羅義華，石雪梅，楊泰朋，尹雪超，劉志鵬

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230061；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司，安徽 合肥 230071；3.安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230022；4.安徽華電工程咨詢設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230022；5.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098）

0 前言

近年來，在電力和通信線塔基礎(chǔ)、輸送管道基礎(chǔ)以及建筑物基礎(chǔ)中，螺旋錨有著越來越廣泛的運用。螺旋錨承載性能優(yōu)越，在承受豎向上拔荷載的作用上有著十分卓著的表現(xiàn)，郝冬雪等[1]開展了砂土中螺旋錨上拔承載特性模型試驗研究，分析了錨盤埋深、數(shù)量、間距等因素對螺旋錨上拔承載特性的影響。郝冬雪等[2]通過數(shù)值模擬研究了黏土中螺旋錨幾何尺寸對上拔承載力的影響，分析了上拔承載力隨埋置深度和埋深比的變化趨勢。房艷峰等[3]通過一系列相同埋深，不同錨盤間距的雙錨盤螺旋錨抗拔試驗，并結(jié)合對錨桿傳力途徑和土體破壞機理的分析推導，給出了粗砂中錨盤間距不同時雙錨盤螺旋錨上拔承載力的計算方法。王杰等[4]通過室內(nèi)試驗對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，利用回歸分析方法對試驗數(shù)據(jù)進行了分析，提出了螺旋錨上拔極限承載力計算方法。王杰等[5]開展了雙錨盤螺旋錨室內(nèi)上拔試驗，研究了雙錨盤螺旋錨在砂土中的工作性能和破壞模式。王釗等[6]進行了無灌漿和灌漿FRP螺旋錨的現(xiàn)場拉拔試驗，并基于試驗結(jié)果對螺旋錨的結(jié)構(gòu)和施工提出一些改進意見。蘇曉青等[7]基于株洲市某基坑工程的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及基坑的設(shè)計深度，提出了螺旋錨支護方案，并對螺旋錨的抗拔承載力及支護結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計計算。劉福天等[8]開展了室內(nèi)模型試驗，分析了砂土中單錨片螺旋錨的工作性狀及破壞模式，給出上拔極限承載力計算公式，為指導工程實踐提供理論依據(jù)。王釗等[9]進行了螺旋錨的設(shè)計與制作，并開展了螺旋錨現(xiàn)場上拔試驗，總結(jié)了螺旋錨的運行維護經(jīng)驗，對課題的進一步研究提出建議。螺旋錨在抗壓上的表現(xiàn)也較為良好。針對螺旋錨豎向抗壓承載特性問題，相關(guān)研究人員開展了系列研究，并取得了一些成果，董天文等[10]采用雙折線數(shù)學模型，從樁身、葉片的傳力路徑入手，建立了螺旋錨在受壓情況下荷載的傳力函數(shù)；并對六根連續(xù)葉片式、分層葉片式螺旋錨的靜載試驗P-s曲線的擬合，證明了推導的荷載、位移可用于求解螺旋錨的P-s曲線，并可根據(jù)s-logP法判定螺旋錨的極限承載力，從而提供合理的單樁承載力設(shè)計值。張亞軍等[11]分析了豎向靜載荷作用下螺旋樁基礎(chǔ)的樁土相互作用和承載性狀特征，使用s-logP方法判定螺旋樁受壓極限承載力。馬藝琳等[12]對不同規(guī)格螺旋錨開展了現(xiàn)場抗壓試驗，通過將所繪制的Q-s曲線進行對比研究，發(fā)現(xiàn)葉片直徑、樁徑、葉片個數(shù)以及降水情況對螺旋錨極限抗壓承載力均有一定影響。Guo等[13]基于小尺寸螺旋錨開展了現(xiàn)場靜載荷試驗，提出當位移達到錨盤直徑的十分之一時，螺旋錨達到極限狀態(tài)，此外基于建立的理論模型對螺旋錨安裝扭矩進行了估算。Guo等對循環(huán)荷載作用下螺旋錨的位移情況進行現(xiàn)場量測，發(fā)現(xiàn)位移幅度與錨盤直徑以及錨長有關(guān)，并隨著錨盤直徑與錨長的增大而減小。馬藝琳等[12]開展了現(xiàn)場試驗對螺旋樁抗壓承載力進行了研究，并分析了葉片直徑、葉片個數(shù)、樁徑以及降水情況對螺旋樁承載特性的影響。

綜上可知，目前針對豎向下壓荷載作用下螺旋錨的承載力理論計算方法方面的研究仍相對較少，因此，本文擬基于極限平衡原理，給出螺旋錨豎向抗壓達到極限狀態(tài)時的土體破壞模式假定，并基于此推導螺旋錨抗壓極限承載力理論計算公式。通過與現(xiàn)場試驗實測值的對比分析，驗證本文所建立理論模型的準確性和可靠性。續(xù)而，分析錨盤直徑、錨桿直徑等因素對螺旋錨極限抗壓承載力的影響規(guī)律。

1 理論模型的建立

1.1 基本假定

本文計算螺旋錨單錨抗壓極限承載力時將錨盤間的土體破壞面假定為圓柱形剪切面，該假定僅在錨盤間距不過大時適用（錨盤間距小于3D）。在該假定下，螺旋錨抗壓極限承載力可分為螺旋錨鋼管與土體之間的摩阻力、錨盤之間圓柱形剪切面上的剪應(yīng)力以及最下層錨盤的“端阻力”。其中，計算樁土間摩阻力以及圓柱形剪切面上的剪應(yīng)力時使用β法計算；計算最下層錨盤的“端阻力”時將其假定為直徑與錨盤直徑（D）相等的等截面樁計算，具體受力如圖1所示。

圖1 豎向下壓荷載下螺旋錨單錨受力圖

1.2 控制方程和公式推導

螺旋錨受壓極限承載力：

其中，T1為螺旋錨鋼管與土體之間的摩阻力；T2為錨盤之間圓柱形剪切面上的剪應(yīng)力；T3為最下層錨盤的“端阻力”。

T1采用β法計算，即：

其中，h為螺旋錨入土深度，φ為土體內(nèi)摩擦角。T2亦采用β法計算，即：

最下層錨盤所產(chǎn)生的端阻力T3按直徑與錨盤直徑D相同的等截面樁確定，即：

其中，N為待定參數(shù)，當 D＞60cm時，N=6；當30cm＜D＜60cm時，N=7。Cu為土的不排水抗剪強度。綜上，螺旋錨單錨極限抗壓承載力：

當錨盤數(shù)為1時，可視作多錨盤的特殊情況，即T2=0，T1和T3計算方法不變。

2 理論模型的驗證與分析

2009年，董天文等[14]在濱海沖積平原進行了螺旋錨單錨的豎向上拔試驗，本文引用其數(shù)據(jù)對上述公式進行驗證。

試驗場地為濱海沖積平原，場地平整。地下水位4.5 m，地層從上到下依次為：①耕植土，由黏性土顆粒組成，可塑到流塑狀態(tài)，厚度0.5 m。②粉質(zhì)黏土，厚0.7 m，平均含水率47.18%，比重為2.69，濕密度為1.63 g/cm3，天然重度 15.97 kN/m3，飽和度 88.63%，液限為38.87%，塑限為22.25%，壓縮模量為1.30 MPa，黏聚力為9.33 kPa，內(nèi)摩擦角為2°。對土層信息進行提煉，即土體粘聚力8～11 kPa，內(nèi)摩擦角2°，抗剪強度為80 kPa。

螺旋錨鋼管和錨盤材料均為鋼材Q235，錨盤數(shù)均為3個，端部為錐形鑄鐵墩頭。本文選取兩根螺旋錨對公式進行驗證：螺旋錨1樁徑0.14m，樁長5.4m，葉片直徑0.708m，葉片間距1.5m；螺旋錨2樁徑0.14m，樁長6.95m，葉片直徑0.65m，葉片間距1.5m。

通過所推理論公式計算得螺旋錨1極限抗壓承載力約為228.5kN，而現(xiàn)場試驗得到的極限抗壓承載力為245.7kN，偏差約7.0%；螺旋錨2極限抗壓承載力約為225.3kN，而現(xiàn)場試驗得到的極限抗壓承載力為205.1kN，偏差約9.8%。算例參數(shù)及計算結(jié)果列表分別見表1和2所示。由表2可知，根據(jù)所推公式計算的兩根螺旋錨的受壓極限承載力偏差均在10%以內(nèi)，因此可初步認定本文所假定的破壞模式接近實際破壞情況，所推導的理論計算公式可用于螺旋錨工程設(shè)計中的受壓極限承載力估算中。但由于算例不夠充足，數(shù)據(jù)較少，后續(xù)仍需開展試驗進行進一步驗證。

算例參數(shù) 表1

極限抗壓承載力計算與實測結(jié)果對比 表2

3 影響因素分析

3.1 錨盤直徑的影響分析

為了探討豎向下壓荷載作用錨盤直徑對螺旋錨極限承載力的影響，取錨桿直徑0.2m，螺旋錨總長4m，土體重度 16 kN/m3，內(nèi)摩擦角 2。，錨盤數(shù)為 2，首層葉片埋深取2.5m，錨盤直徑0.3～0.6m，間隔0.05m選取。通過上文所述公式對螺旋錨抗壓極限承載力進行計算并繪制抗壓極限承載力和錨盤直徑之間的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖3 錨桿直徑對極限抗壓承載力影響規(guī)律

由圖2可知，在其他條件相同且錨盤直徑不過大的情況下，隨著錨盤直徑的增大，螺旋錨抗壓極限承載力呈上升趨勢，且近似呈線性增長。

3.2 錨桿直徑的影響分析

為了探討豎向下壓荷載作用錨桿直徑對螺旋錨極限承載力的影響，取錨盤直徑0.6m，螺旋錨總長4m，土體重度 16 kN/m3，內(nèi)摩擦角 2。，錨盤數(shù)為 2，首層葉片埋深取2.5m，錨桿直徑0.2～0.3m，間隔0.01m選取。通過上文所述公式對螺旋錨抗壓極限承載力進行計算并繪制抗壓極限承載力和錨桿直徑之間的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，在合理范圍內(nèi)，隨著錨桿直徑的增大，螺旋錨抗壓極限承載力呈上升趨勢。錨桿直徑對螺旋錨抗壓極限承載力影響較小，基本可忽略不計。

圖2 錨盤直徑對極限抗壓承載力影響規(guī)律

4 結(jié)論

本文基于極限平衡原理建立了豎向下壓荷載作用下螺旋錨的極限抗壓承載力理論計算方法，并分析了錨盤直徑和錨桿直徑對螺旋錨抗壓承載特性的影響規(guī)律，可以得到如下結(jié)論：

①盡管本文理論模型建立時的基本假定有一定的局限性。但是，本文所建立的理論模型與實際破壞情況較為符合，通過兩個算例的驗證初步認為所推導的理論計算公式可用于工程實際對螺旋錨單錨抗壓極限承載力的估算中，但后續(xù)仍需開展相關(guān)試驗進行進一步驗證。

②在破壞面形式不變的情況下，螺旋錨抗壓極限承載力隨錨盤直徑的增大而增大，且變化基本呈線性。隨著錨桿直徑的增大，螺旋錨抗壓極限承載力也有一定的增長，但增長較小，可認為錨盤直徑是影響螺旋錨抗壓極限承載力的主要因素之一。