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(duì)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(duì)螺旋樁豎向承載問(wèn)題的研究工作較多，既有研究均表明相對(duì)于直線型樁來(lái)說(shuō)，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(jì)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(duì)擠擴(kuò)樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究，在直孔樁上增加擠擴(kuò)盤(pán)亦可提高其承載力。由此可見(jiàn)，異型樁的出現(xiàn)對(duì)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(wèn)題之一，螺旋樁表面附有的螺旋形葉片對(duì)提高樁基抗拔承載力十分有利，研究螺旋樁的抗拔承載問(wèn)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(wèn)題開(kāi)展研究現(xiàn)狀的分析，以期提高人們對(duì)該問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。

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(yàn)方式展開(kāi)，主要工作集中于螺旋樁抗拔承載特點(diǎn)和承載機(jī)理研究?jī)蓚€(gè)方面。

在螺旋樁抗拔承載特點(diǎn)研究方面，Jiang等[3]對(duì)淤泥中的螺旋樁進(jìn)行模型試驗(yàn)，與光滑樁的承載特性進(jìn)行對(duì)比分析。陳城等[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用慢速維持荷載法研究雙葉片螺旋鋼樁樁長(zhǎng)、樁徑、葉片面積和葉片間距因素對(duì)螺旋樁極限抗壓承載力的影響；Demir等[5]對(duì)黏土中的螺旋樁同時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析其在不同埋深比情況下抗拔承載特性。研究人員通過(guò)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)螺旋樁進(jìn)行了大量的研究，相互驗(yàn)證對(duì)比分析，在研究中得出螺旋樁的承載特性，相比較直孔樁來(lái)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(duì)螺旋樁進(jìn)行豎直方向加載，通過(guò)改變抗拔螺旋樁葉片距寬比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析其基礎(chǔ)的抗拔承載特性。Mittal等[7]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)條件下的側(cè)向承載力進(jìn)行了對(duì)比分析。張新春等[8]通過(guò)施加不同角度(30°,45°,60°)斜向荷載對(duì)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(shí)候，樁頂不穩(wěn)定，抗拔性能差。在實(shí)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(guò)對(duì)樁進(jìn)行不同方向加載分析其承載特性，為實(shí)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(huì)導(dǎo)致螺旋樁基礎(chǔ)承載機(jī)理發(fā)生改變。

在螺旋樁抗拔承載機(jī)理方面，Ilamparuthi等[9]對(duì)砂土中的螺旋樁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析其破壞面形狀，在密實(shí)砂土中，螺旋樁淺埋時(shí)損壞面為沿錨片邊緣彎曲延伸至地表；深埋時(shí)損壞面呈氣球狀，破壞面不會(huì)延伸至地表。王杰等[10]在對(duì)螺旋樁進(jìn)行分析時(shí)，提出當(dāng)螺旋樁葉片深埋時(shí)破壞土體首先呈圓柱體,隨著荷載增加葉片持續(xù)上拔,當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界埋置深度時(shí)破壞土體又開(kāi)展成為倒圓錐形；淺埋時(shí)損壞面為倒圓錐形。在實(shí)驗(yàn)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(tái)形、多層錨片圓柱——倒圓臺(tái)模型、圓柱模型、對(duì)數(shù)滑裂面模型等，由此可見(jiàn)，螺旋樁抗拔承載力的形成機(jī)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(jì)算方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已建立了螺旋樁抗拔承載力計(jì)算的一系列方法，如：前蘇聯(lián)的螺旋樁抗拔承載力計(jì)算法、倒圓臺(tái)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(yáng)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(jì)算方法：

Quk=∑λiuiqsikli。

其中，λi為抗拔系數(shù)；ui為第i層土中樁周計(jì)算周長(zhǎng)；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(biāo)準(zhǔn)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(duì)軟土地基螺旋樁抗拔承載力計(jì)算方法進(jìn)行研究，提出螺旋樁基礎(chǔ)豎向抗拔破壞時(shí)分析模型，并運(yùn)用TSGM計(jì)算法確定其極限承載力，當(dāng)葉片距寬比、首層葉片埋深不同時(shí)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(dāng)設(shè)計(jì)螺距大于控制螺距時(shí)(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(dāng)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(jì)算公式為:

Qu=G+W+f1+∑Pi+∑Fj

(1)

其中，G為樁體拔出時(shí)土體自重；W為樁體自重；f1為樁體上拔時(shí)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(dāng)設(shè)計(jì)螺距小于控制螺距(H<[H])時(shí)，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(jì)算公式為:

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

(2)

其中，G1為首層葉片拔出時(shí)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(shí)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(tái)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(shí)，螺旋樁的極限抗拔承載力計(jì)算式為：

Qu=G1+G2+W+f1+f2

(3)

規(guī)范中的計(jì)算公式是根據(jù)土的物理力學(xué)指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估算得出，破壞面的假設(shè)也是將葉片簡(jiǎn)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(shí)際工程中規(guī)范計(jì)算公式所得的值與實(shí)際值是相差很大的，但在實(shí)際工程中可作簡(jiǎn)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(duì)埋深和葉片間距不同時(shí)破壞面進(jìn)行了細(xì)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(lái)講，董天文提出的計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果更精確，有學(xué)者也針對(duì)董天文的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算跟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)際承載力和計(jì)算得出的誤差在10%以內(nèi)，當(dāng)然這些都是在有限的條件下適用，針對(duì)不同的土質(zhì)，樁型幾何參數(shù)相對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范，仍需進(jìn)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(duì)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(guò)試驗(yàn)方法開(kāi)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(duì)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(dāng)埋深達(dá)到臨界深度時(shí)，螺旋樁的上拔極限承載力增加趨勢(shì)變緩，這是因?yàn)殡S著埋深達(dá)到一定深度時(shí)，樁側(cè)摩阻力不再隨著埋深增加而增加。可以得知葉片埋深增加導(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(duì)雙錨片螺旋錨進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，主要改變其葉片間距對(duì)其極限抗拔承載力的影響，隨著葉片間距增大，葉片可以獨(dú)自發(fā)揮作用，其承載力也會(huì)有所增大。分析當(dāng)葉片間距小時(shí)，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(huì)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(guò)改變?nèi)~片數(shù)量對(duì)螺旋樁承載特性進(jìn)行了分析，認(rèn)為6 m長(zhǎng) 的雙螺旋樁的極限承載力比相同樁長(zhǎng)、直徑的單螺旋樁高24%～57%，9 m長(zhǎng)的雙螺旋樁的極限承載力比相同樁長(zhǎng)、直徑的單螺旋樁高約27%。當(dāng)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(jī)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(duì)螺旋樁進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)分析樁體幾何結(jié)構(gòu)對(duì)其承載特性的影響，主要通過(guò)改變?nèi)~片直徑分析其承載特性，當(dāng)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(dāng)葉片直徑大于4倍樁徑后，承載性能增加的趨勢(shì)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(dāng)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(gè)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(jī)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(duì)螺旋樁進(jìn)行模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析其幾何參數(shù)對(duì)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(duì)其抗拔承載特性有顯著影響，在實(shí)際工程中適當(dāng)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(shí)際工程中無(wú)限制地增加葉片尺寸和埋深是不可取的。

5 結(jié)語(yǔ)

螺旋樁的抗拔承載力研究具有重要的意義，本文從對(duì)螺旋樁進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)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(jī)理，對(duì)極限承載力計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比分析，螺旋樁幾何參數(shù)對(duì)螺旋樁承載力影響三方面進(jìn)行了研究現(xiàn)狀的分析，以期引起人們對(duì)相關(guān)問(wèn)題的關(guān)注。