左 峰，陳楷夫，時(shí) 雨，左 石，孫謀成

(1．國(guó)網(wǎng)國(guó)際發(fā)展有限公司，北京 100031;2．吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130000;3．國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力經(jīng)濟(jì)研究院，長(zhǎng)春 130021;4．國(guó)網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000)

承壓螺旋樁按材料分為鋼管螺旋樁和混凝土螺旋樁。鋼管螺旋樁主要用于重要建筑、海岸工程等;而混凝土螺旋樁由于樁體材料抗施工扭矩性能差，主要用于軟土地區(qū)的低層建筑。螺旋樁基礎(chǔ)被廣泛使用在巴西輸變電直流特高壓線路鐵塔基礎(chǔ)施工中，但因螺旋樁基礎(chǔ)的樁體幾何異形和樁土荷載傳遞的復(fù)雜性［1-2］，使螺旋樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)安裝不同于普通樁基礎(chǔ)，通過(guò)巴西某直流特高壓工程螺旋樁基礎(chǔ)施工，了解螺旋樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)原理、試驗(yàn)方法以及安裝方法，對(duì)工程安全具有非常重要的意義。

1 螺旋樁的設(shè)計(jì)

1．1 螺旋樁的構(gòu)造

螺旋樁是一種具有復(fù)雜幾何表面的異型樁，應(yīng)力作用于樁的上端部，抗拔力則通過(guò)土壤和樁之間集中黏著力或者橫向摩擦力獲得，其特點(diǎn)有環(huán)境友好性、土壤適用性、安裝快捷性。螺旋樁包括主要部分和延長(zhǎng)部分，主要部分包括帶焊接螺旋葉片的引導(dǎo)部分以及多個(gè)葉片的連接部分，螺旋葉片在安裝過(guò)程中傳遞扭矩，使垂直荷載至螺旋葉片，提供橫向移動(dòng)的阻力;延長(zhǎng)部分采用鋼管來(lái)增加總長(zhǎng)度，不同連接部分通過(guò)螺栓連接，最終螺旋樁的引導(dǎo)部分和延長(zhǎng)部分通過(guò)扭轉(zhuǎn)達(dá)到最小允許深度和最小扭矩。

1．2 螺旋樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

功能要求和使用耐久性做為螺旋樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)關(guān)鍵決定因素。該工程按照 ASME B18．2．1—2005《美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算極限承載力，分析可能發(fā)生的樁破裂或者土壤發(fā)生位移引起的樁失效，針對(duì)桿塔型式，基礎(chǔ)型式，土壤類型等局部環(huán)境的不確定變量，以及潛在的加工和安裝錯(cuò)誤，確保設(shè)計(jì)承載能力滿足一個(gè)合理的區(qū)間，安全冗余系數(shù)作為強(qiáng)制條款用于模擬典型設(shè)計(jì)邊界條件，按照該工程螺旋樁設(shè)計(jì)文件要求，采用安全系數(shù)為2．5。螺旋樁的深度、螺旋葉片間距比、深寬比、首層葉片深度、葉片距寬比等的變化將影響螺旋樁極限抗拔和抗壓承載力。

1．2．1 螺旋樁最小深度

當(dāng)螺旋樁葉片直徑、間距、螺距以及地質(zhì)條件相同，深寬比不同時(shí)，螺旋樁基礎(chǔ)上拔過(guò)程中，應(yīng)力加載初期地基處于彈性變形階段，摩阻力比較接近;繼續(xù)加載，埋深不同的螺旋樁基礎(chǔ)的端阻力增速不同，地基進(jìn)入彈塑性狀態(tài)的起始荷載值基本一致，但破壞荷載值隨深寬比的增加而增大。葉片直徑相同時(shí)，隨樁體埋深增加，抗拔螺旋樁極限荷載的端阻比例增大，極限摩擦阻力降低，首層葉片埋深接近，葉片直徑增大，摩擦阻力增大。螺旋樁最小深度Lmin=3(D1+D2+D3+ … +Dn)+5D ，其中 D1，D2，D3，…，Dn為螺旋葉片直徑，D為最后一個(gè)螺旋葉片直徑。

通過(guò)大量試驗(yàn)，證明:對(duì)于淺基礎(chǔ)，在緊密的顆粒狀土壤中，例如砂子或者礫石中，螺旋樁首層葉片安裝深度H一般小于最大的螺旋片直徑3～7倍;對(duì)于深基礎(chǔ)，首層葉片安裝深度H一般大于最大螺旋片直徑5～7倍，一般情況下采用大于5倍直徑作為經(jīng)驗(yàn)值［3］。

1．2．2 安裝扭矩

螺旋樁旋轉(zhuǎn)進(jìn)入土壤的過(guò)程是通過(guò)螺旋片切入土壤，土壤沒(méi)有發(fā)生位移而是被替換。當(dāng)螺旋樁旋轉(zhuǎn)進(jìn)入越緊密的土壤，所產(chǎn)生的扭矩就越大，但是當(dāng)扭矩傳到螺旋樁最后一個(gè)葉片時(shí)，由于土壤與螺旋樁之間存在摩擦力，相應(yīng)的部分扭矩已經(jīng)被抵消，因此安裝扭矩與最大承載力之間需要一個(gè)土壤功效系數(shù)，用以估算由于土壤摩擦產(chǎn)生的扭力損失。一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)2種方式確定，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值將根據(jù)土壤的不同，依據(jù)加工的形狀、尺寸、距離以及連接件不同而不同，推薦默認(rèn)值為33～39 m－1。

式中:Qu為螺旋樁的極限承載力;T為螺旋樁的測(cè)量扭矩;kt為土壤功效系數(shù)。

2 螺鋼樁設(shè)計(jì)試驗(yàn)

根據(jù)基礎(chǔ)承受的設(shè)計(jì)荷載，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序預(yù)先計(jì)算出螺旋樁極限承載力，最小埋深以及通過(guò)方案比選確定螺旋樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(樁長(zhǎng)、葉片直徑、葉片層數(shù)、葉片間距與葉片直徑)后，最終需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)型式試驗(yàn)驗(yàn)證螺旋樁設(shè)計(jì)的可靠性。

2．1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)及安裝扭矩試驗(yàn)

根據(jù)ASTM D-1586—1999《美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)》，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擾動(dòng)土樣，鑒別和描述土壤類別，對(duì)土壤強(qiáng)度參數(shù)，變形模量，地基承載力等作出評(píng)價(jià);估算單樁極限承載力和判定沉樁可能性;判定飽和粉砂，砂質(zhì)粉土的地震液化可能性及液化等級(jí)。確定螺旋樁深度、土壤活動(dòng)區(qū)域、地表水深度以及現(xiàn)場(chǎng)情況描述。

在該工程施工4標(biāo)段1009/1(自立塔SM82)螺旋樁基礎(chǔ)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行SPT，土壤為砂土，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，其中NSPT為SPT的擊打次數(shù)。

2．2 螺旋樁靜載荷試驗(yàn)

在該工程4標(biāo)段自立塔1009/1(SM82)螺旋樁基礎(chǔ)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，用于驗(yàn)證螺旋樁的深度、承載能力等。采用實(shí)際的螺旋樁材料，試驗(yàn)便捷，通過(guò)靜載荷試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，分析驗(yàn)證深度和扭矩，樁頂位移與荷載的關(guān)系，判定樁的深度、尺寸、螺旋葉片的直徑以及安裝速度等。所有螺旋樁安裝需要100%進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，對(duì)于自立塔基礎(chǔ)需要同時(shí)進(jìn)行抗拉及受壓試驗(yàn)，用于驗(yàn)證螺旋樁的安裝可靠性，本文僅以自立塔基礎(chǔ)取樣進(jìn)行抗拉及受壓試驗(yàn)。

表1 1009/1(SM82)螺旋樁SPT及安裝扭矩試驗(yàn)結(jié)果

2．2．1 自立塔螺旋樁型式試驗(yàn)條件

通過(guò)安裝扭矩試驗(yàn)，使螺旋樁引導(dǎo)部分和中間部分達(dá)到設(shè)計(jì)最小深度和最小安裝扭矩。通過(guò)試驗(yàn)樁頂位移增量數(shù)據(jù)校驗(yàn)最小深度和最小安裝扭矩。螺旋樁型式試驗(yàn)必須滿足:

a．如果螺旋樁最小深度先達(dá)到最小安裝扭矩，則應(yīng)該繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)最小安裝扭矩;

b．即使螺旋樁達(dá)到最小安裝扭矩，不管土壤結(jié)構(gòu)，應(yīng)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)1 m深度再次確認(rèn);

c．計(jì)算螺旋樁安裝扭矩將根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確認(rèn);

e．如果螺旋樁最小深度和最小安裝扭矩都沒(méi)有達(dá)到，土壤將被判定為不適用于螺旋樁，可以變更螺旋樁位置重新進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn);

f．如果螺旋樁安裝扭矩小于2 709 N·m，將重新審查設(shè)計(jì)方案。

2．2．2 自立塔螺旋樁型式試驗(yàn)步驟

自立塔螺旋樁型式試驗(yàn)分為2個(gè)階段，第1階段為螺旋樁受壓;第2階段為在同樣扭矩下螺旋樁的受拉，并達(dá)到極限荷載。

a．螺旋樁受壓試驗(yàn)。預(yù)荷載為20%允許荷載，每次荷載增加10%，加載持續(xù)1 min，測(cè)量位移值，最后加載至最大值持續(xù)5 min。然后按照10%卸載，測(cè)量每次位移值，最后卸載至允許荷載的0%。

b．螺旋樁受拉試驗(yàn)。預(yù)荷載為20%允許荷載，每次荷載增加10%，加載持續(xù)1 min，測(cè)量每次位移值，最后加載至最大值持續(xù)5 min。然后按照10%卸載，測(cè)量每次位移值，最后卸載至允許荷載的0%。循環(huán)受拉荷載結(jié)束后，開(kāi)始測(cè)量螺旋樁極限荷載，按照允許荷載的10%遞增，達(dá)到螺旋樁破壞或者設(shè)備最大扭矩值時(shí)停止，該階段不用測(cè)量位移值。

2．2．3 螺旋樁基礎(chǔ)型式試驗(yàn)結(jié)果

施工4標(biāo)段桿號(hào)1009/1(SM82)螺旋樁基礎(chǔ)型式試驗(yàn)，實(shí)測(cè)了加載過(guò)程中樁頂荷載和位移值，并繪制了螺旋樁基礎(chǔ)的荷載-位移(U-Z)關(guān)系曲線。當(dāng)加載至設(shè)計(jì)受拉荷載352 800 N，設(shè)計(jì)受壓荷載352 800 N時(shí)，扭矩為14 903 N·m，U-Z曲線較為光滑、平直，未出現(xiàn)陡升拐點(diǎn)，表明地基表面未開(kāi)裂，樁基礎(chǔ)未發(fā)生破壞，驗(yàn)證基礎(chǔ)埋深、首層葉片深度、寬深比和葉片寬距比設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。當(dāng)加載至421 400 N時(shí)(設(shè)計(jì)荷載120%)，樁體發(fā)生破壞。實(shí)測(cè)受壓最大位移14．5 mm，受拉最大位移28．0 mm。受壓最大位移與受拉最大位移比值為0．52，小于設(shè)計(jì)值0．7，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

螺旋樁基礎(chǔ)安裝可靠性關(guān)鍵在于確定可靠的螺旋樁極限承載力，最小埋深，以及通過(guò)方案比選確定螺旋樁的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(樁長(zhǎng)、葉片直徑、葉片層數(shù)、葉片間距、深寬比)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)型式試驗(yàn)驗(yàn)證螺旋樁設(shè)計(jì)的可靠性，確保螺旋樁設(shè)計(jì)達(dá)到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、可靠性的最優(yōu)平衡。對(duì)于特高壓輸電線路的螺旋樁基礎(chǔ)施工，應(yīng)根據(jù)具體情況確定安全系數(shù)，做好材料加工常規(guī)試驗(yàn)檢查，型式試驗(yàn)及最終接收試驗(yàn)的全過(guò)程質(zhì)量控制。由于螺旋樁基礎(chǔ)荷載傳遞的復(fù)雜性，可以采用不同破壞模型進(jìn)行對(duì)比，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證圓管樁以及方樁的不同樁長(zhǎng)、葉片直徑、葉片層數(shù)、葉片間距與深寬比對(duì)螺旋樁極限承載力的影響。