螺旋樁室內模型試驗設計及結果分析

摘" 要：曲線螺旋樁是一種施工速度快、環(huán)境污染低、成樁質量高的新型抗拔樁，在公路、建筑等各類地基工程中應用廣泛。具有增大樁土間接觸面、提高樁側摩阻力、增強樁身抗拔承載力的作用。為進一步了解螺旋樁的抗拔承載機理，該文采取室內模型試驗方法，對不同螺旋寬度及厚度的曲線螺旋樁展開模擬試驗，分別監(jiān)測不同抗拔荷載作用下各組模型的上拔位移量、樁身軸力、側摩阻力及樁周土壓力變化，進而分析出上拔荷載作用下螺旋寬度、螺旋厚度對樁身承載力發(fā)揮機理所產生的影響，總結出螺旋寬度是抗拔承載機理主要影響因素的結論，旨在為地基工程中曲線螺旋樁的科學應用提供參考。

關鍵詞：螺旋樁；室內模型試驗；抗拔承載力；模擬試驗；荷載

中圖分類號：TU473.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0068-04

Abstract： Curved spiral pile is a new type of anti-pull pile with fast construction speed， low environmental pollution and high pile quality. It is widely used in highway， construction and other foundation projects. It can increase the indirect contact surface of pile and soil， increase the friction of pile side and enhance the uplift bearing capacity of pile. In order to further understand the pull-out bearing mechanism of spiral pile， the indoor model test method is adopted to carry out simulation tests on curved spiral piles with different spiral width and thickness. The uplift displacement， axial force， lateral friction and soil pressure around the pile are monitored respectively under different pull-out loads. Furthermore， the influence of spiral width and spiral thickness on the bearing mechanism of pile under uplift load is analyzed， and the conclusion that spiral width is the main influence factor of uplift bearing mechanism is summarized in order to provide reference for the scientific application of curved spiral pile in foundation engineering.

Keywords： spiral pile; indoor model test; pullout bearing capacity; simulation test; load

曲線螺旋樁屬于新型變截面抗拔樁基礎，是利用樁身與螺旋葉片共同承載抗拔力。由于具有螺旋葉片，因而樁身螺旋會導致樁土之間作用關系發(fā)生改變，會增大二者間的作用力，進而使側摩阻力充分發(fā)揮作用，可以減少樁長縮小直徑，節(jié)約樁基礎構建成本，并能應用于具有難開挖復雜土層的地基工程，且對環(huán)境所產生的不良影響較少[1]。曲線螺旋樁豎向抗拔荷載作用過程相對復雜，然而有關此方面的研究較少，為此，有必要采取室內模型試驗探討螺旋樁厚度、寬度與抗拔承載力、樁身軸力、樁身側摩阻力及樁周土壓力的影響，進而為地基工程施工中螺旋樁有效應用奠定理論基礎。

1" 螺旋樁室內模型的試驗設計

1.1" 模型試驗設計

1.1.1" 模型箱及模型樁設計

螺旋樁室內模型試驗開展中，需要利用模型箱盛裝地基土，通過砂土裝箱模擬施工現場基礎土質。試驗前，需設置長方體模型箱，其尺寸為1 m×0.6 m×1.1 m，利用三角鋼作為箱體構建材料，采用焊接方式連接各箱身，箱底及其中3面箱身以0.3 cm鋼板為材料，鋼板上涂刷一層防銹漆，而另一箱身使用厚1 cm的有機玻璃制作，以便可視化觀測試驗過程。模型箱制作所用材料的強度及剛度均符合試驗要求。設計螺旋樁模型時，結合試驗條件，考慮到試驗場地要求，模型樁設計時線性長度比、彈性模量相似比分別取值為10與1∶0.4，由于實際工程中所采用的螺旋樁彈性模量為30 GPa，因而本次試驗應選用彈性模量值為70 GPa的鋁棒作為螺旋樁模型的制作材料。本次試驗共設計了3個螺旋樁，參數詳見表1。

1.1.2" 地基土類型及參數設計

為保證試驗效果，本次試驗所用的地基土是顆粒大小分配比均勻度高的平潭標準砂，試驗時可在較少壓實次數下快速達到密實度要求，利于提高試驗效率。受到室內模型試驗條件限制，無法在施工現場現澆螺旋樁模型，因而需要提前預埋加工后的螺旋樁模型進行試驗。為降低地基土參數對螺旋樁模型試驗產生的影響，在試驗前應檢測砂土各項參數值，所選砂土的最大干密度及最小干密度分別為1.74 g/cm3與1.43 g/cm3，顆粒比重為2.643 g/cm3，符合試驗所需地基土應用要求。

1.1.3" 加載裝置設計

考慮到試驗場地條件、試驗操作要求，本次試驗選用杠桿、滑輪、砝碼相結合的加載裝置[2]。以壁厚0.2 cm的鋼管作為加載裝置的杠桿制作材料，杠桿上均勻鉆出3個孔，使杠桿動阻比達到1∶3，并根據試驗加載量要求確定杠桿長度。利用鋼絞線連接杠桿阻力端與樁頂，并以鋼絞線作為加載荷載傳遞介質。將1個加砝碼盤設置在杠桿動力端，利用固定滑輪固定鋼絞線，避免加載時出現偏心現象。反力架是提供反力的裝置，其高度應設置為1.3 m，將4根直徑為42 mm的鋼管的上下兩端分別焊接在2塊0.2 cm厚的鋼板上即可。

1.1.4" 模型樁埋設設計

試驗前需提前預埋模型樁，先在模型箱底部鋪一層砂土并壓實，鋪土厚度為30 cm，之后遵循縱向垂直、樁頂水平的原則設置模型樁，而后再填砂固定樁體。采用分層填砂法，每層填土高度均為10 cm，每填筑一層后立即用重錘壓實，直至填埋至設計高度。填土完成后，使模型樁靜載12 h，之后方可實施抗拔試驗。

1.1.5" 模型試驗分組設計

試驗分成2組進行，第一組為1#螺旋樁與2#螺旋樁，第二組為1#螺旋樁與3#螺旋樁。通過對各組模型樁展開分級加載抗拔試驗，在各級荷載加載后，利用測量儀表獲取并記錄試驗數據，再對比分析各組數據，進而總結試驗規(guī)律并得出試驗結論，以此分析出螺旋樁寬度、厚度對抗拔承載機理所產生的影響。

1.1.6" 加載制度設計

采用慢速維持荷載法實施加載，共劃分11個加載等級，樁頂位移量不超過0.1 mm/h時，表示加載穩(wěn)定，可繼續(xù)下級加載。在當級荷載作用下樁下沉量為上級荷載5倍以上時，當級荷載作用下樁下沉量為上級荷載2倍且1 h內沉降仍未停止，表示樁的上拔被破壞，此時應停止加載[3]。3個模型樁的荷載分級詳見表2。

1.2" 數據測試觀測系統(tǒng)設計

1.2.1" 應力測試裝置與應變片預埋設計

選用的應變片電阻值為120 Ω，誤差值為0.1 Ω，靈敏系數介于1.08～3.08。在靜態(tài)應變測試儀上設置好應變片參數，通過測量得出樁體應變數據。利用1/4橋接線法連接簡單型受力變形儀，樁身上設置6對工作片及1片補償片。自樁頂16 cm處向下布設應變片，樁身上各應變片間的設置間隔為12 cm，最后一對應變片設置于樁底上方4 cm處，通過各應變片檢測加載時樁身所有截面產生的應變數據[4]。

1.2.2" 樁周土壓力及樁頂位移檢測設計

采用土壓力盒測定上拔荷載作用下樁周土壓力變化，選用量程最高可達0.2 MPa、橋路電阻350 Ω的土壓力盒，使用全橋接線方式將之連接到應變測試儀上。土壓力盒可在埋樁時一同埋在樁周外圍，各樁周埋設3個土壓力盒，根據獲取的微應變數據換算得出樁周土壓力值。上拔荷載作用下樁頂的上拔位移量利用百分表檢測，應在樁兩側分別設置1個百分表，選用量程最高值為5 cm、測量精度為0.01 mm的百分表。

2" 螺旋樁室內模型試驗結果分析

2.1" 不同螺旋寬度與厚度對抗拔承載力的影響

2.1.1" 不同螺旋寬度的影響

第一組模型樁試驗時，為分析螺旋寬度不同時螺旋樁承載力及抗拔性能間的關系，取2個螺旋樁3次試驗結果的平均值進行對比，得出抗拔荷載及樁頂位移量的關系曲線（圖1）。螺旋寬度為1 cm的1#螺旋樁比螺旋寬度為1.5 cm的2#螺旋樁的抗拔承載力要小，1#螺旋樁的極限抗拔承載力只有645 N，而2#螺旋樁的極限抗拔承載力則為705 N，比1#螺旋樁高出了60 N。在上拔荷載達到600 N時，1#螺旋樁發(fā)生了5.16 mm的樁頂位移量，而2#螺旋樁同荷載下樁頂位移量僅有2.81 mm，說明相同上拔荷載作用下，1#螺旋樁比2#螺旋樁頂的位移量更大。表示螺旋寬度越大，螺旋樁的抗拔極限荷載越大，樁頂位移量控制效果越佳。

2.1.2" 不同螺旋厚度的影響

第二組模型試驗時，取3次試驗數據平均值得到的抗拔荷載及上拔位移量關系曲線（圖2）。發(fā)現螺旋厚度雖然不同，但二者在垂直方向上的抗拔承載力并無較大差異。1#螺旋樁極限抗拔承載力是645 N，3#螺旋樁的極限抗拔承載力為675 N，比1#螺旋樁高出了30 N。而上拔荷載為510 N時，1#螺旋樁與3#螺旋樁的上拔位移量分別是1.985 mm與1.904 mm，相同抗拔荷載作用下，1#螺旋樁的上拔位移量雖比3#螺旋樁大，但二者差值還不足0.1 mm，說明螺旋厚度對于螺旋樁上拔位移量的影響不大。由此可見，螺旋樁厚度不會對螺旋樁的極限抗拔承載性能產生較大影響。

2.2" 不同螺旋寬度與厚度對樁身軸力的影響

以第一組模型樁試驗中樁身應變數據為基礎，對各級荷載下各個截面的樁身軸力值進行計算，取3次平行試驗平均值，得出不同深度下樁身軸力值變化情況。在深度為40 cm時，擬合2組模型樁荷載及樁身軸力曲線關系（圖3）發(fā)現，荷載等級逐步增大時，1#螺旋樁與2#螺旋樁的樁身軸力均不斷變大，且2#螺旋樁的樁身軸力變化幅度始終高于1#螺旋樁，這是由于1#螺旋樁的螺旋寬度更大，所產生的側摩阻力更高，因此抗拔承載能力更高[5]。這說明，螺旋寬度會對樁身軸力產生一定影響。而在上拔荷載增大的同時，1#螺旋樁及3#螺旋樁樁身軸力變化差異不大，這說明加載作用下2個模型樁的側摩阻力一致，因此螺旋樁厚度對樁身軸力并不會產生較大影響。

2.3" 不同螺旋寬度與厚度對樁身側摩阻力的影響

根據樁身軸值數據、樁身截面參數及應變片設置位置，計算第一組模型樁各荷載等級下的側摩阻力值[6]。樁身為40 cm深度時，2#螺旋樁的側摩阻力比1#螺旋樁的側摩阻力更高，二者的極限側摩阻力分別是10.08 kPa與9.38 kPa，二者的差值為0.7 kPa。說明螺旋寬度越大，螺旋及土間的咬合力越大，樁側摩阻力越高。而3#螺旋樁比1#螺旋樁的側摩阻力更大，為9.82 kPa，二者差異不明顯，說明螺旋厚度對樁側摩阻力的影響不大。如圖4所示。

2.4" 不同螺旋寬度與厚度對樁周土壓力的影響

利用應變式土壓力盒測定抗拔荷載變化時，隨著荷載持續(xù)增加，樁周土壓力逐步提升。但2#螺旋樁的樁周土壓力增速快于1#螺旋樁，說明螺旋寬度越大，樁周土壓力也越大，這是由于螺旋寬度較高的2#螺旋樁，樁土間咬合作用力較高，土體正應力、摩阻力、側摩阻力同步提升。2#螺旋樁與1#螺旋樁的樁周土壓力極限值分別是32 kPa與27 kPa，二者差值為5 kPa，說明螺旋寬度會對樁周土壓力產生影響。測定第二組模型樁周土壓力變化數據后發(fā)現，抗拔荷載越大時，樁周土壓力也同步增大，而1#螺旋樁與3#螺旋樁樁周土壓力變化差異不顯著，3#螺旋樁與1#螺旋樁樁周土壓力最高值分別為29 kPa與27 kPa，二者差值僅為2 kPa。說明螺旋樁厚度對樁周土壓力影響不大。如圖5所示。

3" 結束語

通過對3種不同尺寸的螺旋樁展開室內模型試驗發(fā)現，螺旋樁尺寸會改變螺旋樁的抗拔承載力，并能使樁身軸力、側摩阻力及樁周土壓力發(fā)生變化。螺旋寬度越大時，抗拔承載力越大，出現的上拔位移量越小，樁身軸力也越高，且會產生較高的樁身側摩阻力及樁周土壓力。而螺旋厚度對這4個指標的影響作用并不顯著。工程實踐中，需將螺旋寬度設計作為曲線螺旋樁的應用要點，從而有效消除膨脹土或凍脹土地基工程中上拔力及上浮荷載的不利影響。

參考文獻：

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[4] 史旦達，楊彥騁，鄧益兵，等.考慮轉速比影響的砂土中螺旋擠擴鉆具成孔特性宏細觀模型試驗[J].巖土力學，2018，39（6）：1981-1990，1998.

[5] 王騰飛，劉建坤，邰博文，等.螺旋樁凍拔特性的模型試驗研究[J].巖土工程學報，2018，40（6）：1084-1092.

[6] 劉兵科.葉片式鋼管螺旋樁試驗研究及樁型參數優(yōu)化[J].施工技術，2019，48（4）：93-97.