螺纹桩竖向承载力及其影响因素研究

2020-03-19窦德功

港工技术 2020年1期

窦德功，高倩

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

螺纹桩（如图 1）亦称螺旋桩或螺杆桩，是一种成桩后整个桩身或部分桩身（泥面以下部分）带有螺纹的新桩型[1]。它跟直线型桩相比，具有比较明显的优势。由于桩身螺纹的存在，桩土之间的作用机理发生改变，使得单桩承载力得以提升。当螺纹桩外径与普通直桩桩径相同时，单桩承载力得以提升，而且螺纹桩螺纹间用土体填充，节省了混凝土的用量。施工噪音低、污染小、环境友好并且应用范围广，适用于多种土层。

螺牙宽度与内外径之间的关系：

式中：k为螺牙宽度；D为外径；d为内径。

图1 螺纹桩示意

国内外对于螺纹桩的研究存在一个共同的问题：研究较少且理论研究落后于工程实践，研究成果不足以支撑螺纹桩的设计和工程应用。窦德功，鲁子爱对螺纹桩承载性状进行了分析与研究[2]，分析了螺纹桩的竖向承载机理和承载力计算方法，但未对极限承载力计算公式进行验证，也未进行承载力影响因素分析；武汉大学的吴敏、李波扬做了螺纹桩竖向承载力初探，他们认为螺纹桩改变了桩土间的相互作用方式，其桩侧阻力主要为螺牙与土体间的机械咬合力，当施加荷载达到极限时，螺纹桩沿螺牙外径所在的圆柱面发生剪切滑移，并以饱和粘性土为例给出了螺纹桩竖向极限承载力计算公式[1]（式1）。

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值；Qsk为单桩极限侧阻力总和；Qpk为单桩极限端阻力；u为桩身周长，计算时取u=πD，D为螺纹桩外径；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；li为桩身穿越第i层土的长度；qpk为极限端阻力标准值；Ap为桩端面积；α为粘着力系数。

哈尔滨工业大学徐春华等进行了混凝土灌注螺纹桩设计参数的应用研究，他们采用静载试验及数值计算相结合的方法，分析混凝土灌注螺纹桩桩周土体应力分布情况、螺齿宽度、螺距等桩型参数对螺纹桩承载性能的影响，得出对螺纹桩承载性能的影响规律[3]，但分析的影响因素不够全面。

1 极限承载力计算方法

1.1 竖向承载机理

螺纹桩作为一种新型桩基础，其特殊的结构型式，改变了桩身与土体间相互作用的方式，增加了螺纹与土体的机械咬合作用力，从而提高了桩基础的承载能力。因为土的抗剪强度要小于桩身混凝土的强度，当荷载达到极限时，桩身保持完好无损，其破坏特征是螺纹外的土体剪切强度耗尽和桩端土体受压屈服，整个桩身有较大下沉的趋势。

桩顶初加荷载时，桩顶某段桩体在荷载作用下产生向下微小位移，本段桩周和螺纹间土体应变较小，处于弹性阶段，故称为弹性段。弹性段桩身所受阻力由侧摩阻力和机械咬合力共同承担。当荷载增大时，弹性段桩体继续产生向下位移，本段桩周土体应变增大，进入弹塑性阶段，称为弹塑性段，该段桩侧摩阻力和机械咬合力增大，其中机械咬合力增长幅度较大。随着荷载继续增大，弹塑性段桩周土体应变进一步增大，进而达到屈服状态，称为极限段。本段桩周土体发生剪切破坏，桩体协同螺纹内部土体一起向下滑移，螺纹内部土体与桩周土体脱离，机械咬合力消失，桩侧阻力仅由侧摩阻力提供。在荷载传递过程中，桩体中轴力沿桩体向下不断减小，极限段以下根据不同桩长依次可能出现弹塑性段、弹性段、无轴力段。当荷载继续增大，极限段延长，弹塑性段、弹性段、无轴力段下移并逐渐消失，桩端阻力逐步增大，桩端土体受压应变不断增长。当桩端土体受压屈服时，整个桩体都为极限段，此时桩体的承载能力即为螺纹桩的单桩极限承载力。桩身的受力示意见图2。

图2 螺纹桩的受力示意

1.2 极限承载力计算公式

根据对螺纹桩承载机理分析可知：当螺纹桩承载力达到极限时，桩体协同螺纹内部土体一起向下滑移，螺纹内部土体与桩周土体脱离，机械咬合力消失，桩侧阻力仅由侧摩阻力提供，侧摩阻力应包括螺牙与外侧土体间摩阻力和螺牙间土体与外侧土体间的摩阻力。结合桩端阻力即可得到螺纹桩竖向极限承载力计算公式，如下：

式中：Quk为螺纹桩单桩竖向极限承载力；Qlk为螺纹桩整个桩身桩侧极限总阻力；Qpk为桩端极限总阻力；U为螺牙间土体周长，U=πD；τfi为桩侧第i层土的滑动摩擦强度；l i1为桩身螺牙间第i层土体厚度；τBi为第i层的桩土极限摩阻力；li2为极限段桩身螺牙穿越第i层土的厚度；σbp为桩端阻力为；Ap为桩端截面积。

1.3 公式验算

为验证螺纹桩单桩竖向极限承载力计算公式（式2）的正确性，本文以文献[4]中的现场模型试验结果为依据，对比分析本文公式（2）计算结果与试验结果，确定公式计算的正确性。

为了对比螺纹桩和普通直桩的承载性能以及不同尺寸螺纹桩的承载性能，文献中的试验选用了不同的桩型，具体桩身参数见表1。

表1 试验桩型及桩身参数

计算试验中的1、3、5、6、7号螺纹桩的竖向极限承载力（4号螺纹桩非正常破坏），理论计算结果与试验结果对比如表2。

表2 螺纹桩单桩极限承载力对比

由表2计算结果与试验结果的对比可知：计算结果与试验结果误差在10 %左右，只有7号桩误差超过20 %，误差可以接受，螺纹桩极限承载力计算公式（2）能够较好的对螺纹桩单桩极限承载力进行计算，对螺纹桩设计具有很好的辅助作用。

2 影响因素

螺纹桩竖向极限承载力的影响因素很多，主要分为地基土体参数因素和桩身参数因素。在实际工程设计施工中，土体参数一般为某一固定值，而桩身参数需要设计者自行确定，故对于桩身参数的研究更具有实际意义。

2.1 桩身外径

由螺纹桩竖向承载机理分析知，在极限荷载下，桩身和螺牙间土体沿桩身外径向下滑移，形成以桩身外径为直径的新桩体，所以桩身外径对于螺纹桩极限承载力会产生影响。本文以上述试验土体和5号桩为参考，只改变桩身外径，得到不同桩身外径下的螺纹桩单桩极限承载力，如表3。

表3 不同桩身外径对螺纹桩极限承载力的影响

由表3知：螺纹桩桩身外径对单桩极限承载力影响非常大，且随着桩身外径的增大，极限承载力不断提高。

2.2 桩长

桩长不仅对单桩极限承载力会产生影响，而且会影响单桩的承载性状以及荷载传递规律，例如当单桩为超长桩时，桩端承担的荷载很小或者为零。由于现行螺纹桩成桩工艺的限制，迄今螺纹桩的施工长度只能达到三十多米，本文的极限承载力计算方法仍然适用。下面以上述试验土体和5号桩为参考，分别计算桩长为6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m和18 m的螺纹桩单桩极限承载力，结果如表4。

表4 不同桩长对螺纹桩极限承载力的影响

由表4可知：桩长对螺纹桩极限承载力的影响很大，桩长越长，单桩极限承载力越大，但只适用在一定范围内，当螺纹桩为长桩或超长桩时，极限承载力随桩长增加而提高，但增加幅度较小或为零。

2.3 螺牙厚度

在保证螺牙结构安全的前提下，减小螺牙厚度有利于节省混凝土用量，同时会对螺纹桩单桩极限承载力产生影响。下面仍以上述试验土体和5号桩为参考，只改变螺纹桩的螺牙厚度，分别取0.06 m、0.08 m、0.1 m、0.12 m、0.14 m、0.16 m和0.18 m，计算不同螺牙厚度时螺纹桩单桩极限承载力，结果如表5。