黃土層螺釘樁承載特性試驗研究

摘 要：螺釘樁是一種新型可回收預制樁，具有經濟、環保的特點。通過在樁側表面增設螺紋結構，形同鋸齒，可以改善傳統樁土接觸方式，能顯著提升極限承載能力。為研究這種樁型的荷載傳遞機理與承載特性，采用模型試驗與有限元分析相結合的方法，對比分析了螺釘樁和等截面樁在加載過程中的豎向承載特性及樁周土體位移特征，探索了螺紋段長度與螺紋間距對承載力的影響規律。結果表明：螺釘樁荷載-沉降曲線呈緩變型變化特征，極限承載力與樁身材料利用率均優于等截面樁；螺釘樁主要通過樁側摩阻力傳遞上部荷載，樁側阻力約為等截面樁的4.57倍，呈現端承摩擦樁的承載特性；螺釘樁樁側表面獨特的鋸齒結構可以充分發揮樁周土體協同工作，以調動螺牙槽口內外側土體間的抗剪力；增加螺紋段長度可以增大樁身側面與土體間的齒狀咬合區域，從而顯著提升螺釘樁極限承載力和材料利用率；隨著螺紋間距的增大，螺紋內外側土體沉降差異變小，破壞方式發生變化。當距徑比為0.75～1.0時，螺釘樁極限承載力與樁身材料利用率均取得較大值。研究成果可為螺釘樁基礎的設計提供依據。

關鍵詞：螺釘樁；模型試驗；數值計算；極限承載力；材料利用率

中圖分類號：TU 473.1""" 文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2025）01-0129-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2025.0112

Experimental study on bearing characteristics of

screw-pile in loess layer

DENG Yousheng ZHUANG Ziying ZHAO Huiling WEI Huanwei³，

CHEN Zhuo WU Along DONG Chenhui^1，2

（1.College 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；

3.College of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Abstract：Screw pile，a new type of recyclable prefabricated pile，has the characteristics of economical and environmental protection.By adding a screw structure on the surface of the pile side，similar to the form of" sawteeth，the traditional pile-soil contact mode can be improved，with its ultimate bearing capacity

increased significantly.In order to study the load transfer mechanism and bearing characteristics of this type of pile，model test and finite element analysis were adopted to compare and analyze the vertical bearing characteristic and the displacement characteristics of soil around the pile under the loading of screw pile and equal section pile

，thus exploring

the influence law of screw length and screw pitch on its bearing capacity.The results demonstrate that the load-settlement curve of screw pile shows the characteristics of slow change，and the ultimate bearing capacity and the utilization rate of pile material are better than those of equal section pile.The screw pile transfers the upper load mainly through the side friction resistance of the pile，and it is about 4.57 times that of the equal section pile，exhibit the bearing characteristics of the end bearing friction pile.The unique zigzag structure on the side surface of screw pile can give full play to the cooperative work of soil around the pile to mobilize the shear resistance between the soil inside and outside the screw notch.Increasing the length of the screw section can

enlarge the dentate area between the side of the pile and the soil，thus significantly improving the ultimate bearing capacity and material utilization of the screw pile.With the increase of screw pitch，the difference of soil settlement between the inside and outside of the screw becomes smaller，and its failure mode changes.When the ratio of distance to diameter is 0.75～1.0，the ultimate bearing capacity of screw pile and the utilization rate of pile material are both larger.The research results could provide a basis for the design of screw pile foundation.

Key words：screw pile；model test；numerical calculation；ultimate bearing capacity；material utilization

0 引 言

變截面樁^[1]是一種通過改變傳統等截面樁橫向截面形狀或縱向截面變化率，充分調動樁周土體協同工作，從而提高承載能力的新型樁，在土木工程領域方面應用廣泛^[2-4]。國內外學者對此進行了大量研究，提出了諸如擴底樁、楔形樁等多種樁型^[5-10]。螺釘樁通過在樁身周圍布設螺紋結構，如同螺絲釘可隨時旋進和旋出木材一樣，在一些臨時性工程，如基坑支護、棧橋基礎等，這類工程竣工后可旋出回收，減少基坑工程的拆除破壞，可降低總工程造價；再者，樁側螺紋結構形成樁-土凹凸交錯接觸方式，樁土間齒狀咬合作用增大了樁側阻力，進而提高了承載能力。故螺釘樁具有承載變形能力強、適應性強、經濟環保等特點。許多學者對這類樁豎向承載特性進行了研究。錢建固等通過大型接觸面剪切儀，觀察螺紋樁樁土剪切面破壞形態，發現螺紋樁樁-土界面呈現拱形曲線破壞，存在一個最優螺距使的拱形曲線破壞面達到最大^[11]；

馬文杰等對螺紋單樁豎向極限承載力計算公式進行歸納總結^[12]

；JIANG等通過模型試驗認為螺旋樁復合地基的承載能力高于普通直樁^[13]；周楊等通過模型試驗與數值模擬認為變截面螺紋樁的材料利用率優于直螺紋樁和普通圓樁^[14]；王國才等通過數值模擬對螺紋樁豎向承載特性進行研究，認為螺紋樁極限承載力隨S/D（螺距/螺紋內徑）的增大呈現先增后減的趨勢^[15]；冷伍明等通過模型試驗與數值模擬表明螺距與螺紋寬度是影響螺紋樁極限承載力的主要因素^[16]；王曙光等基于模型試驗認為螺桿樁螺紋段的極限側阻表現為周邊土體的抗剪強度^[17]。

目前很多學者通過現場試驗、模型試驗、數值模擬等方法對螺紋樁進行研究^[18-24]，并取得了一定的成果，但對于螺釘樁豎向承載特性方面研究較少，荷載傳遞機理尚不清晰。通過室內模型試驗與數值模擬相結合方法，對螺釘樁與等截面樁豎向承載特性進行研究，分析螺紋段長度以及螺紋間距對螺釘樁承載能力的影響。

1 模型試驗

1.1 模型箱及試驗材料

采用模型箱尺寸為4.0 m×1.9 m×2.0 m，沿模型箱短邊方向設置3個寬度為20 mm的反力梁，底板與左右側板采用寬度為16 mm厚的鋼板，正面與背面內置10 mm厚的鋼化玻璃。試驗樁位于模型箱的中心，距離模型箱的距離大于10倍的樁徑，可以忽略邊界效應。綜合考慮室內模型試驗條件，依據相似性原理，以幾何長度為基本物理量，取相似比為1∶10設計模型試驗（表1）^[25-26]。

試驗模型樁采用6061實心鋁棒制成^[27-28]。共制作3根螺釘樁和1根等截面樁（表2）。通過室內土工試驗測得黃土密度為1.94 g/cm³，黏聚力為38.2 kPa，內摩擦角為28.3°。試驗土體采用分層填埋的方法進行填筑，回填過程確保各層土體均勻鋪平且采用小錘子夯實，確保夯實程度一致。

1.2 測點與布置

螺釘樁與等截面圓樁沿樁身對稱等間距布設7組應變片。相鄰應變片間隔100 mm。螺釘樁螺紋段應變片粘貼至內徑壁以避免螺紋部位非軸向變形產生的影響。

1.3 加載制度

試驗樁采用預埋的方式進行填筑^[29-31]，在樁頂布設加載板，加載儀器與位移測量儀器分別為千斤頂和位移計（圖1）。

試驗依據《建筑樁基檢測技術規范 JGJ 106—2014》，采用慢速維持荷載法逐級加載，并通過靜態數據采集儀采集相應數據。

1.4 計算公式

依據樁身應變片數據，依照式（1）、式（2）計算樁身軸力與樁側摩阻力。

P=EAεi

（1）

Q=EA（εi－εi+1）/AS

（2）

式中 P為樁身軸力，kN；E為樁彈性模量，kPa；A為樁身橫截面積，螺釘樁螺紋段橫截面取螺紋外徑對應圓形截面，m²；εi，εi+1為測點i、i+1處平均應變；Q為樁側摩阻力，kPa；AS為測點i、i+1之間樁側表面積，m²。

2 試驗結果及分析

2.1 荷載-沉降曲線

加載初期，試驗樁沉降曲線均呈現平緩的線性變化，土體處于彈性變形狀態。隨著荷載的增大，沉降曲線由線性變化向非線性變化過渡，土體進入彈塑性變形狀態（圖2）。螺紋段與土體間的齒狀咬合作用，使得螺釘樁沉降遠小于等截面樁。4#等截面樁曲線在加載后期呈現明顯的陡降型變化，取該陡降點所對應荷載3.14 kN為極限承載力。1#～3#螺釘樁沉降曲線呈“緩變型”變化特征，不存在明顯陡降點。依據《建筑樁基檢測規范》與本次模型試驗相似常數，取沉降4 mm時對應的荷載為樁基的極限承載力，1#～3#螺釘樁極限承載力分別為6.33，7.03，5.69 kN。螺釘樁極限承載力約為等截面樁的1.81～2.24倍。

依據樁身材料利用率公式（樁體極限荷載與樁體體積比值）計算得出螺釘樁材料利用率約為等截面樁的2.17～2.84倍。螺釘樁的承載性能優于等截面樁，并且可以節約樁身材料，達到經濟、環保的目的。

2.2 樁身軸力

以1#樁和4#樁為例，2種樁型的軸力分布總體都沿著深度方向衰減，但衰減的幅度有所差異（圖3）。等截面樁下半段樁身軸力衰減幅度高于上半段樁身，螺釘樁螺紋段軸力衰減幅度遠大于直桿段。在極限荷載作用下，等截面樁樁底軸力為1.941kN，占樁頂荷載的61.8%，呈現摩擦端承樁的承載特性，螺釘樁樁底軸力為1.136 kN，僅占樁頂荷載的18.09%，呈現端承摩擦樁的承載特性。這是因為螺釘樁獨特的螺紋結構以及樁身存在變截面處，使得樁頂荷載向下傳遞的過程中，絕大部分荷載通過螺紋結構與土體間的齒狀咬合作用以及變截面處土體的端承作用傳遞到樁周土體。

2.3 樁側摩阻力

2種樁型樁側摩阻力分布規律存在較大差異（圖4）。等截面樁側摩阻力沿著樁長逐步增大，樁身下部側阻的發揮程度高于樁身上部。在加載初期，等截面樁側摩阻力隨著荷載的增加而增大。在加載后期，其樁側阻力變化程度減小，表明樁側阻力發揮已經接近極限。當樁體達到極限承載力發生刺入破壞，此時樁側阻力跌落至殘余強度。螺釘樁樁側阻力可以分成直桿段與螺紋段2部分，隨著樁頂荷載的增加，直桿段樁側阻力很快就達到極限值，螺紋段樁側阻力則不斷增加。螺釘樁獨特的螺紋結構，改變了傳統樁-土接觸方式。等截面樁側摩阻力主要取決于樁土接觸面間的摩阻力，螺釘樁側摩阻力不僅取決于摩阻力，更取決于樁側土體的剪切力。螺紋段樁側阻力的發揮程度高于直桿段。在極限荷載狀態下，等截面樁的平均側摩阻力為11.63 kPa，螺釘樁的平均側摩阻力為53.24 kPa，是等截面樁的4.57倍。螺釘樁側摩阻力遠大于等截面樁，承載能力要優于等截面樁。

3 數值計算

3.1 模型的建立與驗證

利用ABAQUS有限元分析軟件對1#樁和4#樁分別建立三維數值全模型。為忽略邊界效應的影響，土體寬度設置成樁徑的20倍，深度設置成樁長的2倍。樁體與樁周土體采用四面體網格加密劃分，其余土體采用六面體網格劃分（圖5）。樁身材料強度遠大于土體，在豎向受荷中基本只發生彈性變形，可以簡化為線彈性模型，土體假定為均質、各項同性的彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型可以較好的反應實際工程中樁土間的相互作用^[32-33]（表3）。設置樁土接觸面為面-面接觸，通過軟件中“切向行為”、“法向行為”模擬樁土接觸狀態。切向行為定義為罰函數，摩擦系數取tan0.65φ（φ為土體內摩擦角）^[28]，法向行為定義成硬接觸。模型四周分別約束法向位移，模型底部約束3個方向的位移。為了消除土體自重產生的初始應力場會對計算結果產生的影響，需要先進行土體地應力平衡。

圖6為模型試驗與數值分析結果對比，模型試驗數據依據本次試驗相似常數進行相應放大。二者荷載沉降曲線較為吻合，螺釘樁的極限承載力為等截面樁的2.11倍。表明有限元模型可以較好的擬合試驗結果。

3.2 地基土體位移特征

極限承載力作用下等截面樁樁周土體豎向位移區域集中在樁身下半段與樁端附近，等截面樁主要依靠樁身下半段樁側阻力以及樁端阻力提供承載能力。螺釘樁因為樁身周圍存在連續式螺紋結構，受荷沉降時，螺紋結構會帶動螺紋內部的土體一起沉降，引起螺紋內外側土體差異沉降（圖7）。螺紋內外側土體發生相對位移產生的抗剪力是螺釘樁承載力的主要來源，螺釘樁變截面處與樁端處土體受壓產生的端阻力也可承擔部分上部荷載。螺釘樁在受荷沉降的過程中，對樁側土體的影響范圍要遠大于等截面樁。表明螺釘樁可以更好的調動樁側土體承載能力共同承擔上部荷載。

4 參數分析

螺釘樁因為樁身螺紋結構的存在，各級螺牙與土體之間齒狀咬合作用提高了樁的承載能力。螺紋段長度與螺紋間距是反應齒狀咬合作用程度的2個重要影響因素。基于此本文選取上述模型參數通過數值計算分析二者對螺釘樁豎向承載能力的影響。

4.1 螺紋段長度

增加螺紋段長度可以顯著提升螺釘樁極限承載力（圖8）。螺紋段長度從2 m提升至5 m時，極限承載力相較于等截面樁分別提升了51.9%、82.8%、111.1%和136.3%。螺紋段長度越長，樁身與土體之間形成齒狀咬合的區域越大，樁體極限承載力提升。隨著螺紋段長度的增加，螺釘樁體積減小，材料利用率也呈增長趨勢。

4.2 螺紋間距

隨著螺距的增大，螺釘樁極限承載力呈現先增大后減小的趨勢（圖9）。螺距從0（即等截面圓樁）增加至200 mm時，極限承載力提高約1.24倍。螺距在300 mm至400 mm時達到較大值，二者相差在5%以內。隨著螺距進一步增大，承載力逐步下降。螺距增加至700 mm，極限承載力下降15.2%。從材料利用率的角度分析，其變化規律與螺釘樁極限承載力一致。螺距為300 mm與400 mm時二者均達到較大值，約為等截面圓樁的2.89倍。

當螺距為200 mm與300 mm時，螺紋內部土體與樁體的豎向位移大致相同，螺釘樁帶動螺紋內部土體一起向下沉降。整體呈現與螺釘樁外徑相當的圓柱形剪切破壞。當螺距增加至400 mm時，螺紋內部土體只有在靠近各級螺牙下方部分區域土體沉降與樁體相同，這表明螺紋結構對土體的約束逐漸減弱。隨著螺距的進一步增大，該土體區域進一步減小，最終僅存在于各級螺牙下表面附近區域（圖10）。螺距較小時，螺紋圈數增加，螺紋內外側土體剪切區域較少，極限承載力降低。螺距越大，相鄰兩級螺牙之間的影響效果減弱，螺紋對土體的齒狀咬合作用減小，螺紋內外側土體沉降大致相同，土體剪切效果減弱。此時螺釘樁變成各級螺牙下的土體單獨承載，螺釘樁承載力降低。綜合考慮極限承載力與經濟效益因素，將螺紋間距與螺釘樁內徑的比值定義為“距徑比”，建議距徑比取值在0.75～1.0。

5 結 論

1）螺釘樁與等截面樁的荷載沉降曲線分別為緩變型和陡降型。螺釘樁極限承載力與材料利用率均優于等截面樁。螺釘樁能提升承載力，并有效降低樁身混凝土用量，達到低碳經濟的目的。

2）在極限荷載作用下，螺釘樁與等截面樁的荷載分擔比存在差異。螺釘樁主要由樁側摩阻力承擔荷載，等截面樁主要由樁端阻力承擔荷載。螺釘樁樁側摩阻力遠大于等截面樁。

3）增加螺紋段長度能顯著提升螺釘樁極限承載力與樁身材料利用率。螺紋間距的變化會影響螺紋內外側土體相對位移，進而改變極限承載能力。在距徑比為0.75～1.0時極限承載力取得較大值。

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（責任編輯：李克永）