螺纹桩竖向承载特性研究

王国才1，赵志明1，奚灵智，庄迎春

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310023；2.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

随着我国基础设施的不断发展完善，桩基础得到了广泛应用[1-2]，出现了一些新型的变截面桩，如挤扩支盘桩、楔形桩和扩底桩等[3-5]。螺纹桩作为一种新型的变截面桩，利用其外围螺纹与土的机械咬合作用达到提高承载力、减小沉降变形、节约工程材料等目的，近年来在国内外一些工程实践中得到了应用[6-8]。但是，由于螺纹桩空间形态复杂，桩-土相互作用机理复杂，对螺纹桩承载性状的研究已成为工程界和学术界的一大难点[9]。

为揭示螺纹桩的承载机理，近年来国内外一些学者对其进行了相关研究。Elsherbiny等[10]通过现场静载试验和有限元模拟研究了螺旋桩在砂土中的竖向承载能力，提出了承载力折减系数和螺旋效率系数的概念，并将其用于评估砂土中螺旋桩竖向承载能力。Nabizadeh 等[11]通过现场静载试验就砂土中单、双、三螺旋结构的螺旋桩的竖向承载能力展开研究，结果表明三螺旋的螺旋桩竖向承载能力低于双螺旋的螺旋桩。孟振等[12]通过室内模型试验研究了砂土中螺纹桩竖向承载特性，发现相同条件下螺纹桩的极限承载力约为等截面圆桩的1～4倍。杨启安等[13]通过理论分析并结合实际工程对螺纹桩螺纹段侧阻等效增强系数进行研究，提出螺纹桩螺纹段侧阻增强系数约为1.3～2.0。徐学燕等[14]采用数值方法对螺纹桩承载性能进行研究，并结合现场静载试验，提出了螺纹桩承载力计算公式。李成巍等[15]采用室内模型试验和数值分析相结合的方法研究了螺纹桩竖向承载机理，表明螺纹桩承载能力取决于土体抗剪强度，承载力达到极限值时，桩周土体出现竖向剪切带。周杨等[16]通过室内模型试验和数值模拟研究了变截面螺纹桩的竖向承载特性，表明变截面螺纹桩的螺纹结构及圆台形桩身能大幅度提高侧摩阻力。熊建[17]采用Midas GTS软件研究了两段式变截面螺纹桩复合地基竖向承载特性，分析了承载力的影响因素。为进一步分析螺纹桩的竖向承载特性，笔者采用三维非线性Abaqus有限元软件对竖向荷载作用下螺纹桩进行三维建模与分析，分析了距径比S/D(螺距/桩内径)、螺纹宽度B、螺纹内外厚度比Hout/Hin、桩周土及桩端土等因素对其承载特性的影响，所得结论对竖向荷载作用下螺纹桩的设计、计算与施工具有一定的指导意义。

1 螺纹桩竖向承载特性分析

1.1 有限元模型的建立

螺纹桩由内部光圆桩芯与外部螺纹组成，其构造如图1所示。为研究螺纹桩竖向承载特性，采用非线性有限元软件Abaqus建立了三维数值模型(图2)。由于螺纹桩在实际抗压过程中桩体本身很少发生塑性破坏，一般处于弹性变形阶段，因此在建模时螺纹桩定义为线弹性材料，地基土定义为Mohr-Coulomb弹塑性材料，外部螺纹与内部桩芯定义为绑定(Tie)，整个螺纹桩与桩周土体定义为接触(Contact)。在所有桩-土接触关系中，切向行为均设置为库伦摩擦，摩擦系数按照文献[18]进行计算，法向行为均设置为硬接触(Hard contact)，并设定接触发生之后接触面可以分离。考虑土体自重产生的初始地应力场，初始地应力通过“Predefined Field”进行定义。采用耦合约束将桩顶约束至桩顶圆心处的参考点，通过在参考点上施加竖向位移，并监测参考点每一分析步的反力变化，得到Q—S曲线。笔者选取《螺纹桩技术规程》(JGJ/T 379—2016)[19]中6号螺纹桩作为基准桩进行数值建模，基准桩桩身参数详见表1。为和等截面圆桩进行对比，还建立了直径分别为377.0 mm和550.0 mm的等截面圆桩的计算模型，土层(自上而下分布)和桩体参数与螺纹桩数值模型保持一致，具体取值见表2。

图1 螺纹桩构造示意图Fig.1 Schematic diagram of thread pile

图2 有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model

表1 基准螺纹桩几何尺寸Table 1 Reference thread pile geometry

表2 土层和桩体参数Table 2 Parameters table of soil and pile

1.2 计算结果及分析

1.2.1Q—S曲线

图3给出了基准螺纹桩、直径分别为377.0 mm和550.0 mm等截面圆桩的桩顶荷载—沉降Q—S曲线。由图3可知：相比较于等截面圆桩，螺纹桩Q—S曲线总体属于陡降型，且陡降点发生在桩顶沉降约为20 mm处。当桩顶荷载较小时，3 组桩相同荷载作用下对应的沉降差别很小，随着桩顶荷载的增大，3 组桩对应的沉降差别也随之增大。当桩顶荷载为1 500 kN时，基准螺纹桩的沉降为6 mm，直径为550.0 mm等截面圆桩的沉降为27 mm，直径为377.0 mm等截面圆桩的沉降为54 mm。可见，相较于等截面圆桩，螺纹桩能够大幅度减小桩顶沉降。由图3可知：基准螺纹桩极限承载力为3 460 kN，直径为550.0 mm等截面圆桩极限承载力为1 844 kN，直径为377.0 mm等截面圆桩极限承载力为1 247 kN。可见，螺纹桩由于外围螺纹的存在使得其承载力高于等截面圆桩，且螺纹桩极限承载力约为与其外径相等的等截面圆桩极限承载力的1.88倍，约为与其内径相等的等截面圆桩极限承载力的2.77倍。

图3 荷载—沉降曲线Fig.3 Load-settlement curves

1.2.2 桩身轴力

图4是不同桩顶荷载作用下的基准螺纹桩桩身轴力分布曲线。由图4可知：桩身轴力沿深度方向从上到下逐渐递减；随着桩顶荷载的增大，距桩顶中心相同距离位置处的桩身轴力也相应增大，且距桩顶中心距离越大，相应轴力增大幅度越小。不同桩顶荷载作用下桩端阻力值相差非常小，阻力几乎为零。这说明螺纹桩属于典型的摩擦型桩，相比较于桩端阻力，桩侧摩阻力在桩基极限承载力中所占比例很高，这也验证了螺纹桩由于螺纹的存在，大大增加了螺纹桩的桩侧摩阻力。

图4 螺纹桩桩身轴力分布曲线Fig.4 Axial force of thread pile distribution curves

1.2.3 桩侧摩阻力

考虑到螺纹桩桩身结构的复杂性，在桩身侧摩阻力计算时对其进行了简化处理[20]，将螺纹与桩周土体的咬合力跟桩身主体的侧摩擦力统一换算成桩身等效侧摩阻力，根据静力平衡理论，桩侧等效侧摩阻力为

(1)

式中：τ为桩侧等效侧摩阻力；Q上、Q下分别表示桩身受力分析段上、下端阻力；h表示受力分析段长度；D′为螺纹桩外径。

图5为不同桩顶荷载作用下基准螺纹桩桩侧等效侧摩阻力分布曲线。由图5可知：不同桩顶荷载作用下，桩侧等效侧摩阻力分布曲线的“形状”基本保持一致，并且其值随着桩顶荷载的增加而逐渐增大，增加幅度与桩身位置紧密相关；在螺纹桩中点以上部分等效侧摩阻力的增加幅度越来越小，而螺纹桩中点以下部分的等效侧摩阻力增加幅度越来越大；荷载较小时，桩身上半部分侧摩阻力大于下半部分，而当荷载继续增加时，桩身下半部分侧摩阻力则大于上半部分。另外，从图5可知：螺纹桩等效侧摩阻力曲线在距桩顶中心1～2 m和8 m处存在明显的拐点，这主要是由于数值模拟过程中地基土由3 层不同性质的土体组成，而有限元模拟只能保证位移场连续，应力场是位移场的导函数，原函数连续但其导函数不一定连续，土体材料发生变化时应力场有可能发生突变，再加上笔者对等效侧摩阻力的概念进行了相应简化处理，从而曲线出现了上述明显的拐点。

图5 螺纹桩侧摩阻力分布曲线Fig.5 Thread pile lateral friction resistance distribution curves

2 影响因素分析

2.1 距径比(S/D)的影响

为了分析距径比S/D对螺纹桩竖向承载特性的影响，分别将距径比S/D取为0，0.5，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0和∞，其中S/D分别取0和∞时表示所对应的桩分别为直径为螺纹桩外径和螺纹桩内径的等截面圆桩。在计算时，除螺距S设置不同外，其余参数取值均同表1及表2。

图6是不同距径比S/D下螺纹桩的Q—S曲线。从图6可知：当S/D从0增加到0.5时，螺纹桩极限承载力从1 844 kN增加到3 385 kN，增大了约84%；当S/D分别为1.0和2.0时所对应的极限承载力分别为3 458 kN与3 235 kN，与S/D=0.5所对应的极限承载力值相差均在5%以内；继续增大S/D，螺纹桩极限承载力开始下降；当S/D为5.0时，螺纹桩极限承载力为1 916 kN，当S/D取∞时，其极限承载力为1 247 kN。说明当S/D位于0.5～2.0之间时，螺纹桩承载力最高。因此，实际工程中螺纹桩S/D应控制在0.5～2.0的范围内。

图6 不同S/D下螺纹桩荷载—沉降曲线Fig.6 Load-settlement curves of thread pile under different S/D

2.2 螺纹宽度B的影响

螺纹宽度B会影响螺纹与土的机械咬合作用，进而影响螺纹桩竖向承载能力。为分析螺纹宽度B的影响，在基准螺纹桩的基础上，保持其余参数不变，依次将螺纹宽度B设置成36.5，61.5，86.5，111.5，136.5 mm，并进行数值计算，得到了不同螺纹宽度下螺纹桩的荷载—沉降曲线，其结果如图7所示。由图7可知：随着螺纹宽度B的增加，螺纹桩极限承载力相应增大，但增加幅度不大。5组不同螺纹宽度下的螺纹桩极限承载力依次为3 310，3 387，3 460，3 531，3 692 kN，螺纹桩极限承载力与螺纹宽度B呈现线性正相关关系。螺纹宽度越大，极限承载力越大。因此在实际工程中，可根据需要选择合适的螺纹宽度。

图7 不同B下螺纹桩荷载—沉降曲线Fig.7 Load-settlement curves of thread pile under different B

2.3 螺纹内外厚度比(Hout/Hin)的影响

螺纹内外厚度比Hout/Hin也是螺纹桩桩身设计的一个重要参数。为分析Hout/Hin对螺纹桩承载性状的影响，在基准螺纹桩的基础上，保持其余参数不变，通过改变螺纹内外厚度，得到不同Hout/Hin下螺纹桩荷载—沉降曲线，其结果如图8所示。在计算时，Hout/Hin依次取为20/120，60/160，60/120，60/80及100/120。由图8可知：不同Hout/Hin下螺纹桩荷载—沉降曲线几乎重合，螺纹桩极限承载力几乎保持不变，说明Hout/Hin对螺纹桩极限承载力影响不大。这有可能是因为在S/D与B不变的情况下，Hout/Hin的变化基本上不影响螺纹与土的机械咬合作用，螺纹间土体体积变化量也很小。

图8 不同Hout/Hin下螺纹桩荷载—沉降曲线Fig.8 Load-settlement curves of thread pile under different Hout/Hin

2.4 桩周土体性质的影响

螺纹桩承载能力的发挥，不仅与螺纹桩桩身参数设计紧密相关，同时与桩周土体性质有关。下面分别分析土体弹性模量、内摩擦角以及黏聚力这3个参数对螺纹桩承载能力的影响。地基土通常呈现出层状结构，为便于分析，可采用各层土体以厚度加权的弹性模量作为弹性模量特征值[21]，即

(2)

式中：Ei为第i层土体弹性模量；li为第i层土体厚度。

类似地，内摩擦角及黏聚力采用加权平均法计算得到其特征值。对表2中土层的弹性模量、黏聚力和内摩擦角进行加权平均，得到土体弹性模量特征值为32 MPa、内摩擦角特征值为13°以及黏聚力特征值为25 kPa。在分析桩周土体参数对螺纹桩承载力的影响时，保持其余土层参数不变，依次分别取弹性模量为16，24，32，40 MPa；黏聚力分别取为15，20，25，30 kPa和内摩擦角为3°，8°，13°，18°，桩端土体参数采用表1中第3层土参数，螺纹桩几何参数与基准螺纹桩相同。图9给出了不同桩周土体参数下螺纹桩Q—S曲线，从图9可看出：桩周土弹性模量的变化对螺纹桩极限承载力的影响较小，而桩周土黏聚力与内摩擦角对螺纹桩极限承载力影响较大，这主要是因为螺纹桩达到极限承载力时，桩周土发生剪切破坏，而土的剪切强度主要由内摩擦角及黏聚力所决定。因此在工程实践中，针对土质较差的情况，可以考虑在螺纹桩四周换填强度高的土体，从而增大其极限承载力。

图9 不同桩周土体参数下螺纹桩荷载—沉降曲线Fig.9 Load-settlement curves of thread pile under different strengths of soil around pile

2.5 桩端土体性质的影响

类似地，在研究桩端土某一参数对螺纹桩承载力的影响时，保持其余两个土体参数不变，依次分别取桩端土弹性模量为26，34，42，50 MPa，黏聚力分别为20，25，30，35 kPa，内摩擦角分别为5°，10°，15°，20°，计算得到不同参数下的螺纹桩的承载力。计算时，桩周土参数选用2.4节中加权平均得到的土参数特征值，螺纹桩几何参数与基准螺纹桩一致。图10给出了不同桩端土体参数下螺纹桩的Q—S曲线，从图10中可看出：仅桩端土弹性模量和内摩擦角对螺纹桩极限承载力有一定影响，但影响不大，黏聚力对极限承载力的影响几乎可以忽略。螺纹桩是一种典型的摩擦型桩，桩端阻力对极限承载力的贡献十分有限。因此工程应用中，应重点关注桩周土体性质。

图10 不同桩端土体参数下螺纹桩荷载—沉降曲线Fig.10 Load-settlement curves of thread pile under different strengths of pile end soil

3 结 论

螺纹桩外围螺纹的存在改变了桩-土的相互作用。螺纹与桩周土体的机械咬合作用使桩侧阻力得到很大提高，其极限承载力约为与其外径相等的等截面圆桩极限承载力的1.88倍，约为与其内径相等的等截面圆桩极限承载力的2.77倍。螺纹间距对桩体竖向承载力的影响很大。当S/D较小时，螺纹桩极限承载力随S/D的增大而增大；当S/D较大时，螺纹桩极限承载力随S/D的增大而减小，并在S/D为0.5～2.0时取得最大值。随着螺纹宽度B的增加，螺纹桩极限承载力也相应增加，但增幅并不大。考虑到螺纹宽度的增加必然会导致工程造价以及施工难度的增大，实际工程应用时可根据需要选择合适的螺纹宽度。当S/D与B保持不变时，Hout/Hin的变化基本不影响外围螺纹与桩周土体的机械咬合作用，导致螺纹桩极限承载力与Hout/Hin的大小关系不大，实际工程中可根据施工难易程度合理选取Hout/Hin的值。螺纹桩属于典型的摩擦型桩，桩体处于极限承载力状态时，桩周土体会发生剪切破坏。相较于桩端土体而言，桩周土体性质对其竖向承载力的影响更大，因此在工程实践中，应重点关注桩周土体的性质。当土质较差时，可考虑在螺纹桩四周换填强度高的土体或通过夯实桩周土体等措施来增大其竖向承载力。