淤泥質海岸螺旋樁的軸向承載特性研究

趙星婕，王忠岱，吳偉強，謝立全*

（1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804；3.河北建投海上風電有限公司，河北 唐山 063000）

海上風電場的高壓海纜登陸，往往需要經由平原淤泥質海岸。河北省唐山樂亭菩提島海上風電場示范項目工程，位于唐山市京唐港與曹妃甸港之間的渤海海域，場址中心距離岸線約16 km，風機總計75 臺，總裝機容量300 MW，風機外輪廓圍成的調整風電場面積約44.65 km2。風電場區內的電纜管線（35 kV）約92 km，220 kV 海纜登陸點至大清河風電場陸上升壓站，采用了電纜排管敷設方式，長度6.5 km，電力排管布置在新建路堤上，該新建路堤必須跨越海岸水產養殖區的大面積水域。為了控制電纜排管的差異性沉降，采用了螺旋樁，將重力荷載傳遞到更深地基中。

螺旋樁作為樁基的一種新形式，是將一片或多片螺旋狀葉片板焊接在樁體軸上的異形樁，施工時無需提前挖空，通過機械或人工手段在螺旋樁頂部施加扭矩，便可將樁旋入土中。這種螺旋樁結構增加了軸向基底阻力，便于安裝，并可重復使用。國外對于螺旋樁基礎的研究比較早。1833 年，英國建筑工人Alexander Mitchell 采用螺旋樁替代英格蘭附近島嶼上燈塔錨基，抵御波浪作用，提高燈塔基礎耐久性。20 世紀50 年代，美國Chance 公司（A.B.Chance Co.）發明了一種能高效安裝的動力安裝螺旋錨（Power-Installed Screw Anchor），將多層螺旋狀的葉片焊接到一根鋼管上，在樁頂施加扭矩可旋入土中[1]。Chance 公司還在輸電線塔的基礎工程中采用螺旋鋼管樁，并在1959 年制定了第一個有關螺旋鋼管樁的標準——PISA（Power Installed Screw Anchors）。目前已有很多研究對軸徑d 大于150 mm的單螺旋樁進行了大量軸向現場荷載試驗[2-6]。

螺旋樁的承載性能很大程度上取決于樁型參數與地基強度。Chance 公司[7]通過大量現場試驗研究了不同樁型參數對樁的承載力的影響，揭示出對于分層式葉片樁，當螺旋板葉片間距大約為葉片直徑的3 倍時，樁的承載力達到最大。螺旋樁基礎承載特性的研究在我國也引起了大量學者的關注，但多集中于承受抗拔力[8-9]的螺旋樁，大多采用理論計算、數值分析、模型試驗及實際工程觀測等方法進行研究。劉兵科[10]、董天文等[11-13]對螺旋鋼樁進行了較為系統的理論研究和試驗研究，提出了螺旋鋼樁在抗拔和抗壓條件下承載力的計算方法。并通過試驗，改變樁的若干幾何參數，探究其對承載力的影響，但由于試驗試樁數量有限，所以涉及樁的幾何參數不夠全面。

本文依托河北省唐山樂亭菩提島海上風電場示范項目300 MW 工程，針對其220 kV 電纜排管不均勻沉降控制的螺旋樁承載力因素，結合實驗室模型實驗土體深度條件，通過改變螺旋板葉片寬度、葉片個數、葉片間距、埋深，探究極限抗壓承載力的變化規律。

1 有限元模型建立

工程中的電纜排管建設于海岸軟土之上，可按照彈性地基梁法計算其排管基底應力。為了控制排管基底應力及不均勻沉降的發生，在排管沿線間隔布置螺旋樁加固，降低基礎承載應力。每個加固點，均采用排管兩側加設螺旋樁Φ114 mm，按照雙樁承載100 kN 設計。螺旋樁進行了外側樁壁的防銹處理，并在安裝結束后進行混凝土注漿處理，提升樁體承載性能。下面僅對螺旋樁的結構設計參數優化進行數值分析。

根據葉片式螺旋樁抗壓承載機理，樁徑、葉片寬度、葉片個數和葉片間距等對其極限抗壓承載力都有影響（圖1），螺旋樁的結構參數主要包括樁體埋深L、樁體直徑d、螺旋板葉片外徑D、螺旋板葉片螺距s、葉片寬度（D-d）/2。下面應用商業巖土軟件ABAQUS，模擬螺旋樁在不同樁型參數下的荷載—沉降曲線（以下簡稱q-s 曲線），分析極限抗壓承載力，進而優化樁型參數。

圖1 螺旋樁參數示意圖

基于通用有限元軟件ABAQUS 建立樁—土相互作用的計算模型，利用對稱性建立長方體三維模型，總體建模原則是，樁體直徑114 mm，計算土體范圍（即正方形邊長）為樁徑的10 倍，土體深度是樁長的2 倍以上。下面簡述模型建立與計算過程。

（1）模型單元劃分情況

樁和土體采用實體單元C3D10，單元劃分如圖2 所示。

圖2 樁—土裝配模型整體布局圖

（2）材料屬性

土體本構模型采用莫爾—庫侖模型，楊氏模量為50 MPa，泊松比為0.4；通過前期對螺旋樁模型進行多次試算，得到合適的螺旋樁彈性模量為20 GPa，泊松比為0.2。

（3）模型邊界條件

邊界條件除頂面取為自由邊界外，其他面均采取法向約束。樁—土之間的接觸采用粘結材料強度破壞和剛度衰減的粘結接觸模型，接觸面剛度系數為100 kPa·m-1。

（4）計算步驟

模擬螺旋樁靜載試驗的受力過程如下。

①地應力平衡（模擬土體原始狀態）。去掉模型中的樁，僅對土體進行自平衡分析，對樁—土接觸面（側面和底面）施加水平位移約束，再對整個土體施加自重荷載，然后用軟件自帶的Geostatic 進行土體自應力平衡計算，自平衡收斂條件為土體的位移要小于10-5m。自應力平衡后土體位移為10-13m左右。

②樁土接觸計算（模擬成樁后土體對樁的荷載作用）。在模型中加入樁，放開第一步對樁與土的接觸面（樁側和樁底），使樁土接觸，土體的荷載施加到樁上，同時計入樁自重的影響。

③樁頂施加位移荷載（模擬樁試驗加載下沉狀態），直至樁頂向下0.05 m 位移。

2 螺旋樁的受力特性分析

通過數值模擬，數據分析可得螺旋單樁的承受q-s 曲線。為研究各種樁型的幾何參數對螺旋樁極限承載力的影響，根據q-s 曲線確定樁的極限承載力就顯得尤為重要?，F行樁基規范和基樁檢測規范對于靜載試樁承載力的確定有明確規定，參考相關文獻，歸納起來主要有第二拐點法、切線交會法、沉降速率法、s-lgq 曲線法[14]。本次模擬得到q-s 曲線均為陡降型q-s 曲線[15]，可以采用第二拐點法判斷最大承載力。下面分別改變葉片寬度、葉片個數、葉片間距，探究其對螺旋樁極限抗壓承載力的影響。

2.1 不同葉片寬度的螺旋樁樁頂q-s 曲線

選取單葉片樁，樁體埋深0.7 m（以下計算工況均采用此埋深條件），樁徑取114 mm，螺距取100 mm，螺旋板葉片寬度分別取70 mm、90 mm、105 mm、115 mm、125 mm、135 mm 進行對比，葉片距離樁底114 mm，計算得到的承受荷載—沉降曲線如圖3 所示。

圖3 不同螺旋葉片寬度條件下的螺旋樁承受荷載—沉降曲線

根據第二拐點法，可以得出葉片寬度從小到大分別對應的最大承載力分別為30 kN、40 kN、45 kN、50 kN、60 kN、65 kN、70 kN。同時，達到限制的-0.05 m 位移加載時，葉片寬度從小到大所對應的破壞荷載也是越來越大?？梢钥闯?，在葉片個數和樁徑不變的條件下，隨著葉片寬度增大，螺旋樁的抗壓承載力提高，但當葉片寬度超過115 mm 時，承載力提升效果不明顯。

但值得注意的是，如果葉片寬度過大，葉片與周圍土體的接觸面積會隨之增大，安裝時需要的扭矩也較大，提高了安裝成本；且葉片與樁身連接處的彎矩過大，加載時焊接處容易脫開，導致螺旋樁在達到極限承載力之前，樁身連接處破壞，葉片失效。所以，在樁型選擇時，應注意結合現場實際，選取合適的葉片寬度。

2.2 不同葉片個數的螺旋樁樁頂q-s 曲線

選取樁徑114 mm，螺旋板葉片寬度90 mm，螺距100 mm 的單、雙葉片螺旋樁，其中雙葉片間距為125 mm，下部葉片都距離樁底114 mm，雙葉片螺旋樁模型如圖4 所示。

圖4 雙葉片螺旋樁模型

計算得到承受荷載—沉降對比曲線如圖5 所示。單葉片螺旋樁承載力為30 kN，雙葉片螺旋樁承載力為90 kN，承載力明顯大大提高，說明增加葉片可增大單樁極限承載力。

圖5 不同葉片個數條件下的螺旋樁承受荷載—沉降曲線

圖6 為最大位移時單葉片螺旋樁和樁周土的豎向位移云圖。可以看出，對于螺旋葉片以上的樁周土體豎向位移遠小于樁體位移，樁體與樁側土體產生了較為明顯的相對滑移，而螺旋葉片以下的樁周土體豎向位移，則是逐漸過渡，樁體—土體接觸面無明顯突變式滑移。從螺旋葉片以下的錐形土體位移模式可見，螺旋樁豎向承載力的很大一部分由螺旋葉片—樁底—土體共同承擔，且優于普通樁（無螺旋葉片）的承載模式。

圖6 單葉片螺旋樁豎向位移云圖

圖7 為最大位移時雙葉片螺旋樁和樁周土的豎向位移云圖。螺旋樁螺旋葉片間土體在螺旋葉片的帶動下向下產生較大的位移，而螺旋葉片外的土體豎向位移明顯小于螺旋葉片間的土體，說明二者產生了較大的相對位移，螺旋葉片間土體和螺旋葉片外土體發生相對位移而產生的抗剪力則提供了螺旋樁樁側承載力。同時，螺旋葉片間部分土體和樁體的豎向位移大致相近，即螺旋葉片帶動葉片間的土體與樁身共同發生位移，表明雙葉片螺旋樁能夠更好地將樁頂荷載傳遞至樁周土體，從而更充分地發揮樁周土體的承載能力。

圖7 雙葉片螺旋樁豎向位移云圖

總的來說，在單盤承載破壞模式下，增加葉片個數可以提高樁的端阻力；在柱狀剪切模式下，增加葉片個數意味著增大葉片之間樁徑，從而提高了樁側摩阻力。無論是哪種模式，增加葉片個數都是可以明顯提高樁的極限抗壓承載力的。

2.3 不同葉片間距的螺旋樁樁頂q-s 曲線

取雙葉片螺旋樁，樁徑為114 mm，螺旋板葉片寬度取90 mm，葉片間距分別取100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm，下部葉片距離樁底114 mm，計算得到的樁基荷載—沉降曲線如圖8 所示。250～300 mm 之間可能存在最大值，隨著葉片間距繼續增大，承載力反而略有降低。這與Chance 公司通過大量現場試驗得到的結論相同，即對于分層式葉片樁，當螺旋板葉片間距大約為葉片寬度的3倍時，樁的承載力達到最大。

圖8 不同葉片間距條件下的螺旋樁承受荷載—沉降曲線

葉片間距可以影響螺旋樁的承載破壞模式，進而影響其極限抗壓承載力。以100 mm、175 mm 的葉片間距為例，樁—土豎向位移云圖如圖9 和圖10所示。葉片間距較小時，螺旋樁呈柱狀剪切破壞模式，葉片間會形成土柱，并且隨著葉片間距的增加，螺旋樁底部土柱的厚度也會隨之增大，從而樁側阻力增加較多，使得樁的承載力增大。

圖9 雙葉片螺旋樁豎向位移云圖（100 mm 葉片間距）

圖10 雙葉片螺旋樁豎向位移云圖（175 mm 葉片間距）

以200 mm、350 mm 的葉片間距進行對比，樁—土豎向位移云圖如圖11 和圖12 所示。從圖中可以看出，當葉片間距較大，即葉片間距大于300 mm 時，螺旋樁呈單盤承載破壞模式，葉片單獨受力，葉片中間無法形成土柱，故這部分側阻力不對承載力直接發揮作用，大多忽略不計。因此在此范圍內，隨著葉片間距的增加，端承力不變，但側阻力減小，所以樁的承載力略有下降。

圖11 雙葉片螺旋樁豎向位移云圖（200 mm 葉片間距）

圖12 雙葉片螺旋樁豎向位移云圖（350 mm 葉片間距）

由此可知，當葉片間距較小時，可通過增大葉片間距來提高承載力；同時為了使雙葉片螺旋樁達到較大承載力，在螺旋板寬度為90 mm 的條件下，葉片間距取在250～300 mm 之間較為合適。

2.4 不同樁體埋深的螺旋樁樁頂q-s 曲線

上述模擬工況，樁體埋深較小，隨著埋深增加，其承載性能會發生變化。下面取單葉片螺旋樁，樁徑為114 mm，螺旋板葉片寬度取90 mm，樁體埋深分別取0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1 m，下部葉片距離樁底114 mm，計算得到的樁基荷載—沉降曲線如圖13 所示。

圖13 不同樁體埋深條件下的螺旋樁承受荷載—沉降曲線

從圖13 可以看出樁體埋深對控制樁基的沉降變形能力較為明顯。隨著荷載的增大，樁的沉降均越來越大，其中樁體埋深最淺的樁沉降速率最快，樁體埋深最深的樁沉降速率最慢。另外，不同樁體埋深的樁基，其q-s 曲線的拐點也不一。樁體埋深為0.6 m 時，樁的拐點出現在50 kN 附近，而樁體埋深為1.0 m 時，樁的拐點出現在80 kN 附近。故增加樁體埋深是增大單樁承載力的直接有效手段，這在經濟上也是合理的。

3 數值模擬結果的試驗驗證

為了進一步驗證本文模型及計算結果，進行室內的抗壓承載力試驗，實驗裝置布置如圖14 所示。圓形的土箱選用Q345 鋼板，板厚為3.5 mm，土箱頂面不封閉，內空直徑600 mm，高度700 mm。

圖14 實驗裝置圖

試驗土體為上海軟土，土樣采用負載—反壓法進行制樣并飽和，土體密度1 850 kg/m3。試驗用螺旋鋼樁的尺寸為：樁徑114 mm，葉片寬度90 mm，螺距為130 mm。土的物理特性指標為：比重Gs=2.72，粘聚力c =41 kPa，內摩擦角φ=19.5°。

通過室內試驗和數值模擬結果的對比，可分別得到試驗和模擬的q-s 對比曲線，具體對比結果如圖15 所示。

圖15 荷載—沉降曲線模擬值與實測值對比驗證

從圖15 對比發現，模擬值和實測值符合較好，用切線相交法判定樁的極限抗壓承載力，試驗得到的極限承載力為37 kN 左右，而數模得到的極限承載力為40 kN 左右，相差在3 kN 左右，這說明本模型較為符合實際情況，本文數值模擬方法具有一定的可靠性。比較其差別，可見試驗中的螺旋樁入土深度小于700 mm，土層深度也是有限的，這也使得極限承載力存在差異，而且沉降模式也不盡相同，試驗中的沉降速率更大。

4 結 論

本文基于試驗與數值模擬的對比驗證，并在系列數值模擬基礎上，對較低埋深螺旋樁的承載特性進行了研究，結果可為工程應用提供了技術指導。分析研究結果，可得如下結論。

（1）相同葉片個數、樁徑條件下，隨著葉片寬度的增大，螺旋樁的抗壓承載力增大。但受到實際施工安裝等情況的限制，葉片寬度越來越大時，抗壓承載力難以得到明顯提高。

（2）螺旋葉片的個數從單葉片到雙葉片，螺旋樁極限抗壓承載力明顯增大。

（3）螺旋葉片的布置間距直接影響螺旋樁的承載破壞模式，進而影響其極限抗壓承載力。隨著葉片布置間距的增大，螺旋樁極限抗壓承載力整體呈先增大后減小的趨勢。并且，葉片間距大約為葉片寬度的3 倍時，樁的承載力達到最大。

（4）隨著螺旋樁埋深的增大，樁基極限抗壓承載力也明顯增加。增加樁體埋深是增大單樁承載力的有效手段。

電纜排管加固的工程現場，鑒于施工條件的限制，螺旋樁采用了單葉片螺旋鋼樁Φ114 mm。埋深越大則安裝扭矩要求也越大，土體強度越高則安裝埋深就越小，總體上看，埋深在15 倍樁徑以上，承載力滿足設計要求。承載力影響因素及其規律也是非常復雜，本文僅限于一種土質條件，并基于實驗室結果進行驗證，尚缺乏工程現場的實測數據驗證，還需進一步研究。