豎向荷載下螺釘樁承載特性的影響因素

摘 要：為了研究樁身螺紋結構參數對豎向荷載下螺釘樁承載特性的影響，開展室內模型試驗與有限元分析，對比分析不同螺紋段長度、螺紋間距、螺紋內徑、螺紋寬度與螺牙深度下的荷載沉降曲線與軸力分布曲線.結果表明：隨著螺紋段長度的增加，螺釘樁極限承載力提升，變截面處軸向應力突變程度增加，建議長度取樁長的1/2～2/3；螺釘樁承載能力隨螺紋間距增加呈先增后減的趨勢，存在一個合適螺距可以最大程度發揮樁土間相互作用；改變螺釘樁變徑比，將影響變截面處與樁端處土體端承作用，同時易引起螺紋段截面應力集中，建議取值0.7～0.8；螺紋寬度與螺牙深度的變化改變螺紋與土體的約束程度，進而影響其極限承載能力.螺紋寬度的變化對極限承載力的影響要大于螺牙深度變化的影響.

關鍵詞：樁基礎；螺釘樁；豎向承載特性；模型實驗；有限元

中圖分類號：TU473"" 文獻標志碼：A"" 文章編號：10001565（2024）06057110

Influencing factors for bearing characteristics of screw pile under vertical load

DENG Yousheng^1，2，ZHUANG Ziying^1，2，DONG Chenhui^1，2，CHEN Zhuo^1，2，WU Along^1，2

（1. School of Architecture and Civil Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054， China；

2. Pile-supported Structures Research amp; Test Center， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054， China）

Abstract： In order to study the effect of pile thread structure parameters on the bearing characteristics of screw piles under vertical load. Laboratory model test and finite element analysis were carried out to compare and analyze the load settlement curve and axial force distribution curve under different thread length， thread spacing， thread inner diameter， thread width and thickness. The results show that with the increase of the length of thread section， the ultimate bearing capacity of screw pile increases， and the sudden change of axial strain at the variable section increases. It is recommended to take the length of pile 1/2—2/3. The bearing capacity of screw pile increases first and then decreases with the increase of thread spacing. There is a suitable pitch which can maximize the interaction between pile and soil. Changing the diameter reduction ratio of screw pile will affect the end-bearing action of soil at the variable section and the end of pile and will easily cause stress concentration in the section of thread section. The recommended value is between 0.7—0.8. The change of thread width and thickness will change the constraint degree of thread and soil， and then affect its ultimate bearing capacity. The influence of thread width on ultimate bearing capacity is greater than that of thread thickness.

Key words： pile foundation; screw pile; vertical bearing characteristic; model test；finite element

收稿日期：20240707;修回日期：20240824

基金項目：

國家自然科學基金資助項目（51878554）;陜西省自然科學基礎研究計劃重點項目（2018JZ5012）

第一作者：鄧友生（1969—），男，西安科技大學教授，博士生導師，博士，主要從事基礎工程與防災減災結構研究.E-mail：dengys2009@126.com

為了提高傳統等截面樁承載能力，學者們進行了大量研究，提出了擴底樁^［1］、梅花樁^［2］等多種異型變截面樁^［3-5］.螺釘樁通過在樁身周圍布設螺紋結構，改變了樁土接觸方式，螺紋與樁周土體間的齒狀咬合作用提高了樁側摩阻力，進而提升其極限承載能力.樁身周圍獨特的螺紋結構，使得螺釘樁可以如螺絲釘般旋入和旋出土體中，不僅承載能力得到增強，而且具有經濟環保、可回收的特點，適用于一些臨時性工程，可以降低施工過程產生的污染與工程造價.目前對此類樁的豎向承載特性進行了大量研究.soltani等^［6］對螺旋樁在砂土地基中的荷載傳遞機理進行了研究，認為隨著荷載增加，螺旋樁受力機理從螺旋板單獨承載過渡至整體圓樁型剪切；李佳等^［7］對螺紋樁截面幾何特性進行研究，并給出了計算公式；周敏明等^［8］利用離散元分析軟件研究了螺紋樁樁-土接觸特性，認為其接觸面周圍土體會存在一個拱形破壞面；周楊等^［9］、冷伍明等^［10］利用室內模型實驗與有限元分析對螺紋樁豎向承載特性進行了分析，認為螺紋樁承載能力要優于等截面樁；孔德志等^［11］利用室內模型實驗研究了雜填土地基中螺桿樁豎向承載特性，認為螺紋段等效側阻大于直桿段；馮浙等^［12］利用數字圖像軟件，對比分析了螺桿樁與直桿樁在豎向荷載下樁周土體的位移場變化；Qian等^［13］對不同螺距下樁土接觸特性進行了研究，認為存在最優螺距可以使樁-土界面達到最大抗剪強度.王國才等^［14］利用有限元分析，對不同距徑比下螺紋樁承載能力進行分析，認為距徑比在0.5～2.0時螺紋樁承載能力達到最大.目前對此類樁型豎向承載特性及其荷載傳遞機理研究較為充分，但樁身螺紋結構參數對豎向承載特性的影響研究較少.

螺釘樁（圖1）是一種新型可回收預制樁，樁身螺紋結構參數是其承載特性的重要影響因素，合適的結構參數可以最大限度地發揮螺釘樁承載能力.基于此，本文通過開展室內模型實驗與數值計算，研究分析螺紋段長度、螺紋間距、螺紋內徑、螺紋寬度以及螺牙深度對豎向荷載作用下螺釘樁承載特性的影響.

1 模型試驗

1.1 試驗準備

試驗在長×寬×高為4.0 m×1.9 m×2.0 m的模型箱內進行，模型箱實物見圖2，模型箱上方設有3個20 mm寬的反力梁.本次試驗在模型箱中心位置進行，試驗樁尺寸與模型箱整體尺寸相差較大，基本可以忽略邊界效應對模型試驗帶來的影響.試驗土體取自西安某工地，經篩分配水后，通過室內土工試驗測得土體基本物理力學參數見表1.當基礎直徑與試驗土體特征粒徑d50的比值小于30，即可忽略試驗過程中土體不縮尺所帶來的誤差影響^［15］.本次試驗基礎直徑取值50 mm，即在樁徑影響范圍內所用試驗填土的特征粒徑d50小于1.66 mm，黃土粒徑通常不超過0.25 mm，故本次試驗可以忽略土體顆粒不縮尺所帶來的影響.在試驗土體回填過程中，每20 cm分層均勻鋪平后夯實，控制壓實度在0.8以上，保證土體夯實度一致.

目前模型試驗樁常采用工程塑料、鋁合金等材料進行試驗^［16-18］.本次試驗樁采用實心鋁棒加工制成.樁身彈性模量為68 GPa，泊松比為0.3.基于室內模型試驗的可行性，以幾何長度為基本物理量，相似常數為10，結合相似性原理設計本次模型試驗^［19］.本次試驗共制作3根螺釘樁，以1#樁為基本模型樁，具體尺寸見表2.以螺紋段長度與螺紋間距為單一變量設置2#、3#樁.其中2#樁將螺紋間距減小為40 mm，3#樁將螺紋段長度減小為300 mm.3根樁應變片測點布設位置相同，均沿樁身等間距對稱布置.以1#樁為例，具體測點布置如圖3.

1.2 加載方法

試驗樁采用預埋的方式進行填筑^［20］.土體回填過程中時刻關注樁身傾斜程度，確保土體回填后樁身仍保持直立.在試驗樁樁頂位置先后布設加載板與千斤頂，并在加載板頂部對稱布設位移計以監測試驗樁沉降.試驗采用慢速維持荷載法逐級加載，共加載10級，每級400 kPa.加載標準參考文獻［21］，加載的第5、15和30 min時各讀數1次，之后每30 min 讀數1次，相鄰2次沉降不超過0.01 mm時，即可進行下一級加載.

2 試驗結果與分析

2.1 荷載-沉降曲線

3根試驗樁荷載-沉降曲線見圖4.從圖4可知，3根樁荷載-沉降曲線呈現緩變型變化特征，并未出現明顯的陡降點.加載初期，3根樁沉降曲線基本呈線性變化，此時土體處于彈性變形狀態，三者沉降近乎相同，差異并不明顯.隨著荷載逐步增加，曲線逐漸從線性變化轉向非線性變化，即土體從彈性變形向彈塑性變形狀態轉變，部分土體發生塑性變形，且變形區域逐漸增大.根據文獻［21］，取沉降4 mm時所對應的荷載為極限承載力，并以極限承載力與樁體體積的比值為材料利用率，分別計算出3根樁的極限承載力與材料利用率（表3）.由試驗結果可知：與1#樁相比，2#樁的極限承載力提升約11.06%，材料利用率提高約10.23%；3#樁極限承載力降低約10.11%，材料利用率減小約15.96%.在一定范圍內減小螺紋間距或增加螺紋段長度可以有效提升螺釘樁單樁極限承載力，能取得更好的經濟、環保效益.

螺釘樁通過在樁身周圍增設螺紋結構，改變了傳統的樁土接觸方式.樁土間的齒狀咬合作用成為螺釘樁傳遞上部荷載至樁周土的主要途徑.當螺紋段長度減小時，樁土間發生齒狀咬合作用的區域減小，樁土間相對移動產生摩阻力的區域增大.齒狀咬合作用來源于土體間的抗剪強度，摩阻力則來源于樁土間的摩擦角.因此當螺紋段長度減小時，螺釘樁的極限承載力降低.當螺紋間距減小時，螺紋結構對土體的約束增強，有效提升了樁土間齒狀咬合作用，故螺釘樁極限承載力提高.

2.2 樁身軸力

以第7級荷載為例，繪制3根試驗樁樁身軸力分布曲線（圖5）.從圖5可知，3根樁軸力均隨著樁長的增加而減小，但減小的幅度存在差異.在距離樁頂0.2 m范圍內，3根樁軸力衰減幅度變化不大，主要通過樁土間相對位移產生摩阻力耗散上部荷載.隨后，3根樁分別在距離樁頂0.2、0.2、0.3 m時軸力發生突變.原因在于，三者在相應位置處發生截面突變，此時，螺釘樁傳遞上部荷載的方式發生變化，從摩阻力變化為土體的抗剪強度，同時變截面處土體受壓產生的端阻力也提供了部分承載能力，在二者作用下，軸力產生了較大突變.

從樁身軸力分布曲線看，螺釘樁螺紋段軸力衰減程度大于直桿段，表明螺釘樁主要依靠螺紋段樁土齒狀咬合作用傳遞上部荷載.在第7級荷載作用下，3根螺釘樁樁底軸力分別占樁頂荷載的17.30%、13.60%和21.73%，表現出端承摩擦樁的承載特性，表明螺釘樁主要通過樁側摩阻力傳遞上部荷載至樁周土體.螺紋段長度與螺紋間距的變化，改變了螺紋結構與螺紋間土體作用區域大小與作用效果強弱，進而影響樁側阻力的發揮.結果表明：在一定范圍內，增加螺紋段長度與減小螺紋間距，均可充分發揮樁土間齒狀咬合作用，有效提升樁側阻力.

3 數值計算

3.1 模型建立與驗證

室內模型試驗條件有限，部分數據無法獲取，利用ABAQUS有限元軟件對模型試驗樁分別建立三維數值計算模型.通過實體拉伸、旋轉的方法分別建立螺釘樁直桿段樁芯、螺紋段樁芯以及螺紋部分，并通過布爾運算將三者合并在一起.為忽略邊界效應的影響，將土體模型尺寸設置為10 m×10 m×12 m，并約束其4個側面的法向位移以及模型底部3個方向的位移.模型樁定義為彈性材料，土體定義為基于Mohr-Coulomb 屈服準則的彈塑性本構模型.樁土接觸面設置為面-面接觸，通過軟件中“切向行為”“法向行為”模擬樁土接觸狀態.切向行為^［15］定義為罰函數，摩擦系數取0.35，法向行為定義為硬接觸.為減小土體自重產生的初始應力場對計算結果產生的影響，在施加荷載分析步之前，需要先進行地應力平衡，采用軟件中“prefined field”功能進行定義.共設置2步地應力平衡分析步分別計算土體自重應力以及樁體的附加應力.模型樁因其幾何形狀較為復雜采用四面體網格進行劃分，并對樁以及樁周土體部分區域網格進行加密處理，其余土體采用六面體網格進行劃分.建立的三維計算模型見圖6.

模型試驗與數值計算所得荷載-沉降曲線見圖7，其中模型試驗所得結果依據相似比進行相應放大.從圖7分析可知，3根樁的荷載沉降曲線較為吻合，極限承載力誤差在5%以內，表明此次數值模型計算結果與模型試驗結果基本吻合.

3.2 荷載分擔比

圖8為極限荷載下3根試驗樁的荷載分擔比.螺釘樁極限承載力由4部分組成，荷載占比從大到小依次為螺紋段樁土咬合力、樁端土體端阻力、變截面處土體端阻力、直桿段樁土摩阻力.其中，螺紋段樁土間的咬合作用是最主要的組成部分，占到了總荷載的60%以上；樁端土體受壓產生的端承力約占總荷載的20%；變截面處土體端承力以及直桿段樁土摩擦力之和占10%～15%.1#樁與2#樁的總樁側阻力分擔比和總樁端阻力分擔之比約為3∶1，3#樁的總樁側阻力分擔比和總樁端阻力分擔比之比為2∶1，表明螺紋段長度的變化相較于螺紋間距對螺釘樁的承載特性的影響更為顯著.

4 影響因素分析

為研究螺釘樁樁身結構參數對其承載特性的影響，利用上述模型建立方法，對不同螺紋段長度、螺紋間距、螺紋內徑、螺紋寬度與螺牙深度下螺釘樁承載特性進行分析.

4.1 螺紋段長度

建立螺紋段長度分別為2、3、4、5 m的有限元數值模型，其沉降曲線見圖9.隨著上部荷載的逐步增大，4根樁沉降曲線均呈緩變型變化.隨著長度增加，極限承載力分別為477、574、663、742 kN，其增長率分別為20.33%、15.50%、11.90%，據此可知，隨著螺紋段長度提升，極限承載力提升幅度不斷下降，從20.33%降到11.90%，因此其提升力的收益逐步遞減.

圖10為第6級荷載作用下4根樁的軸力分布曲線.分析可知，4根樁軸力分布曲線大致相同，均沿著樁基深度方向衰減，在相應變截面位置處出現軸力突變，軸力突變程度與螺紋段長度呈負相關，在相同荷載作用下，螺紋段長度越長，其樁土間齒狀咬合作用范圍越大，樁土間咬合更為緊密，則螺釘樁的整體沉降量減小.因此變截面處土體壓縮量也與螺紋段長度呈現負相關，所提供的端承力減少.因為變截面處的存在，樁身截面由直桿段的圓形截面轉變成螺紋段的不規則截面時，截面面積減少，樁身軸向應力增大，容易在變截面處產生應力集中，故螺紋段長度不宜過長.螺紋段長度為2、3、4、5 m，其軸向應力突變程度分別為34.4%、38.8%、42.6%和46.3%.綜合考慮其承載能力與軸向應力突變程度，建議螺紋段長度取樁長的1/2～2/3.

4.2 螺紋間距

建立螺紋間距為200、300、400、500、600 mm的數值計算模型，其荷載-沉降曲線如圖11.分析圖11可知螺紋間距變化與極限承載力的關系并不是呈完全相關.當螺距為300、400 mm時，其極限承載力達到較大，二者差值為1.20%，當螺距大于400 mm或小于300 mm時，極限承載力均呈現減小的趨勢.對比第8級荷載作用下各樁軸力分布曲線（圖12），可以發現螺紋間距的改變對軸力分布的影響并不顯著，最主要的差異集中在變截面處軸力的衰減以及樁端處.在變截面處，螺距為500、600 mm的樁已經接近其極限荷載，此時變截面處土體已被充分壓縮變形，所能提供的端承力達到極限，而其他螺距下螺釘樁仍未達到其極限承載力，變截面處土體仍舊可以繼續提供端承力.在樁端處，端阻力與螺距呈現正相關.但在螺距較小時，正相關關系并不顯著.當螺距逐漸增大時，相鄰兩級螺紋間對土體的約束效果下降，樁土間齒狀咬合作用減弱，導致螺釘樁側阻下降，端阻上升.當螺距減小時，雖然螺紋對土體的約束更加緊密，但由于螺距的增加，螺紋圈數增多，導致螺紋內外側土體剪切區域減小，土體剪切作用效果減弱.二者因素相互影響，削弱了在螺距較小時與端阻力的相關性.基于此，螺紋間距存在1個最優值可以最大程度發揮樁土間的齒狀咬合作用.

4.3 螺紋變徑比

將螺紋內外徑的比值定義為變徑比，分別建立變徑比為0.8、0.7與0.6的螺釘樁數值模型.圖13為不同變徑比下螺釘樁沉降曲線.加載初期曲線呈現線性變化，隨著荷載逐步增大，曲線轉向非線性變化.相同荷載作用下，變徑比與沉降值呈現負相關.變徑比從0.8減小到0.6時，極限承載力分別降低7.09%和9.58%.

對比第7級荷載作用下各樁軸力曲線，見圖14.不同變徑比下軸力變化趨勢基本一致.直桿段的軸力衰減遠小于螺紋段軸力衰減.變徑比的變化，改變了直桿段與螺紋段之間橫截面面積差值，增大了變截面處樁與土體的接觸面積，增強了其端承作用.同時，變徑比的減小也導致樁端處樁土接觸面積減小，降低了樁端土體的端承作用.根據圖13的荷載-沉降曲線，在7級荷載下，變徑比為0.6的螺釘樁已接近其極限承載力，而變徑比為0.7與0.8的螺釘樁仍未達到極限狀態，其樁端處土體的端阻力并未完全發揮，因此變徑比為0.6與0.7的樁端處軸力差距并不顯著.當變徑比減小時，橫截面積的減小會使得其樁身軸向應力顯著提升，為了確保樁身材料不被破壞，變徑比不宜過小，宜取0.7～0.8.

4.4 螺紋寬度與螺牙深度

圖15與圖16是不同螺紋寬度與螺牙深度下螺釘樁的荷載-沉降曲線.隨著螺紋寬度的增加，螺釘樁極限承載力提升，螺牙深度則與之相反.分析其原因，螺紋寬度的增加使得相鄰兩級螺紋間咬合的土體范圍增加，對土體的約束性增強，提高了螺紋段側阻力，提升了極限承載力.而隨著螺牙深度的增加，相鄰兩級螺紋間所咬合的土體范圍減少，對土體約束性減弱，使極限承載力減小.螺紋寬度從50 mm減小至40 mm，極限承載力降低約9.9%.螺牙深度從100 mm提升至110 mm，極限承載力約降低1.20%，結果表明，螺紋寬度對螺釘樁承載能力的影響大于螺牙深度的影響.在本研究中，螺紋寬度宜取45～50 mm；螺牙深度宜取100～110 mm，以期獲得較好的承載能力.

5 結論

基于室內模型試驗與數值計算，對比分析了螺釘樁樁身不同結構參數對其豎向受荷承載特性的影響，主要結論如下：

1）螺釘樁極限承載力主要由螺紋段樁土齒狀咬合力、直桿段樁土摩阻力、變截面處土體與樁端土體的端阻力組成.螺紋段樁土咬合力為首要組成部分占比超過50%，變截面與樁端處土體端阻力次之，直桿段摩阻力占比最小.

2）螺釘樁螺紋段長度與其極限承載力及變截面軸向應力突變程度均呈正相關.建議螺紋段長度取樁長的1/2～2/3以平衡二者之間的關系；隨著螺紋間距的增大，螺釘樁極限承載力呈現先增后減的趨勢，存在一個最合適的螺紋間距可以最大程度發揮樁土齒狀咬合作用.

3）螺釘樁沉降與其變徑比呈現負相關，螺紋內徑的變化會影響變截面與樁端處土體端承力的發揮程度；螺紋寬度與螺牙深度的變化，會改變相鄰兩級螺紋間所咬合土體范圍，影響螺紋對土體約束效果，導致螺釘樁極限承載力發生變化.螺紋寬度對螺釘樁承載能力的影響大于螺牙深度.

參 考 文 獻：

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（責任編輯：王蘭英）