螺旋桩抗拔承载力及影响因素的研究现状分析

杨晓丽，马宏伟，袁 松，何青睿

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

1 概述

螺旋桩是一种表面附有螺旋形叶片的异型桩基础，凸出于桩体表面的螺旋形叶片有效提高了桩的承载力，并对控制桩基沉降产生了积极的作用，已被广泛应用于电力、交通、水利、市政等工程领域[1]。目前针对螺旋桩竖向承载问题的研究工作较多，既有研究均表明相对于直线型桩来说，螺旋桩叶片的存在改变了桩土彼此之间的作用方式，与常规桩基础表现出明显的差异，螺旋桩的叶片直径、间距、数量和埋置深度等因素的改变导致其承载力也随之发生变化，在经济方面比同桩径的直型桩相比削减更多混凝土的使用量。此外，马宏伟等[2]对挤扩桩进行静载试验研究，在直孔桩上增加挤扩盘亦可提高其承载力。由此可见，异型桩的出现对提高地基承载力和沉降控制有显著的效果。

桩基抗拔是现代工程建设中普遍存在的基础工程问题之一，螺旋桩表面附有的螺旋形叶片对提高桩基抗拔承载力十分有利，研究螺旋桩的抗拔承载问题具有显著的工程意义。为此，本文围绕螺旋桩抗拔承载力及其影响因素问题开展研究现状的分析，以期提高人们对该问题的认识。

2 螺旋桩抗拔承载特性的研究

目前，围绕螺旋桩抗拔承载特性的研究工作多采用试验方式展开，主要工作集中于螺旋桩抗拔承载特点和承载机理研究两个方面。

在螺旋桩抗拔承载特点研究方面，Jiang等[3]对淤泥中的螺旋桩进行模型试验，与光滑桩的承载特性进行对比分析。陈城等[4]通过现场试验，采用慢速维持荷载法研究双叶片螺旋钢桩桩长、桩径、叶片面积和叶片间距因素对螺旋桩极限抗压承载力的影响；Demir等[5]对黏土中的螺旋桩同时进行数值模拟和室内模型试验，分析其在不同埋深比情况下抗拔承载特性。研究人员通过模型试验、现场试验和数值模拟的方法对螺旋桩进行了大量的研究，相互验证对比分析，在研究中得出螺旋桩的承载特性，相比较直孔桩来讲虽然受力比较复杂，但极大的提高了承载能力和控制沉降能力。董天文等[6]对螺旋桩进行竖直方向加载，通过改变抗拔螺旋桩叶片距宽比进行实验研究，分析其基础的抗拔承载特性。Mittal等[7]通过室内模型试验对螺旋桩水平方向加载，改变桩的埋置深度分析其水平荷载作用下的受力特性，与普通桩在相同实验条件下的侧向承载力进行了对比分析。张新春等[8]通过施加不同角度(30°,45°,60°)斜向荷载对螺旋桩的抗拔性能分析，得出斜向荷载作用下螺旋桩的水平位移分量始终大于竖直位移分量，在倾斜角为45°左右的时候，桩顶不稳定，抗拔性能差。在实际工程中建筑物承受竖向建筑物自重、水平地震等荷载作用，一般情况下承受斜向荷载，即水平荷载和竖向荷载耦合作用，通过对桩进行不同方向加载分析其承载特性，为实际工程提供参考依据，避免不必要的施工事故。上述研究结果均反映出荷载施加方向、叶片几何参数都会导致螺旋桩基础承载机理发生改变。

在螺旋桩抗拔承载机理方面，Ilamparuthi等[9]对砂土中的螺旋桩进行实验分析其破坏面形状，在密实砂土中，螺旋桩浅埋时损坏面为沿锚片边缘弯曲延伸至地表；深埋时损坏面呈气球状，破坏面不会延伸至地表。王杰等[10]在对螺旋桩进行分析时，提出当螺旋桩叶片深埋时破坏土体首先呈圆柱体,随着荷载增加叶片持续上拔,当到达临界埋置深度时破坏土体又开展成为倒圆锥形；浅埋时损坏面为倒圆锥形。在实验中由于施工技术、土质、桩型几何参数不同，破坏面表现形式参差不齐，主要体现为锥形、倒圆台形、多层锚片圆柱——倒圆台模型、圆柱模型、对数滑裂面模型等，由此可见，螺旋桩抗拔承载力的形成机理与直孔桩存在显著差异，螺旋形叶片的存在改变了桩周土的破坏形式，破坏面的形状与叶片尺寸、埋深、叶片间距等参数相关。

3 螺旋桩抗拔承载力计算方法

国内外学者已建立了螺旋桩抗拔承载力计算的一系列方法，如：前苏联的螺旋桩抗拔承载力计算法、倒圆台法、扭矩系数法、规范法、TSGM等方法，其区别主要体现在桩周土破坏面形式假定上的差异。

《太阳能发电站支架基础技术规范》中破坏面假设为螺旋桩在叶片上方2D范围内的破坏面为以D为直径的圆柱面，2D范围以外的破裂面为以d为直径的圆柱面。

其抗拔极限承载力计算方法：

Quk=∑λiuiqsikli。

其中，λi为抗拔系数；ui为第i层土中桩周计算周长；li为桩周第i层土的厚度,m；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值。

董天文等[11]应用极限平衡理论和Meyerhof深基础承载力理论对软土地基螺旋桩抗拔承载力计算方法进行研究，提出螺旋桩基础竖向抗拔破坏时分析模型，并运用TSGM计算法确定其极限承载力，当叶片距宽比、首层叶片埋深不同时桩基础的破坏模式有所差异。

1)h2>[h]，即首层叶片的埋深大于滑裂体界限埋深。

a.当设计螺距大于控制螺距时(H>[H])，叶片发挥较大的承载力，拉拔力作用下螺旋桩发生深基础塑性滑裂区破坏，当塑性滑裂面连通后，形成弧形滑裂面。螺旋桩的极限承载力计算公式为:

Qu=G+W+f1+∑Pi+∑Fj

(1)

其中，G为桩体拔出时土体自重；W为桩体自重；f1为桩体上拔时与桩侧地基的剪移摩阻力；Pi为第i层叶片滑裂体外表面剪阻力；Fj为叶片与叶片间除滑裂体之外的土柱面的剪阻力。

b.当设计螺距小于控制螺距(H<[H])时，抗拔螺旋桩沿着叶片外边缘发生破坏，破坏面接近柱状。桩的极限承载力计算公式为:

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

(2)

其中，G1为首层叶片拔出时土体的自重；G2为叶片与叶片之间土的自重；f2为桩体上拔时叶片间土柱上移产生的摩阻力；p1为首层叶片以上拔出的倒圆台土体滑裂面阻力。

2)h2<[h]，即首层叶片的埋深小于滑裂体界限埋深。

此时，螺旋桩的极限抗拔承载力计算式为：

Qu=G1+G2+W+f1+f2

(3)

规范中的计算公式是根据土的物理力学指标与承载力参数之间的经验关系估算得出，破坏面的假设也是将叶片简化为水平放置的情况，未考虑到叶片有倾角和桩体几何参数改变，因此在实际工程中规范计算公式所得的值与实际值是相差很大的，但在实际工程中可作简单的估算作为参考依据。而董天文提出的螺旋桩曲线型破坏面，针对埋深和叶片间距不同时破坏面进行了细分，可以看出有明显的差异，相较于规范中提出的规则图形破坏面来讲，董天文提出的计算公式计算结果更精确，有学者也针对董天文的计算公式进行计算跟实验数据对比，实际承载力和计算得出的误差在10%以内，当然这些都是在有限的条件下适用，针对不同的土质，桩型几何参数相对应的计算公式尚未形成统一的规范，仍需进一步研究。

4 影响螺旋桩抗拔承载力的因素

上述研究工作表明叶片埋深、间距、数量、直径等桩型几何参数对螺旋桩的单桩极限承载力有显著影响，为揭示各参数的影响规律，众多学者通过试验方法开展了一定的研究工作。

刘福天等[12]采用回归分析方法研究螺旋桩首层叶片埋深对其抗拔承载力的影响，其他条件相同的情况下，螺旋桩的上拔极限承载力随着其埋深的增加而增大，当埋深达到临界深度时，螺旋桩的上拔极限承载力增加趋势变缓，这是因为随着埋深达到一定深度时，桩侧摩阻力不再随着埋深增加而增加。可以得知叶片埋深增加导致叶片所能承受荷载增大，主要由于地基土的自重应力随深度的增加而增大，从而导致叶片所能承受荷载增大。王杰等[13]对双锚片螺旋锚进行室内试验，主要改变其叶片间距对其极限抗拔承载力的影响，随着叶片间距增大，叶片可以独自发挥作用，其承载力也会有所增大。分析当叶片间距小时，叶片之间互相产生影响，因此双叶片承载力并不是单叶片的两倍。在叶片间距较大，两叶片之间不会产生影响，因此双叶片承载力可以看做是单叶片的两倍。Elkasabgy等[14]通过改变叶片数量对螺旋桩承载特性进行了分析，认为6 m长 的双螺旋桩的极限承载力比相同桩长、直径的单螺旋桩高24%～57%，9 m长的双螺旋桩的极限承载力比相同桩长、直径的单螺旋桩高约27%。当叶片数量增加，叶片与土之间接触面积增加，桩土之间形成一种机械咬合系统，使得桩基础变得更加牢固，使得桩承受更大的力才能形成破坏。张新春等对螺旋桩进行室内模型试验分析桩体几何结构对其承载特性的影响，主要通过改变叶片直径分析其承载特性，当叶片直径增大，叶片与土彼此之间接触面积也增大，螺旋桩在地基中稳固效果更好，随之抗拔性能也有显著提高。但当叶片直径大于4倍桩径后，承载性能增加的趋势有所减弱。从而看出随着叶片直径增大，叶片下受影响土体的范围不断增大，当增大一定程度相邻叶片之间产生影响，不能充分发挥单个叶片承载力，从上述结论可以得知改变桩体几何结构，桩土之间作用机理发生改变，因此为充分发挥叶片承载力，应合理控制桩体几何结构。张天忠[15]、李青松等[16]对螺旋桩进行模型试验和现场试验，分析其几何参数对其承载特性的影响，得到的结果与前人所述大致一致，印证了上述理论分析的合理性。

根据以上研究可知，螺旋桩的叶片几何参数对其抗拔承载特性有显著影响，在实际工程中适当增加叶片的直径、间距、数量和首层叶片埋深可以有效提高其抗拔承载力，但实际工程中无限制地增加叶片尺寸和埋深是不可取的。

5 结语

螺旋桩的抗拔承载力研究具有重要的意义，本文从对螺旋桩进行不同的实验方式、不同方向加载和不同破坏面假设方面分析螺旋桩抗拔承载特性和破坏机理，对极限承载力计算公式进行对比分析，螺旋桩几何参数对螺旋桩承载力影响三方面进行了研究现状的分析，以期引起人们对相关问题的关注。