螺距对螺纹桩竖向承载力影响的模型试验研究

马宏伟 刘力 汪鹏

摘 要：采用模型试验方法进行了螺距对螺纹桩竖向承载力的影响研究，结合试验结果进行了螺纹桩荷载沉降关系、承载力的构成、侧阻力分布特征、极限侧阻力以及最优螺距的分析。研究表明，螺纹桩是一种典型的端承摩擦桩，与相同外径的直孔桩相比，其具有更高的承载性能和沉降控制能力;螺纹桩的桩侧阻力随着外荷载的增加而增大，并沿桩身由上而下逐渐达到侧阻极限状态，当全长范围内均达到侧阻极限状态时，螺纹桩由于沉降迅速增大而达到承载极限状态，其极限承载能力主要由极限侧阻力决定;螺纹桩的极限侧阻力随着螺距的增大先线性增大后线性减小，当螺距内径比介于1.20～2.03之间时，侧阻增强系数可达1.9以上，最优距径比为1.36。

关键词：基础工程;螺纹桩;竖向极限承载力;侧阻增强效应

Abstract：The influence of screw pitch on the vertical bearing capacity of screw piles was studied by using a model test method. Moreover， the load-settlement curves， the bearing capacity composition， the shaft resistance characteristics， the ultimate shaft resistance and the optimal screw pitch were analyzed based on the test results. The studies show that the screw pile， as a typical end-bearing friction pile， has higher bearing capacity and settlement control ability than the ordinary pile with the same outer diameter. The shaft resistance of the screw pile increases with the increase of vertical load， and its limit state gradually presents from pile-top to pile-tip along the pile. After the pile-tip presents the ultimate shaft resistance state， the screw pile reaches the ultimate bearing state due to the rapid increase of settlement， and the ultimate shaft resistance mainly determines its ultimate vertical bearing capacity. Moreover， when the screw pitch is less than the optimal value， the ultimate shaft resistance of the screw pile increases linearly with the increase of the screw pitch size， otherwise it decreases linearly. The optimum screw pitch is 1.36 times of the inner diameter of screw pile when the ratio of screw pitch to the inner diameter is between 1.20 and 2.03 with the amplification coefficient of haft resistance exceeding 1.9.

Key words：foundation engineering; screw pile; ultimate vertical bearing capacity; amplification effect of shaft resistance

螺紋桩是一种典型的异型灌注桩基础[1]，具有工艺简单、造价低、单桩承载力高的优点，被广泛应用于实际工程之中[2]。但由于螺纹桩外形复杂，其桩-土相互作用机理仍不明确。

目前，国内外学者针对螺纹桩的承载特性问题已开展了一定的研究工作。文献[3]认为传统的螺纹桩受力分析中将螺纹结构视为环形板的简化方式是不恰当的，其在考虑螺纹的几何复杂性的基础上，采用有限单元法研究了螺纹桩在竖向压力、拉力和水平力作用下的承载特性，并开展了螺纹桩几何特征的参数化分析。为揭示螺纹桩土接触面微观破坏机制，文献[4]开展了注浆成型螺纹桩的平面离散元分析，重点研究了螺纹数量对桩-土接触面切应力-位移关系的影响。此外，文献[5-6]研究者亦进行了螺纹桩几何特性对其承载力影响的数值模拟研究，得出螺纹桩的最佳螺距外径比在0.5～2之间，且螺纹桩极限承载力随螺纹宽度的增加而增大。

在试验研究方面，文献[7]通过变截面螺纹桩的室内小比尺模型试验研究，认为螺纹桩的桩侧阻力是由螺纹与土体的机械咬合力形成的土体剪切力决定，桩侧极限阻力随桩侧土的抗剪强度的增大而增大，当达到极限荷载时，桩周土会形成竖向剪切带;同时，相同地层条件下，变截面螺纹桩的材料利用率约为普通直孔桩的3倍，桩的螺纹宽度、厚度、间距及桩身截面变化率是影响竖向荷载作用下桩基承载力的关键。文献[8-9]进行了螺纹全长布置和局部布置情况下螺纹桩的承载力室内模型试验研究。此外，文献[10-11]先后完成了螺纹桩加固铁路正线路基和车站段路基的现场试验研究，分析了螺纹桩复合地基中的桩土应力分布关系。在螺纹桩承载机理研究方面，文献[12]运用数字照相量测技术开展的模型试验模拟了螺纹桩与直孔桩受荷时的桩周土位移变化特性，研究认为在极限承载状态下，螺纹桩的桩周土会形成连续拱形的破坏面，而直孔桩则形成为竖向圆柱形破坏面，但螺距引起螺纹桩承载力产生变化的原因并未被揭示。

本文为了进一步分析螺距对螺纹桩承载力的影响，进行了7根不同螺距的螺纹桩室内模型试验研究，结合试验结果进行了螺纹桩荷载沉降关系、承载力的构成、侧阻力分布特征、极限侧阻力以及最优螺距的分析。

1 试验方案

1.1 模型桩

试验用模型桩采用6031实心铝棒铣削而成，材料弹性模量为69GPa、泊松比为0.33。根据研究目的，共制成试验桩8根，如图1所示。试验桩包括不同螺距S的螺纹桩7根，用于对比试验的30mm直径的直孔桩1根，所有试验桩总长度均为L=500mm，有效桩长（实际入土桩长）H=450mm，上部50mm直孔外露段用于固定沉降测量装置。螺纹桩内径d=20mm，外径D=30mm，螺纹厚度t=5mm，螺纹高度b=5mm，其几何构造如图2所示。

为分析螺距对螺纹桩承载力的影响，7根螺纹桩LW-1～LW-7的距径比（即螺纹桩螺距S与内径d之比）依次为1.00、1.25、 1.50、 1.75、2.00、2.25、2.50，距径比的分布范围覆盖了实际工程桩的距径比范围。

1.2 加载装置

试验用模型箱采用钢板和有机玻璃板制作而成，内部净长度为800mm、宽度为600mm、高度为580mm。经采用基底对数螺旋滑移方程对桩端滑移面的计算，模型箱尺寸满足边界效应控制要求。为消除加载梁自重引起的初始加载误差，试验采用自平衡式杠杆加载梁进行加载，该加载装置的可靠性在挤扩支盘桩模型试验中已得到验证[13]。

试验过程中采用2组对称安装的百分表进行桩顶沉降量的测量;桩身轴力则采用粘贴于桩身的电阻应变片测量，应变片位于各试验桩埋深70mm、160mm、250mm和340mm处以及桩端位置;试验中使用DH-3820型高速静态应变数据采集仪采集应变数据。加载装置如图3所示。

1.3 地基土与桩的埋设

为使试验研究具有可重复性，试验采用经晾晒后的天然含黏粒中砂作为地基土。

為了控制地基土的均匀性，模型箱中的地基土分6层依次填入，每层填入80kg，并在填砂整平后用振动抹平机振实。经土工实验测定，振实后的地基土重度为γ=16.8kN/m3，含水量w=0.92%，相对密度Dr=0.65。

1.4 加载方案

经过试加载得到0.15kN的荷载分级可以满足试验对加载级数的需要。采用标准砝码进行逐级加载，每级加载后间隔5min读取一次桩顶沉降，当相邻两次的读数差值不大于0.01mm时认为达到稳定状态，即可进行下一级加载，直至加载至极限承载状态。

极限承载状态以达到以下两条判别条件之一为准：①本级加载后，桩顶沉降在3h后仍未达到稳定状态;②本级荷载下虽达到稳定状态，但本级荷载下的桩顶沉降增量超过上一级荷载下沉降增量的2倍。若试验中模型桩达到极限承载状态，取上一级荷载为桩的极限承载力。

2 试验结果分析

（1）螺纹桩的P-s曲线分析

试验得到的直孔桩和4根螺纹桩的P-s（荷载-沉降）曲线如图4所示。

根据图4可知，加载试验得到直孔桩的极限承载力为1.05kN，而螺纹桩则达到1.65kN，后者是前者的1.57倍。在加载末期，不同螺距的螺纹桩P-s曲线出现显著偏离，表明螺距对螺纹桩的极限承载力存在影响，其中距径比为1.5的LW-3试验桩承载力最强。但受到定量荷载分级的限制，通过分级加载试验很难得到的各螺纹桩的极限承载力精确值。

从控制沉降角度来看，当外荷载为1.05kN时直孔桩的沉降量达到5.72mm，而4根螺纹桩的平均沉降量仅有1.51mm，是直孔桩的26.4%;同时，直孔桩的P-s曲线整体位于螺纹桩P-s曲线下方，由此表明螺纹桩比直孔桩具有更好的沉降控制能力。

与相同外径的直孔桩相比，螺纹桩使用了较少的工程材料，但却具有更高的承载性能和沉降控制能力。

2.2 螺纹桩的承载力构成分析

试验得到LW-3试验桩的外荷载与阻力占比之间关系曲线如图5所示。

由图5可知，未达到极限承载状态时，LW-3试验桩的侧阻力与端阻力占比几乎不随外荷载的变化而变化，侧阻力和端阻力分别贡献83%和17%的承载力，螺纹桩表现出明显的端承摩擦桩特征。达到极限承载状态之后，桩侧土发生剪切滑移，已无法提供更高的侧阻力，所有的外荷载增加量全部由桩端土承担。

2.3 螺纹桩侧阻力分布特征分析

试验得到的LW-3试验桩轴力图如图6所示。在图6中，相邻测点间轴力图的斜率反映出该段桩体受到的侧阻力大小，斜率越大则侧阻越大，反之侧阻越小;桩底轴力则反映出地基土产生的桩端阻力。

由图6可知，在加载初期，轴力图近似直线状态，侧阻力沿桩长接近均匀分布;当荷载超过0.45kN之后，轴力图开始变为折线形，且斜率随荷载的增加不断变化，此时侧阻力不再处于均布状态。具体来说，当外荷载达到1.20kN时，Ⅰ段桩体的轴力图与外荷载为1.05kN时的轴力图平行，表明荷载增加后该段桩体受到的侧阻力没有明显增加，可以认为Ⅰ段桩体在外荷载达到1.05kN之后已达到侧阻力极限状态，即地基土已不能对桩体提供更高的侧阻力;同样地，Ⅱ段和Ⅲ段桩体分别在荷载达到1.35kN和1.50kN时达到侧阻力极限状态，而Ⅳ段和Ⅴ段桩体均在荷载为1.65kN时达到侧阻力极限状态。此后，外荷载增加至1.80kN，桩端阻力和桩体沉降迅速增大，试验桩进入超载失效状态。

由此，在外荷载增加过程中，桩侧阻力逐渐增大，并由上而下逐渐达到侧阻极限状态。

2.4 螺纹桩极限侧阻力分析

根据前述分析，螺距对螺纹桩的极限承载力存在影响，而螺纹桩的承载能力主要由侧阻力决定，因此研究螺距对极限侧阻的影响是必要的。

s-logP曲线法[14]是进行桩基承载力分析的典型方法，在s-logP曲线上，延长曲线末端直线段并与坐标横轴相交，交点的横坐标值即为桩的侧阻极限值。8根试验桩的s-logP曲线如图7所示。

由s-logP曲线法确定的试验桩极限侧阻如表1所示。根据试验桩的极限承载力与极限侧阻值之差即为极限状态下的端阻。在极限状态下，直孔桩的端阻为0.323kN，螺纹桩的端阻则介于0.194～0.349kN之间。不同试验桩的端阻之间存在差异，产生差异的一个原因是极限状态下各桩沉降量不一致，而端阻与沉降量存在双曲线函数关系[15];另一个原因是分级加载试验中获得的极限承载力存在误差。由于直孔桩与螺纹桩在极限状态下端阻相差较小，而极限承载力相差较大，因此两种桩的承载力差异主要由极限侧阻引起。

由图7可知，螺纹试验桩的极限侧阻力为直孔桩的1.79～2.00倍，且极限侧阻力随着螺距的增大先增大后减小，距径比为1.50的LW-3桩的侧阻增强系数最大，这与试验桩的P-s曲线分析结果一致。受试验桩数量的限制，使得侧阻增强系数达到极值的最优距径比尚不能确定。

2.5 螺纹桩的最优螺距分析

根据表1绘制试验桩的侧阻增强系数与距径比的关系如图8所示，根据试验值的分布规律进行线性拟合，得到擬合值曲线（见图8）。

当距径比小于临界值1.36时，拟合得到的侧阻增强系数β与距径比S/d之间的关系为β=0.75S/d+1.00（1）

当距径比大于1.36时，β与S/d之间的关系则为β=-0.18S/d+2.28（2）

在上述线性拟合中，公式（1）和公式（2）的可决系数R2分别为0.995 2和0.990 4，说明拟合直线对试验值的拟合程度很好，拟合结果可信度高。

显然，距径比的临界值1.36即为试验桩的最优距径比，此时，侧阻增强系数达到最大值2.02。当距径比小于最优距径比时，螺纹桩的侧阻增强系数随距径比的增大而线性增大;距径比超过最优距径比时，侧阻增强系数则随距径比的增大而线性减小。

根据图8，当距径比在1.20～2.03之间时，侧阻增强系数可达1.9以上，因此，实际工程桩的螺距内径比宜在上述区间内取值，螺纹引起的侧阻增强效果十分显著。

5 结论

通过模型试验方法进行了螺纹桩竖向承载性能研究，并得到以下结论：

（1）螺纹桩是一种典型的端承摩擦桩，与相同外径的直孔桩相比，其在天然含黏粒细砂地基土中具有更高的承载性能和沉降控制能力;

（2）螺纹桩的桩侧阻力随着外荷载的增加而增大，并沿桩身由上而下逐渐达到侧阻极限状态，当全长范围内均达到侧阻极限状态时，螺纹桩由于沉降迅速增大而达到承载极限状态，其极限承载能力主要由极限侧阻力决定;

（3）在螺纹厚度和高度不变的条件下，螺纹桩的极限侧阻力随着螺距的增大先增大后减小，当螺距内径比介于1.20～2.03之间时，侧阻增强系数可达1.9以上，最优距径比为1.36。

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（责任编辑：丁 寒）