螺旋樁抗拔承載力及影響因素的研究現(xiàn)狀分析

楊曉麗，馬宏偉，袁 松，何青睿

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 概述

螺旋樁是一種表面附有螺旋形葉片的異型樁基礎(chǔ)，凸出于樁體表面的螺旋形葉片有效提高了樁的承載力，并對控制樁基沉降產(chǎn)生了積極的作用，已被廣泛應(yīng)用于電力、交通、水利、市政等工程領(lǐng)域[1]。目前針對螺旋樁豎向承載問題的研究工作較多，既有研究均表明相對于直線型樁來說，螺旋樁葉片的存在改變了樁土彼此之間的作用方式，與常規(guī)樁基礎(chǔ)表現(xiàn)出明顯的差異，螺旋樁的葉片直徑、間距、數(shù)量和埋置深度等因素的改變導(dǎo)致其承載力也隨之發(fā)生變化，在經(jīng)濟方面比同樁徑的直型樁相比削減更多混凝土的使用量。此外，馬宏偉等[2]對擠擴樁進行靜載試驗研究，在直孔樁上增加擠擴盤亦可提高其承載力。由此可見，異型樁的出現(xiàn)對提高地基承載力和沉降控制有顯著的效果。

樁基抗拔是現(xiàn)代工程建設(shè)中普遍存在的基礎(chǔ)工程問題之一，螺旋樁表面附有的螺旋形葉片對提高樁基抗拔承載力十分有利，研究螺旋樁的抗拔承載問題具有顯著的工程意義。為此，本文圍繞螺旋樁抗拔承載力及其影響因素問題開展研究現(xiàn)狀的分析，以期提高人們對該問題的認識。

2 螺旋樁抗拔承載特性的研究

目前，圍繞螺旋樁抗拔承載特性的研究工作多采用試驗方式展開，主要工作集中于螺旋樁抗拔承載特點和承載機理研究兩個方面。

在螺旋樁抗拔承載特點研究方面，Jiang等[3]對淤泥中的螺旋樁進行模型試驗，與光滑樁的承載特性進行對比分析。陳城等[4]通過現(xiàn)場試驗，采用慢速維持荷載法研究雙葉片螺旋鋼樁樁長、樁徑、葉片面積和葉片間距因素對螺旋樁極限抗壓承載力的影響；Demir等[5]對黏土中的螺旋樁同時進行數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗，分析其在不同埋深比情況下抗拔承載特性。研究人員通過模型試驗、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬的方法對螺旋樁進行了大量的研究，相互驗證對比分析，在研究中得出螺旋樁的承載特性，相比較直孔樁來講雖然受力比較復(fù)雜，但極大的提高了承載能力和控制沉降能力。董天文等[6]對螺旋樁進行豎直方向加載，通過改變抗拔螺旋樁葉片距寬比進行實驗研究，分析其基礎(chǔ)的抗拔承載特性。Mittal等[7]通過室內(nèi)模型試驗對螺旋樁水平方向加載，改變樁的埋置深度分析其水平荷載作用下的受力特性，與普通樁在相同實驗條件下的側(cè)向承載力進行了對比分析。張新春等[8]通過施加不同角度(30°,45°,60°)斜向荷載對螺旋樁的抗拔性能分析，得出斜向荷載作用下螺旋樁的水平位移分量始終大于豎直位移分量，在傾斜角為45°左右的時候，樁頂不穩(wěn)定，抗拔性能差。在實際工程中建筑物承受豎向建筑物自重、水平地震等荷載作用，一般情況下承受斜向荷載，即水平荷載和豎向荷載耦合作用，通過對樁進行不同方向加載分析其承載特性，為實際工程提供參考依據(jù)，避免不必要的施工事故。上述研究結(jié)果均反映出荷載施加方向、葉片幾何參數(shù)都會導(dǎo)致螺旋樁基礎(chǔ)承載機理發(fā)生改變。

在螺旋樁抗拔承載機理方面，Ilamparuthi等[9]對砂土中的螺旋樁進行實驗分析其破壞面形狀，在密實砂土中，螺旋樁淺埋時損壞面為沿錨片邊緣彎曲延伸至地表；深埋時損壞面呈氣球狀，破壞面不會延伸至地表。王杰等[10]在對螺旋樁進行分析時，提出當螺旋樁葉片深埋時破壞土體首先呈圓柱體,隨著荷載增加葉片持續(xù)上拔,當?shù)竭_臨界埋置深度時破壞土體又開展成為倒圓錐形；淺埋時損壞面為倒圓錐形。在實驗中由于施工技術(shù)、土質(zhì)、樁型幾何參數(shù)不同，破壞面表現(xiàn)形式參差不齊，主要體現(xiàn)為錐形、倒圓臺形、多層錨片圓柱——倒圓臺模型、圓柱模型、對數(shù)滑裂面模型等，由此可見，螺旋樁抗拔承載力的形成機理與直孔樁存在顯著差異，螺旋形葉片的存在改變了樁周土的破壞形式，破壞面的形狀與葉片尺寸、埋深、葉片間距等參數(shù)相關(guān)。

3 螺旋樁抗拔承載力計算方法

國內(nèi)外學(xué)者已建立了螺旋樁抗拔承載力計算的一系列方法，如：前蘇聯(lián)的螺旋樁抗拔承載力計算法、倒圓臺法、扭矩系數(shù)法、規(guī)范法、TSGM等方法，其區(qū)別主要體現(xiàn)在樁周土破壞面形式假定上的差異。

《太陽能發(fā)電站支架基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》中破壞面假設(shè)為螺旋樁在葉片上方2D范圍內(nèi)的破壞面為以D為直徑的圓柱面，2D范圍以外的破裂面為以d為直徑的圓柱面。

其抗拔極限承載力計算方法：

Quk=∑λiuiqsikli。

其中，λi為抗拔系數(shù)；ui為第i層土中樁周計算周長；li為樁周第i層土的厚度,m；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標準值。

董天文等[11]應(yīng)用極限平衡理論和Meyerhof深基礎(chǔ)承載力理論對軟土地基螺旋樁抗拔承載力計算方法進行研究，提出螺旋樁基礎(chǔ)豎向抗拔破壞時分析模型，并運用TSGM計算法確定其極限承載力，當葉片距寬比、首層葉片埋深不同時樁基礎(chǔ)的破壞模式有所差異。

1)h2>[h]，即首層葉片的埋深大于滑裂體界限埋深。

a.當設(shè)計螺距大于控制螺距時(H>[H])，葉片發(fā)揮較大的承載力，拉拔力作用下螺旋樁發(fā)生深基礎(chǔ)塑性滑裂區(qū)破壞，當塑性滑裂面連通后，形成弧形滑裂面。螺旋樁的極限承載力計算公式為:

Qu=G+W+f1+∑Pi+∑Fj

(1)

其中，G為樁體拔出時土體自重；W為樁體自重；f1為樁體上拔時與樁側(cè)地基的剪移摩阻力；Pi為第i層葉片滑裂體外表面剪阻力；Fj為葉片與葉片間除滑裂體之外的土柱面的剪阻力。

b.當設(shè)計螺距小于控制螺距(H<[H])時，抗拔螺旋樁沿著葉片外邊緣發(fā)生破壞，破壞面接近柱狀。樁的極限承載力計算公式為:

Qu=G1+G2+W+f1+f2+p1

(2)

其中，G1為首層葉片拔出時土體的自重；G2為葉片與葉片之間土的自重；f2為樁體上拔時葉片間土柱上移產(chǎn)生的摩阻力；p1為首層葉片以上拔出的倒圓臺土體滑裂面阻力。

2)h2<[h]，即首層葉片的埋深小于滑裂體界限埋深。

此時，螺旋樁的極限抗拔承載力計算式為：

Qu=G1+G2+W+f1+f2

(3)

規(guī)范中的計算公式是根據(jù)土的物理力學(xué)指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系估算得出，破壞面的假設(shè)也是將葉片簡化為水平放置的情況，未考慮到葉片有傾角和樁體幾何參數(shù)改變，因此在實際工程中規(guī)范計算公式所得的值與實際值是相差很大的，但在實際工程中可作簡單的估算作為參考依據(jù)。而董天文提出的螺旋樁曲線型破壞面，針對埋深和葉片間距不同時破壞面進行了細分，可以看出有明顯的差異，相較于規(guī)范中提出的規(guī)則圖形破壞面來講，董天文提出的計算公式計算結(jié)果更精確，有學(xué)者也針對董天文的計算公式進行計算跟實驗數(shù)據(jù)對比，實際承載力和計算得出的誤差在10%以內(nèi)，當然這些都是在有限的條件下適用，針對不同的土質(zhì)，樁型幾何參數(shù)相對應(yīng)的計算公式尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范，仍需進一步研究。

4 影響螺旋樁抗拔承載力的因素

上述研究工作表明葉片埋深、間距、數(shù)量、直徑等樁型幾何參數(shù)對螺旋樁的單樁極限承載力有顯著影響，為揭示各參數(shù)的影響規(guī)律，眾多學(xué)者通過試驗方法開展了一定的研究工作。

劉福天等[12]采用回歸分析方法研究螺旋樁首層葉片埋深對其抗拔承載力的影響，其他條件相同的情況下，螺旋樁的上拔極限承載力隨著其埋深的增加而增大，當埋深達到臨界深度時，螺旋樁的上拔極限承載力增加趨勢變緩，這是因為隨著埋深達到一定深度時，樁側(cè)摩阻力不再隨著埋深增加而增加?？梢缘弥~片埋深增加導(dǎo)致葉片所能承受荷載增大，主要由于地基土的自重應(yīng)力隨深度的增加而增大，從而導(dǎo)致葉片所能承受荷載增大。王杰等[13]對雙錨片螺旋錨進行室內(nèi)試驗，主要改變其葉片間距對其極限抗拔承載力的影響，隨著葉片間距增大，葉片可以獨自發(fā)揮作用，其承載力也會有所增大。分析當葉片間距小時，葉片之間互相產(chǎn)生影響，因此雙葉片承載力并不是單葉片的兩倍。在葉片間距較大，兩葉片之間不會產(chǎn)生影響，因此雙葉片承載力可以看做是單葉片的兩倍。Elkasabgy等[14]通過改變?nèi)~片數(shù)量對螺旋樁承載特性進行了分析，認為6 m長 的雙螺旋樁的極限承載力比相同樁長、直徑的單螺旋樁高24%～57%，9 m長的雙螺旋樁的極限承載力比相同樁長、直徑的單螺旋樁高約27%。當葉片數(shù)量增加，葉片與土之間接觸面積增加，樁土之間形成一種機械咬合系統(tǒng)，使得樁基礎(chǔ)變得更加牢固，使得樁承受更大的力才能形成破壞。張新春等對螺旋樁進行室內(nèi)模型試驗分析樁體幾何結(jié)構(gòu)對其承載特性的影響，主要通過改變?nèi)~片直徑分析其承載特性，當葉片直徑增大，葉片與土彼此之間接觸面積也增大，螺旋樁在地基中穩(wěn)固效果更好，隨之抗拔性能也有顯著提高。但當葉片直徑大于4倍樁徑后，承載性能增加的趨勢有所減弱。從而看出隨著葉片直徑增大，葉片下受影響土體的范圍不斷增大，當增大一定程度相鄰葉片之間產(chǎn)生影響，不能充分發(fā)揮單個葉片承載力，從上述結(jié)論可以得知改變樁體幾何結(jié)構(gòu)，樁土之間作用機理發(fā)生改變，因此為充分發(fā)揮葉片承載力，應(yīng)合理控制樁體幾何結(jié)構(gòu)。張?zhí)熘襕15]、李青松等[16]對螺旋樁進行模型試驗和現(xiàn)場試驗，分析其幾何參數(shù)對其承載特性的影響，得到的結(jié)果與前人所述大致一致，印證了上述理論分析的合理性。

根據(jù)以上研究可知，螺旋樁的葉片幾何參數(shù)對其抗拔承載特性有顯著影響，在實際工程中適當增加葉片的直徑、間距、數(shù)量和首層葉片埋深可以有效提高其抗拔承載力，但實際工程中無限制地增加葉片尺寸和埋深是不可取的。

5 結(jié)語

螺旋樁的抗拔承載力研究具有重要的意義，本文從對螺旋樁進行不同的實驗方式、不同方向加載和不同破壞面假設(shè)方面分析螺旋樁抗拔承載特性和破壞機理，對極限承載力計算公式進行對比分析，螺旋樁幾何參數(shù)對螺旋樁承載力影響三方面進行了研究現(xiàn)狀的分析，以期引起人們對相關(guān)問題的關(guān)注。