螺杆桩的承载特性研究现状与计算方法分析

2023-01-07马宏伟杨晓丽何青睿

四川建材 2022年5期

袁松，马宏伟，杨晓丽，何青睿

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

0 前言

螺杆桩全称为半螺旋挤孔管内泵压混凝土灌注桩，是一种上部为直杆段、下部为螺纹段的新型螺纹式异形桩，属于半挤土灌注桩[1]。螺杆桩具有污染小、造价低、桩身质量可靠、施工效率高、单桩承载力高等优点。桩体螺纹段改变了桩土之间相互作用的形式，使其承载性能优于同类型其他桩型，因此，在基础工程领域得到广泛应用。本文对近年来国内外学者开展的螺杆桩承载特性研究工作进行了总结分析，并基于单桩极限承载力计算方法探讨了现有计算方法存在的问题。

1 螺杆桩竖向承载特性的研究现状分析

螺杆桩的特殊构造形式主要用于提高其竖向承载力，因此，大量的研究工作集中于竖向承载特性的研究。整体来看，具体研究工作主要从理论分析、模型试验、现场静载试验和数值模拟等四个方面展开。

1.1 螺杆桩承载特性的理论分析

在螺杆桩的承载特性理论分析方面，彭奎森等[2]利用双线性荷载传递函数法初步解释了螺杆桩的荷载传递机理，得出不同桩侧、桩端土形态下的单桩P-s(荷载-沉降)显式解，理论计算得到的桩基P-s曲线与ANSYS有限元数值模拟结果基本一致，证明了荷载传递法在螺杆单桩极限承载力计算中的可行性。王成武等[3]采用Richards模型对螺杆桩现场实测的P-s曲线进行拟合，并与双曲线模型和指数曲线模型的拟合结果进行了对比分析，结果表明Richards模型拟合精度高于其他两种模型，但前者对极限承载力的预测偏于保守。刘剑雄等[4]采用双曲线法拟合出与实际试验数据较吻合的曲线，所得螺杆桩极限承载力偏差较小，与文献[3]所得结果基本一致。以上研究表明，采用预测函数进行螺杆桩承载特性的分析是可行的，但计算结果较实测结果存在一定偏差，预测函数的准确性受参数取值的影响很大。

1.2 螺杆桩的模型试验研究

目前，螺杆桩室内模型试验研究大多为宏观力学响应的研究，表现为桩周土体宏观强度、变形和破坏模式。针对螺杆桩的模型试验研究，胡金山[5]采用室内模型试验，对比分析了粉土场地中螺杆桩复合地基和CFG桩复合地基的承载特性。冯浙[6]采用基于应变测试技术和数字图像软件技术的室内模型试验，对竖向荷载下螺杆桩的承载机理和桩周土体位移规律展开研究。王曙光等[7]对螺杆桩进行了室内模型试验，探讨了螺杆灌注桩和等外径的直杆灌注桩抗压承载机理的差异，并通过现场试验验证，结果表明，螺杆桩侧摩阻力显著提高是其承载力远远高于直杆桩的根本原因。在揭示全螺纹桩承载机理的模型试验研究中，汪鹏等[8]所得结论与螺杆桩(半螺纹桩)试验结果基本一致。显然，模型试验在揭示螺杆桩承载机理方面具有显著的优势，但与实际工程桩相比，模型桩尺寸效应引起的测试误差是客观存在的，采用模型试验结果进行工程桩的承载力预测存在一定的问题。

1.3 螺杆桩的现场静载荷试验研究

在螺杆桩的现场静荷载试验研究方面，方崇等[9]通过螺杆桩竖向抗压静载荷试验，初步探讨了螺杆桩的竖向荷载传递机理和破坏特征，指出螺杆桩设计的关键是螺距，经过多次试验，认为最优螺距应取1.0～1.5倍螺杆桩外径。此后，徐佩洪等[10]利用现场螺杆桩静载荷试验，重点分析了螺杆桩荷载传递机理，并提出螺杆桩极限承载力的判定方法。结合螺杆桩在湿陷性黄土地区的应用，高建中等[11]分析了螺杆桩在湿陷性黄土中的桩土挤密效应，并通过静载荷试验结果得出螺杆桩在湿陷性黄土地区亦可提供较高承载力，具有良好的应用前景。对于挤密效果的研究，黄雪峰等[12]认为螺杆桩消除湿陷性作用效果明显。现场试验真实反映了工程桩在场地中的承载特性，但试验结果不可避免地受到场地中土层分布的离散性和施工偏差的影响，将试验结果直接用于其他工程桩的承载力预测存在很大的不确定性。

1.4 螺杆桩的数值模拟分析

在试验研究的基础上，有学者采用有限元数值分析方法进行了螺杆桩承载性能的数值模拟研究。周闪[13]利用有限元软件ABAQUS对螺杆桩进行了数值模拟，并与现场静载荷试验数据进行对比分析，验证了有限元模型的可靠性。陈亚东等[14]基于离散元法的二维颗粒流数值模拟技术，分析了螺距、螺纹段长度及桩径等几何参数对螺杆桩承载力和沉降变形的影响，加深了对螺杆桩荷载传递机理的认识。张璐[15]根据数值模拟结果，对比分析了螺杆桩和灌注桩在桩身轴力及桩顶沉降方面的差异性，证明了螺杆桩在承载力提高和沉降控制方面的优越性。Zhao[16]对螺杆桩复合地基的承载特性做了进一步分析，得出高速铁路螺杆桩桩基的螺杆段部分摩阻力发挥度较高；同时也分析了螺杆桩复合路基的沉降控制能力影响因素：螺杆段长度、螺牙宽度、桩间距，其中桩间距对其影响较大，且合理桩间距为4倍桩体外径。显然，数值模拟方法能够较好地反映加载过程中桩与地基土的应力场和位移场分布规律，对揭示螺杆桩承载特性是十分有利的，特别是建模计算具有很好的便利性，但采用数值模拟方法进行实际工程桩承载特性预测的准确性仍然受到材料本构关系选择、关键参数取值的影响。

整体来看，螺杆桩的承载特性研究方法多样，但每种方面均存在一定的优势和弊端，在实际工程桩承载力预测和承载特性研究中，宜综合运用上述方法进行实施，具体来说，可采用模型试验和数值模拟方法进行桩体承载特性的一般规律和关键影响因素分析，在此基础上，建立螺杆桩承载力计算的理论分析模型，并以实际工程桩的现场加载试验结果对理论分析模型中的关键参数进行修正，由此得到可用于一般工程桩承载力预测的计算方法，为螺杆桩在不同场地中的应用提供参考。

2 螺杆桩竖向承载力的计算方法对比分析

螺杆桩的承载能力不仅与桩体混凝土强度有关，而且与桩周土体的性质有很大关系。既有研究表明，螺杆灌注桩的承载机理与直杆桩有较大的差异，螺杆灌注桩侧摩阻力表现为桩周土体对螺纹的剪切及螺纹间土体抗剪强度，而直杆灌注桩的侧摩阻力表现为桩周土体和桩体本身的摩擦力，两者存在本质区别。现有的螺杆桩极限承载力计算方法包括基于土体抗剪强度的计算方法和现行规范计算法两种。

2.1 基于土体抗剪强度的计算方法

同望民等[17]建立了基于土体抗剪强度的螺杆桩竖向承载力标准值计算公式为：

Quk=u[∑qsikli+∑(cj+σjtanφj)lj]+qpkAp

(1)

式中，Quk为单桩竖向承载力标准值；u为螺杆桩外周长；qsik为直杆段桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；li为直杆段第i层土的厚度；cj为第j层土的黏聚力；σj为第j层土的抗剪强度对应的法向应力；φj为第j层土的内摩擦角；lj为螺纹段第j层土的厚度；qpk为极限端阻力标准值；Ap为按螺杆桩外径计算的桩端面积。

基于土体抗剪强度的计算方法本质上是假定桩周土破坏面为沿螺纹外缘形成的圆柱面，极限侧阻则由圆柱形破坏面的剪切强度决定，圆柱面剪切强度被视为由螺纹外表面与土体的剪切强度和螺纹间土体剪切强度两部分组成，两组剪切面的大小体现了螺纹间距及其外缘高度对桩体承载力的影响，因此，该方法具有一定的先进性，但由于假定的桩周土破坏面与实际工程桩存在较大出入，计算结果明显小于桩的实际承载力，且桩土界面摩擦角的取值对计算结果的影响很大，使得计算结果的可信度不高。

2.2 现行规范计算方法

现行《螺纹桩技术规程》[18](JGJ/T 379—2016)规定的螺杆桩竖向承载力标准值计算公式为：

Quk=u(∑qsikli+∑βqsjklj)+qpkAp

(2)

式中，qsjk为螺纹段桩侧第j层土的极限侧阻力标准值；β为螺纹段桩侧摩阻力增强系数；其余符号的物理意义与公式(1)中的一致。

现行规范计算方法虽然也将桩周土破坏面假定为沿螺纹外缘形成的圆柱面，但在侧阻力取值时考虑了圆柱面假定带来的偏差，采用引入侧阻增强系数的方法对侧阻力标准值进行了修正，因此，计算结果较基于土体抗剪强度的计算方法更准确。不过在该方法中，侧阻增强系数采用1.3～1.6的取值范围是值得商榷的，大量研究工作表明侧阻增强系数的大小与螺纹间距存在显著的相关性，最优螺距下的侧阻增强系数最高可达2.0以上，规范经验法显然没有考虑到这一影响，计算结果仍然偏于保守。

综合来看，现有螺杆桩竖向承载力计算方法中对桩-土相互作用方式的处理与大量研究结果存在显著差异，这也是引起计算方法准确性差的关键原因，在建立螺杆桩侧阻增强系数与螺纹间距相互关系表达式的基础上，采用规范经验方法进行桩基极限承载力计算不失为解决问题的有效途径。