馬宏偉 劉力 汪鵬

摘 要：采用模型試驗方法進行了螺距對螺紋樁豎向承載力的影響研究，結合試驗結果進行了螺紋樁荷載沉降關系、承載力的構成、側阻力分布特征、極限側阻力以及最優(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;螺紋樁的樁側阻力隨著外荷載的增加而增大，并沿樁身由上而下逐漸達到側阻極限狀態(tài)，當全長范圍內均達到側阻極限狀態(tài)時，螺紋樁由于沉降迅速增大而達到承載極限狀態(tài)，其極限承載能力主要由極限側阻力決定;螺紋樁的極限側阻力隨著螺距的增大先線性增大后線性減小，當螺距內徑比介于1.20～2.03之間時，側阻增強系數(shù)可達1.9以上，最優(yōu)距徑比為1.36。

關鍵詞：基礎工程;螺紋樁;豎向極限承載力;側阻增強效應

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[1]，具有工藝簡單、造價低、單樁承載力高的優(yōu)點，被廣泛應用于實際工程之中[2]。但由于螺紋樁外形復雜，其樁-土相互作用機理仍不明確。

目前，國內外學者針對螺紋樁的承載特性問題已開展了一定的研究工作。文獻[3]認為傳統(tǒng)的螺紋樁受力分析中將螺紋結構視為環(huán)形板的簡化方式是不恰當?shù)模湓诳紤]螺紋的幾何復雜性的基礎上，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制，文獻[4]開展了注漿成型螺紋樁的平面離散元分析，重點研究了螺紋數(shù)量對樁-土接觸面切應力-位移關系的影響。此外，文獻[5-6]研究者亦進行了螺紋樁幾何特性對其承載力影響的數(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。

在試驗研究方面，文獻[7]通過變截面螺紋樁的室內小比尺模型試驗研究，認為螺紋樁的樁側阻力是由螺紋與土體的機械咬合力形成的土體剪切力決定，樁側極限阻力隨樁側土的抗剪強度的增大而增大，當達到極限荷載時，樁周土會形成豎向剪切帶;同時，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鍵。文獻[8-9]進行了螺紋全長布置和局部布置情況下螺紋樁的承載力室內模型試驗研究。此外，文獻[10-11]先后完成了螺紋樁加固鐵路正線路基和車站段路基的現(xiàn)場試驗研究，分析了螺紋樁復合地基中的樁土應力分布關系。在螺紋樁承載機理研究方面，文獻[12]運用數(shù)字照相量測技術開展的模型試驗模擬了螺紋樁與直孔樁受荷時的樁周土位移變化特性，研究認為在極限承載狀態(tài)下，螺紋樁的樁周土會形成連續(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生變化的原因并未被揭示。

本文為了進一步分析螺距對螺紋樁承載力的影響，進行了7根不同螺距的螺紋樁室內模型試驗研究，結合試驗結果進行了螺紋樁荷載沉降關系、承載力的構成、側阻力分布特征、極限側阻力以及最優(yōu)螺距的分析。

1 試驗方案

1.1 模型樁

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

為分析螺距對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際工程樁的距徑比范圍。

1.2 加載裝置

試驗用模型箱采用鋼板和有機玻璃板制作而成，內部凈長度為800mm、寬度為600mm、高度為580mm。經采用基底對數(shù)螺旋滑移方程對樁端滑移面的計算，模型箱尺寸滿足邊界效應控制要求。為消除加載梁自重引起的初始加載誤差，試驗采用自平衡式杠桿加載梁進行加載，該加載裝置的可靠性在擠擴支盤樁模型試驗中已得到驗證[13]。

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

1.3 地基土與樁的埋設

為使試驗研究具有可重復性，試驗采用經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抹平機振實。經土工實驗測定，振實后的地基土重度為γ=16.8kN/m3，含水量w=0.92%，相對密度Dr=0.65。

1.4 加載方案

經過試加載得到0.15kN的荷載分級可以滿足試驗對加載級數(shù)的需要。采用標準砝碼進行逐級加載，每級加載后間隔5min讀取一次樁頂沉降，當相鄰兩次的讀數(shù)差值不大于0.01mm時認為達到穩(wěn)定狀態(tài)，即可進行下一級加載，直至加載至極限承載狀態(tài)。

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

2 試驗結果分析

（1）螺紋樁的P-s曲線分析

試驗得到的直孔樁和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，加載試驗得到直孔樁的極限承載力為1.05kN，而螺紋樁則達到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試驗樁承載力最強。但受到定量荷載分級的限制，通過分級加載試驗很難得到的各螺紋樁的極限承載力精確值。

從控制沉降角度來看，當外荷載為1.05kN時直孔樁的沉降量達到5.72mm，而4根螺紋樁的平均沉降量僅有1.51mm，是直孔樁的26.4%;同時，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 螺紋樁的承載力構成分析

試驗得到LW-3試驗樁的外荷載與阻力占比之間關系曲線如圖5所示。

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

2.3 螺紋樁側阻力分布特征分析

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

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

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

2.4 螺紋樁極限側阻力分析

根據(jù)前述分析，螺距對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阻力決定，因此研究螺距對極限側阻的影響是必要的。

s-logP曲線法[14]是進行樁基承載力分析的典型方法，在s-logP曲線上，延長曲線末端直線段并與坐標橫軸相交，交點的橫坐標值即為樁的側阻極限值。8根試驗樁的s-logP曲線如圖7所示。

由s-logP曲線法確定的試驗樁極限側阻如表1所示。根據(jù)試驗樁的極限承載力與極限側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。不同試驗樁的端阻之間存在差異，產生差異的一個原因是極限狀態(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)關系[15];另一個原因是分級加載試驗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阻引起。

由圖7可知，螺紋試驗樁的極限側阻力為直孔樁的1.79～2.00倍，且極限側阻力隨著螺距的增大先增大后減小，距徑比為1.50的LW-3樁的側阻增強系數(shù)最大，這與試驗樁的P-s曲線分析結果一致。受試驗樁數(shù)量的限制，使得側阻增強系數(shù)達到極值的最優(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繪制試驗樁的側阻增強系數(shù)與距徑比的關系如圖8所示，根據(jù)試驗值的分布規(guī)律進行線性擬合，得到擬合值曲線（見圖8）。

當距徑比小于臨界值1.36時，擬合得到的側阻增強系數(shù)β與距徑比S/d之間的關系為β=0.75S/d+1.00（1）

當距徑比大于1.36時，β與S/d之間的關系則為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，說明擬合直線對試驗值的擬合程度很好，擬合結果可信度高。

顯然，距徑比的臨界值1.36即為試驗樁的最優(yōu)距徑比，此時，側阻增強系數(shù)達到最大值2.02。當距徑比小于最優(yōu)距徑比時，螺紋樁的側阻增強系數(shù)隨距徑比的增大而線性增大;距徑比超過最優(yōu)距徑比時，側阻增強系數(shù)則隨距徑比的增大而線性減小。

根據(jù)圖8，當距徑比在1.20～2.03之間時，側阻增強系數(shù)可達1.9以上，因此，實際工程樁的螺距內徑比宜在上述區(qū)間內取值，螺紋引起的側阻增強效果十分顯著。

5 結論

通過模型試驗方法進行了螺紋樁豎向承載性能研究，并得到以下結論：

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

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

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（責任編輯：丁 寒）