砂土中螺紋樁承載特性的模型試驗研究

孟 振，陳錦劍，王建華，尹振宇

（上海交通大學 土木工程系，上海 200240）

1 引 言

灌注螺紋樁是一種變截面樁，由長螺旋鉆孔灌注樁改進而來。因其能有效控制沉降量，抗拔、抗側能力強，造價低且環保，在工程中得到了較多的應用，并引起了諸多學者的研究。吳敏等[1]對螺紋樁的承載機制進行了初步探討，比較了螺紋樁與傳統的直壁灌注樁豎向承載力的基本特性，并根據試驗及理論分析，探討了螺紋樁設計計算方法。李紅文等[2]從不同角度對螺紋樁的承載力設計計算方法進行了初步探討，對施工常見的問題提出了處理對策，并將其應用到了具體項目。胡煥校等[3]根據根全螺旋灌注樁的實測樁頂載荷-樁頂沉降曲線，用雙曲線法預測了全螺旋灌注樁的極限承載力。孫文懷等[4]分析了螺紋樁的受力機制，探討螺紋樁單樁承載力的確定方法，指出螺紋樁單樁承載力高、節約材料顯著，在軟弱地層中的應用優勢顯著，并通過實際工程給予具體說明。陳樂求[5]進行模型實驗，分析了螺紋樁的豎向承載特性。李成巍等[6]通過室內模型試驗和數值分析，研究了灌注螺紋樁的豎向承載機制，并提出了螺紋樁承載力計算公式。

目前利用室內模型試驗揭示螺紋樁承載機制方面的研究很少，文獻[5－6]的試驗研究對象也僅僅是螺紋樁與直樁的直觀比對，并未討論螺紋樁樁身參數的影響。本次在文獻[6]的研究基礎上展開更深入的模型試驗，重點分析螺距這一樁身重要參數對螺紋樁承載性能的影響，測試單樁極限承載力及荷載的傳遞，并且將螺紋樁與傳統的等直徑直樁進行對比，說明螺紋樁承載能力的優勢。

2 研究方法

模型樁樁身材料選用聚氯乙烯塑料。該材料能在加載試驗過程中產生適量的應變而滿足應變片測試誤差的控制要求。為了合理地模擬實際工程樁，本次試驗的2根螺紋模型樁的樁長1 m，外徑為90 mm，內徑為60 mm。2根直樁的樁長1 m，直徑分別為90 mm和60 mm，模型樁的外形參數見表1。在模型樁的空腔內部兩側對稱粘貼應變片，模型樁的兩端空出40 mm，中間部分等間距（184 mm）布設6片應變片，以測出加載過程中模型樁沿樁身的應變值。

表1 模型樁的外形參數表Table1 Shape parameters of model piles

靜載試驗采用杠桿加載法，將型鋼梁一端鉸接固定于支架上，中部通過壓力傳感器和加載連接裝置放置在樁頂，型鋼梁另一端通過砝碼加載。試驗在1.5 m×1.2 m×1.2 m的鋼制模型箱內進行。為了盡量減小相鄰樁之間擠土效應和模型箱邊界效應的影響，4根模型樁的中心間距為0.4 m，到模型箱壁的距離均大于0.4 m，超過4倍樁徑。

模型樁的埋設過程：首先，在試驗箱的內壁每隔20 cm標示刻度，控制樁周土分成鋪設時每層土的厚度。然后，在底部放入20 cm厚的泡沫板，將模型樁放在泡沫板上并進行定位，用重錘糾正其垂直度，之后開始在樁周覆土。每填入20 cm厚度的砂之后在不同位置放入2個直徑為7 cm、高3.5 cm的鋁盒，用來取樣測定樁周土的密度和含水率。用輕便的夯錘對砂土進行一定程度上的夯實，并用重錘校正模型樁的垂直度。之后，再進行下一層砂土的鋪設。砂土的松密通過夯錘的夯實力度和夯實次數來控制。模型樁埋設完畢之后放置2 d，待土體變形穩定后進行加載試驗。本次前后共進行了兩次試驗，第一次試驗的樁周土相對密實一些，第二次試驗的樁周土相對松散。

3 加載試驗過程

圖1為整套加載設備的照片。加載裝置為型鋼梁-砝碼聯合加載裝置，在加載梁一端分級放置砝碼并記錄樁身應變、樁頂荷載和沉降。加載前需要對模型樁的極限承載力進行預估，來擬定每級荷載的加載增量。在每級荷載作用下的模型樁沉降穩定之后再施加下一級荷載。考慮模型試驗的尺寸效應和相關研究[5]，采用小于0.01 mm/4 min作為沉降穩定標準，當某級荷載作用下的樁頂沉降量為前一級荷載樁頂沉降量的5倍時即認為已破壞，停止加載。

圖1 加載設備Fig.1 Pictures of the whole loading equipments

試驗結束后，將埋設在模型箱里的鋁盒挖出，利用所得土樣進行試驗，測定樁周砂土的密度及含水率。樁周砂土的含水率隨深度幾乎沒有變化，平均含水率為1.2%，基本為干砂。圖2為兩次試驗樁周砂土的密度隨深度的變化曲線。通過顆粒級分試驗得到樁周砂土顆粒級配曲線，如圖3所示。

對模型試驗的砂土取樣進行一維壓縮試驗和常規三軸試驗，測定樁周砂土回彈指數為0.002，壓縮指數為0.019，內摩擦角為34.6°。

圖2 樁周砂土的密度與深度變化曲線Fig.2 Density-depth curves of sand

圖3 樁周砂土顆粒級配曲線Fig.3 Grading curve of size distribution of sand

4 試驗結果分析

4.1 荷載-沉降曲線的分析

圖4為兩次靜載荷試驗得到的樁頂荷載與樁頂沉降曲線。達到極限承載力時，各模型樁均發生明顯的刺入破壞，荷載沉降曲線的拐點非常明顯。由圖4(a)可見，第一次試驗中直徑60 mm和90 mm直樁的極限承載力分別為0.46 kN和1.07 kN；螺距為 60 mm和 90 mm螺紋樁的極限承載力分別為0.193 kN和1.986 kN。2根螺紋樁的極限承載力約為相同內徑直樁的 4倍，或相同外徑直樁的 2倍。比較兩根螺紋樁的極限承載力相差不多，但螺距 60 mm螺紋樁在極限承載力下的樁頂沉降量較小。由圖 4(b)可見，第二次試驗中直徑為 60 mm和 90 mm直樁的極限承載力分別為 0.33 kN和0.77 kN；螺距90 mm和60 mm螺紋樁的極限承載力分別為0.93 kN和0.114 kN。螺紋樁的極限承載力為相同 內徑直樁的 2.82～3.45倍，或為相同外徑直樁的1.21～1.48倍。螺距60 mm螺紋樁的極限承載力較大，且在極限承載力下的沉降量明顯小于螺距90 mm的螺紋樁。

綜上可知，相同條件下的螺紋樁極限承載力遠大于直樁。在一定范圍內，螺紋樁的極限承載和控制沉降的能力隨著螺距減小逐漸增強。比較兩次試驗結果，當樁周土的密實度增大時，螺紋樁極限承載力增大的幅度要比直樁大得多。

4.2 樁身軸力的分析

對第一次靜載荷試驗中的模型樁進行軸力分析，各模型樁樁身軸力分布如圖 5、6所示。圖 5表明，直樁樁身軸力隨著深度的增加逐漸減小，荷載均勻的傳遞到土體中。樁底阻力隨樁頂荷載增加而不斷增大，即加載過程中直樁的樁側摩阻力很快達到極限值，后期荷載主要由樁端分擔。

圖4 兩次試驗各模型樁荷載-沉降曲線Fig.4 Load-settlement curves of model piles of the two tests

圖5 直樁樁身軸力分布圖Fig.5 Axial force curves of straight piles

圖6表明，螺紋樁軸力隨著深度逐漸減小。隨著樁頂荷載的增大，軸力向樁身底部傳遞，樁身中下部軸力的衰減明顯要比上部快。加載過程中螺紋樁樁底阻力增長幅度很小，螺紋樁的樁頂荷載主要由樁側土體分擔；螺距60 mm螺紋樁的樁底阻力較小，樁側摩阻力發揮更為充分。

圖6 螺紋樁樁身軸力分布圖Fig.6 Axial force curves of screw piles

4.3 樁側摩阻力的分析

根據圖6中的軸力測試結果，對不同模型樁的樁側摩阻力進行比較分析。考慮樁頂荷載和樁端阻力的影響，取樁身-0.2～-0.8 m區間的軸力來計算各段樁側阻力，分別稱為上半段、中間段和下半段阻力。由于螺紋樁的樁側與土體的相互作用相對直樁要復雜很多，為了與直樁樁側摩阻力進行對比，采用“等效樁側摩阻力”來計算螺紋樁樁側阻力。螺紋樁某一樁段的等效樁側摩阻力等于該樁段上下兩個截面的軸力差除以由螺紋樁外徑計算的圓柱體側表面積。

圖7為不同直樁的樁側摩阻力-樁頂沉降關系曲線。由圖可見，直徑60 mm直樁的下半樁段的極限摩阻力最大，大約3.0 kPa；中間樁段次之，大約2.5 kPa；上半樁段最小，大約1.2 kPa。整個樁身段的摩阻力自上到下逐漸增大。當樁頂沉降達到2.6 mm時，各個樁段均達到極限狀態。直徑90 mm直樁的上半樁段極限摩阻力最大，大約3.0 kPa；下半樁段次之，大約為1.5 kPa；中間樁段最小，大約為1.0 kPa。整個樁身段的摩阻力呈現中間小兩端大的趨勢。當樁頂沉降達到2.8 mm時各個樁段均已經達到極限摩阻力。

圖7 直樁的樁側摩阻力與沉降關系曲線Fig.7 Skin friction-settlement relation curves of straight piles

圖8(a)為螺距 90 mm 螺紋樁的等效樁側摩阻力與沉降關系曲線。由圖可見，該螺紋樁的中間段的極限摩阻力最大，大約為10.5 kPa；下半段次之，大約為5.6 kPa，上半段最小，大約為2.2 kPa。整個樁身段呈現兩端小中間大的趨勢，當各個樁段達到極限狀態時，樁頂沉降達 8.4 mm。圖 8(b)為螺距60 mm螺紋樁等效樁側摩阻力與沉降關系曲線。由圖可見，該螺紋樁的下半段的極限摩阻力最大，大約為13 kPa；中間樁段和下半樁段相差不大，大約為 8 kPa。各個樁段達到極限狀態時樁頂沉降達7.2 mm。

圖7、8表明，螺紋樁的樁側極限摩阻力大約是與直樁樁側極限摩阻力的3.5～4.3倍。螺距 90 mm螺紋樁的等效樁側摩阻力比螺距60 mm螺紋樁小，當兩者達到極限狀態時，螺距90 mm螺紋樁的樁頂沉降要比螺距 60 mm螺紋樁大，說明在一定范圍內，隨著螺距的減小，螺紋樁的樁側極限摩阻力以及控制沉降的能力逐漸增強。

圖8 螺紋樁的等效樁側摩阻力與樁頂沉降關系曲線Fig.8 Skin friction-settlement relation curves of screw piles

極限荷載下的模型樁荷載傳遞分析見表 2。由表可見，在極限荷載下2根直壁樁的平均側阻力相差不多，但它們比螺紋樁的平均側阻力小很多；小螺距螺紋樁的平均側阻力較大。

表2 極限荷載下的模型樁荷載傳遞分析Table2 Composition of piles resistance

5 結 語

采用室內模型試驗，對螺紋樁的承載力特性進行研究，對比分析了螺紋樁與直樁承載特性的不同以及螺距對螺紋樁承載力的影響。試驗結果表明，兩根螺紋樁的極限承載力，約是與它內徑相同直樁極限承載能力的3～4倍，約是與它外徑相同直樁極限承載能力1～2倍。當樁周土密實度的增大時，同一根螺紋樁極限承載力增大的幅度要比直樁大得多。在一定范圍內隨著螺距的減小，螺紋樁的極限承載能力、樁側極限摩阻力以及控制沉降的能力逐漸增強。

[1]吳敏,李波揚. 全螺旋灌注樁-螺紋樁豎向承載力初探[J]. 武漢大學學報(工學版),2002,35(5): 109－112.WU Min,LI Bo-yang. Primary discussion on vertical load bearing capacity of screwed filling piles[J]. Engineering Journal of Wuhan University,2002,35(5): 109－112.

[2]李紅文,李雪梅,鄭俊杰. 螺紋樁的設計及應用[J]. 土工基礎,2006,20(2) : 82－85.LI Hong-wen,LI Xue-mei,ZHENG Jun-jie. The design and application of screw pile[J]. Soil Engineering and Foundation,2006,20(2): 82－85.

[3]胡煥校,劉靜,祝世平. 全螺旋灌注樁單樁極限承載力的預測[J]. 中南大學學報(自然科學版),2007,38(6):1239－1244.HU Huan-xiao,LIU Jing,ZHU Shi-ping. Prediction of single ultimate bearing capacity of screwed casting pile[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2007,38(6): 1239－1244.

[4]孫文懷,張元冬,魏厚峰. 螺紋樁在軟弱地層中的應用[J]. 華北水利水電學院學報,2009,30(3): 74－76.SUN Wen-huai,ZHANG Yuan-dong,WEI Hou-feng.Application of screw pile in weak strata[J]. Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,2009,30(3): 74－76.

[5]陳樂求. 豎向荷載下螺紋樁的承載機理及室內模型試驗研究[碩士學位論文D]. 長沙: 中南大學,2006.

[6]李成巍,陳錦劍,吳瓊,等. 灌注螺紋樁承載機理與計算方法[J]. 上海交通大學學報,2010,44(6): 726－730.LI Cheng-wei,CHEN Jin-jian,WU Qiong,et al. Bearing mechanism and calculation method of screw pile[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2010,44(6):726－730.