限承載能力主要由極限側(cè)阻力決定;螺紋樁的極限側(cè)阻力隨著螺距的增大先線性增大后線性減小，當(dāng)螺距內(nèi)徑比介于1.20～2.03之間時(shí)，側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)可達(dá)1.9以上，最優(yōu)距徑比為1.36。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)工程;螺紋樁;豎向極限承載力;側(cè)阻增強(qiáng)效應(yīng)

Abstract：The influence of screw pitch on the vertical bearing capacity of screw piles was studied by using a model test method. Moreover， the load-settlement curves， the bearing capacity composition， the shaft resistance characteristics， the ultimate shaft resistance and the optimal screw pitch were analyzed based on the test results. The studies show that the screw pile， as a typical end-bearing friction pile， has higher bearing capacity and settlement control ability than the ordinary pile with the same outer diameter. The shaft resistance of the screw pile increases with the increase of vertical load， and its limit state gradually presents from pile-top to pile-tip along the pile. After the pile-tip presents the ultimate shaft resistance state， the screw pile reaches the ultimate bearing state due to the rapid increase of settlement， and the ultimate shaft resistance mainly determines its ultimate vertical bearing capacity. Moreover， when the screw pitch is less than the optimal value， the ultimate shaft resistance of the screw pile increases linearly with the increase of the screw pitch size， otherwise it decreases linearly. The optimum screw pitch is 1.36 times of the inner diameter of screw pile when the ratio of screw pitch to the inner diameter is between 1.20 and 2.03 with the amplification coefficient of haft resistance exceeding 1.9.

Key words：foundation engineering; screw pile; ultimate vertical bearing capacity; amplification effect of shaft resistance

螺紋樁是一種典型的異型灌注樁基礎(chǔ)[1]，具有工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低、單樁承載力高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程之中[2]。但由于螺紋樁外形復(fù)雜，其樁-土相互作用機(jī)理仍不明確。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)螺紋樁的承載特性問(wèn)題已開(kāi)展了一定的研究工作。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為傳統(tǒng)的螺紋樁受力分析中將螺紋結(jié)構(gòu)視為環(huán)形板的簡(jiǎn)化方式是不恰當(dāng)?shù)?，其在考慮螺紋的幾何復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，采用有限單元法研究了螺紋樁在豎向壓力、拉力和水平力作用下的承載特性，并開(kāi)展了螺紋樁幾何特征的參數(shù)化分析。為揭示螺紋樁土接觸面微觀破壞機(jī)制，文獻(xiàn)[4]開(kāi)展了注漿成型螺紋樁的平面離散元分析，重點(diǎn)研究了螺紋數(shù)量對(duì)樁-土接觸面切應(yīng)力-位移關(guān)系的影響。此外，文獻(xiàn)[5-6]研究者亦進(jìn)行了螺紋樁幾何特性對(duì)其承載力影響的數(shù)值模擬研究，得出螺紋樁的最佳螺距外徑比在0.5～2之間，且螺紋樁極限承載力隨螺紋寬度的增加而增大。

在試驗(yàn)研究方面，文獻(xiàn)[7]通過(guò)變截面螺紋樁的室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)研究，認(rèn)為螺紋樁的樁側(cè)阻力是由螺紋與土體的機(jī)械咬合力形成的土體剪切力決定，樁側(cè)極限阻力隨樁側(cè)土的抗剪強(qiáng)度的增大而增大，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，樁周土?xí)纬韶Q向剪切帶;同時(shí)，相同地層條件下，變截面螺紋樁的材料利用率約為普通直孔樁的3倍，樁的螺紋寬度、厚度、間距及樁身截面變化率是影響豎向荷載作用下樁基承載力的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[8-9]進(jìn)行了螺紋全長(zhǎng)布置和局部布置情況下螺紋樁的承載力室內(nèi)模型試驗(yàn)研究。此外，文獻(xiàn)[10-11]先后完成了螺紋樁加固鐵路正線路基和車(chē)站段路基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，分析了螺紋樁復(fù)合地基中的樁土應(yīng)力分布關(guān)系。在螺紋樁承載機(jī)理研究方面，文獻(xiàn)[12]運(yùn)用數(shù)字照相量測(cè)技術(shù)開(kāi)展的模型試驗(yàn)?zāi)M了螺紋樁與直孔樁受荷時(shí)的樁周土位移變化特性，研究認(rèn)為在極限承載狀態(tài)下，螺紋樁的樁周土?xí)纬蛇B續(xù)拱形的破壞面，而直孔樁則形成為豎向圓柱形破壞面，但螺距引起螺紋樁承載力產(chǎn)生變化的原因并未被揭示。

本文為了進(jìn)一步分析螺距對(duì)螺紋樁承載力的影響，進(jìn)行了7根不同螺距的螺紋樁室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了螺紋樁荷載沉降關(guān)系、承載力的構(gòu)成、側(cè)阻力分布特征、極限側(cè)阻力以及最優(yōu)螺距的分析。

1 試驗(yàn)方案

1.1 模型樁

試驗(yàn)用模型樁采用6031實(shí)心鋁棒銑削而成，材料彈性模量為69GPa、泊松比為0.33。根據(jù)研究目的，共制成試驗(yàn)樁8根，如圖1所示。試驗(yàn)樁包括不同螺距S的螺紋樁7根，用于對(duì)比試驗(yàn)的30mm直徑的直孔樁1根，所有試驗(yàn)樁總長(zhǎng)度均為L(zhǎng)=500mm，有效樁長(zhǎng)（實(shí)際入土樁長(zhǎng)）H=450mm，上部50mm直孔外露段用于固定沉降測(cè)量裝置。螺紋樁內(nèi)徑d=20mm，外徑D=30mm，螺紋厚度t=5mm，螺紋高度b=5mm，其幾何構(gòu)造如圖2所示。

為分析螺距對(duì)螺紋樁承載力的影響，7根螺紋樁LW-1～LW-7的距徑比（即螺紋樁螺距S與內(nèi)徑d之比）依次為1.00、1.25、 1.50、 1.75、2.00、2.25、2.50，距徑比的分布范圍覆蓋了實(shí)際工程樁的距徑比范圍。

1.2 加載裝置

試驗(yàn)用模型箱采用鋼板和有機(jī)玻璃板制作而成，內(nèi)部?jī)糸L(zhǎng)度為800mm、寬度為600mm、高度為580mm。經(jīng)采用基底對(duì)數(shù)螺旋滑移方程對(duì)樁端滑移面的計(jì)算，模型箱尺寸滿(mǎn)足邊界效應(yīng)控制要求。為消除加載梁自重引起的初始加載誤差，試驗(yàn)采用自平衡式杠桿加載梁進(jìn)行加載，該加載裝置的可靠性在擠擴(kuò)支盤(pán)樁模型試驗(yàn)中已得到驗(yàn)證[13]。

試驗(yàn)過(guò)程中采用2組對(duì)稱(chēng)安裝的百分表進(jìn)行樁頂沉降量的測(cè)量;樁身軸力則采用粘貼于樁身的電阻應(yīng)變片測(cè)量，應(yīng)變片位于各試驗(yàn)樁埋深70mm、160mm、250mm和340mm處以及樁端位置;試驗(yàn)中使用DH-3820型高速靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。加載裝置如圖3所示。

1.3 地基土與樁的埋設(shè)

為使試驗(yàn)研究具有可重復(fù)性，試驗(yàn)采用經(jīng)晾曬后的天然含黏粒中砂作為地基土。

為了控制地基土的均勻性，模型箱中的地基土分6層依次填入，每層填入80kg，并在填砂整平后用振動(dòng)抹平機(jī)振實(shí)。經(jīng)土工實(shí)驗(yàn)測(cè)定，振實(shí)后的地基土重度為γ=16.8kN/m3，含水量w=0.92%，相對(duì)密度Dr=0.65。

1.4 加載方案

經(jīng)過(guò)試加載得到0.15kN的荷載分級(jí)可以滿(mǎn)足試驗(yàn)對(duì)加載級(jí)數(shù)的需要。采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行逐級(jí)加載，每級(jí)加載后間隔5min讀取一次樁頂沉降，當(dāng)相鄰兩次的讀數(shù)差值不大于0.01mm時(shí)認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即可進(jìn)行下一級(jí)加載，直至加載至極限承載狀態(tài)。

極限承載狀態(tài)以達(dá)到以下兩條判別條件之一為準(zhǔn)：①本級(jí)加載后，樁頂沉降在3h后仍未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);②本級(jí)荷載下雖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但本級(jí)荷載下的樁頂沉降增量超過(guò)上一級(jí)荷載下沉降增量的2倍。若試驗(yàn)中模型樁達(dá)到極限承載狀態(tài)，取上一級(jí)荷載為樁的極限承載力。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）螺紋樁的P-s曲線分析

試驗(yàn)得到的直孔樁和4根螺紋樁的P-s（荷載-沉降）曲線如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，加載試驗(yàn)得到直孔樁的極限承載力為1.05kN，而螺紋樁則達(dá)到1.65kN，后者是前者的1.57倍。在加載末期，不同螺距的螺紋樁P-s曲線出現(xiàn)顯著偏離，表明螺距對(duì)螺紋樁的極限承載力存在影響，其中距徑比為1.5的LW-3試驗(yàn)樁承載力最強(qiáng)。但受到定量荷載分級(jí)的限制，通過(guò)分級(jí)加載試驗(yàn)很難得到的各螺紋樁的極限承載力精確值。

從控制沉降角度來(lái)看，當(dāng)外荷載為1.05kN時(shí)直孔樁的沉降量達(dá)到5.72mm，而4根螺紋樁的平均沉降量?jī)H有1.51mm，是直孔樁的26.4%;同時(shí)，直孔樁的P-s曲線整體位于螺紋樁P-s曲線下方，由此表明螺紋樁比直孔樁具有更好的沉降控制能力。

與相同外徑的直孔樁相比，螺紋樁使用了較少的工程材料，但卻具有更高的承載性能和沉降控制能力。

2.2 螺紋樁的承載力構(gòu)成分析

試驗(yàn)得到LW-3試驗(yàn)樁的外荷載與阻力占比之間關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5可知，未達(dá)到極限承載狀態(tài)時(shí)，LW-3試驗(yàn)樁的側(cè)阻力與端阻力占比幾乎不隨外荷載的變化而變化，側(cè)阻力和端阻力分別貢獻(xiàn)83%和17%的承載力，螺紋樁表現(xiàn)出明顯的端承摩擦樁特征。達(dá)到極限承載狀態(tài)之后，樁側(cè)土發(fā)生剪切滑移，已無(wú)法提供更高的側(cè)阻力，所有的外荷載增加量全部由樁端土承擔(dān)。

2.3 螺紋樁側(cè)阻力分布特征分析

試驗(yàn)得到的LW-3試驗(yàn)樁軸力圖如圖6所示。在圖6中，相鄰測(cè)點(diǎn)間軸力圖的斜率反映出該段樁體受到的側(cè)阻力大小，斜率越大則側(cè)阻越大，反之側(cè)阻越小;樁底軸力則反映出地基土產(chǎn)生的樁端阻力。

由圖6可知，在加載初期，軸力圖近似直線狀態(tài)，側(cè)阻力沿樁長(zhǎng)接近均勻分布;當(dāng)荷載超過(guò)0.45kN之后，軸力圖開(kāi)始變?yōu)檎劬€形，且斜率隨荷載的增加不斷變化，此時(shí)側(cè)阻力不再處于均布狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)外荷載達(dá)到1.20kN時(shí)，Ⅰ段樁體的軸力圖與外荷載為1.05kN時(shí)的軸力圖平行，表明荷載增加后該段樁體受到的側(cè)阻力沒(méi)有明顯增加，可以認(rèn)為Ⅰ段樁體在外荷載達(dá)到1.05kN之后已達(dá)到側(cè)阻力極限狀態(tài)，即地基土已不能對(duì)樁體提供更高的側(cè)阻力;同樣地，Ⅱ段和Ⅲ段樁體分別在荷載達(dá)到1.35kN和1.50kN時(shí)達(dá)到側(cè)阻力極限狀態(tài)，而Ⅳ段和Ⅴ段樁體均在荷載為1.65kN時(shí)達(dá)到側(cè)阻力極限狀態(tài)。此后，外荷載增加至1.80kN，樁端阻力和樁體沉降迅速增大，試驗(yàn)樁進(jìn)入超載失效狀態(tài)。

由此，在外荷載增加過(guò)程中，樁側(cè)阻力逐漸增大，并由上而下逐漸達(dá)到側(cè)阻極限狀態(tài)。

2.4 螺紋樁極限側(cè)阻力分析

根據(jù)前述分析，螺距對(duì)螺紋樁的極限承載力存在影響，而螺紋樁的承載能力主要由側(cè)阻力決定，因此研究螺距對(duì)極限側(cè)阻的影響是必要的。

s-logP曲線法[14]是進(jìn)行樁基承載力分析的典型方法，在s-logP曲線上，延長(zhǎng)曲線末端直線段并與坐標(biāo)橫軸相交，交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值即為樁的側(cè)阻極限值。8根試驗(yàn)樁的s-logP曲線如圖7所示。

由s-logP曲線法確定的試驗(yàn)樁極限側(cè)阻如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)樁的極限承載力與極限側(cè)阻值之差即為極限狀態(tài)下的端阻。在極限狀態(tài)下，直孔樁的端阻為0.323kN，螺紋樁的端阻則介于0.194～0.349kN之間。不同試驗(yàn)樁的端阻之間存在差異，產(chǎn)生差異的一個(gè)原因是極限狀態(tài)下各樁沉降量不一致，而端阻與沉降量存在雙曲線函數(shù)關(guān)系[15];另一個(gè)原因是分級(jí)加載試驗(yàn)中獲得的極限承載力存在誤差。由于直孔樁與螺紋樁在極限狀態(tài)下端阻相差較小，而極限承載力相差較大，因此兩種樁的承載力差異主要由極限側(cè)阻引起。

由圖7可知，螺紋試驗(yàn)樁的極限側(cè)阻力為直孔樁的1.79～2.00倍，且極限側(cè)阻力隨著螺距的增大先增大后減小，距徑比為1.50的LW-3樁的側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)最大，這與試驗(yàn)樁的P-s曲線分析結(jié)果一致。受試驗(yàn)樁數(shù)量的限制，使得側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)達(dá)到極值的最優(yōu)距徑比尚不能確定。

2.5 螺紋樁的最優(yōu)螺距分析

根據(jù)表1繪制試驗(yàn)樁的側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)與距徑比的關(guān)系如圖8所示，根據(jù)試驗(yàn)值的分布規(guī)律進(jìn)行線性擬合，得到擬合值曲線（見(jiàn)圖8）。

當(dāng)距徑比小于臨界值1.36時(shí)，擬合得到的側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)β與距徑比S/d之間的關(guān)系為β=0.75S/d+1.00（1）

當(dāng)距徑比大于1.36時(shí)，β與S/d之間的關(guān)系則為β=-0.18S/d+2.28（2）

在上述線性擬合中，公式（1）和公式（2）的可決系數(shù)R2分別為0.995 2和0.990 4，說(shuō)明擬合直線對(duì)試驗(yàn)值的擬合程度很好，擬合結(jié)果可信度高。

顯然，距徑比的臨界值1.36即為試驗(yàn)樁的最優(yōu)距徑比，此時(shí)，側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)達(dá)到最大值2.02。當(dāng)距徑比小于最優(yōu)距徑比時(shí)，螺紋樁的側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)隨距徑比的增大而線性增大;距徑比超過(guò)最優(yōu)距徑比時(shí)，側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)則隨距徑比的增大而線性減小。

根據(jù)圖8，當(dāng)距徑比在1.20～2.03之間時(shí)，側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)可達(dá)1.9以上，因此，實(shí)際工程樁的螺距內(nèi)徑比宜在上述區(qū)間內(nèi)取值，螺紋引起的側(cè)阻增強(qiáng)效果十分顯著。

5 結(jié)論

通過(guò)模型試驗(yàn)方法進(jìn)行了螺紋樁豎向承載性能研究，并得到以下結(jié)論：

（1）螺紋樁是一種典型的端承摩擦樁，與相同外徑的直孔樁相比，其在天然含黏粒細(xì)砂地基土中具有更高的承載性能和沉降控制能力;

（2）螺紋樁的樁側(cè)阻力隨著外荷載的增加而增大，并沿樁身由上而下逐漸達(dá)到側(cè)阻極限狀態(tài)，當(dāng)全長(zhǎng)范圍內(nèi)均達(dá)到側(cè)阻極限狀態(tài)時(shí)，螺紋樁由于沉降迅速增大而達(dá)到承載極限狀態(tài)，其極限承載能力主要由極限側(cè)阻力決定;

（3）在螺紋厚度和高度不變的條件下，螺紋樁的極限側(cè)阻力隨著螺距的增大先增大后減小，當(dāng)螺距內(nèi)徑比介于1.20～2.03之間時(shí)，側(cè)阻增強(qiáng)系數(shù)可達(dá)1.9以上，最優(yōu)距徑比為1.36。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬文杰，王博林，王旭，等.螺紋樁承載特性的初步探討[J].建筑結(jié)構(gòu)，2018，48（S1）：738-741.

[2] 趙治冶.DDS樁在高速鐵路復(fù)合地基工程中的適用性[J].鐵道建筑，2020，60（5）：77-79.

[3] KURIAN N P，SHAH S J.Studies on the behaviour of screw piles by the finite element method[J].Canadian Geotechnical Journal，2009，46（6）：627-638.

[4] 周敏明，錢(qián)建固，黃茂松，等.注漿成型螺紋樁樁土接觸面機(jī)制的離散元模擬[J].巖土力學(xué)，2016，37（S1）：591-595.

[5] CHEN Y，DENG A，WANG A，et al.Performance of screw-shaft pile in sand：model test and DEM simulation[J].Computers and Geotechnics，2018，104（2 018）：118-130.

[6] 王國(guó)才，趙志明，奚靈智，等.螺紋樁豎向承載特性研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，48（1）：90-96.

[7] 周楊，肖世國(guó)，徐駿，等.變截面螺紋樁豎向承載特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2017，38（3）：747-754.

[8] 冷伍明，魏廣帥，聶如松，等.螺紋樁豎向承載特性及承載機(jī)理研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2020，37（5）：1-6.

[9] HOUSSEINSJ，POUYA Z.Load Transfer Mechanism of Screw Piles in Sandy Soils[J].Indian Geotechnical Journal，2020，50（6）：871-879.

[10] WHEELER LN，HENDRY MT，TAKE WA，et al.Field performance of a peat railway subgrade reinforced with helical screw piles[J].Canadian Geotechnical Journal，2018，55（12）：1 888-1 899

[11] 鄭軍鋒，范德全，陳濟(jì)熙，等.擠密螺紋樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，16（12）：3 005-3 012.

[12] 馮浙.砂土地基中螺桿樁豎向承載特性的模型試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)，2019，35（5）：97-102.

[13] 童宇，馬宏偉，吳怡穎，等.擠擴(kuò)支盤(pán)樁-土相互作用的機(jī)理研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，40（2）：13-18.

[14] 沈保漢.評(píng)價(jià)樁工作特性的新方法──P/PU-S/Su曲線法[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，1994，1（2）：11-21.

[15] HONG-WEI MA，YI-YING WU，YU TONG，et al.Research on Bearing Theory of Squeezed Branch Pile[J].Advances in Civil Engineering，2020（1）：1-12.

（責(zé)任編輯：丁 寒）