螺紋樁豎向承載力及其影響因素研究

竇德功，高 倩

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

螺紋樁（如圖 1）亦稱螺旋樁或螺桿樁，是一種成樁后整個樁身或部分樁身（泥面以下部分）帶有螺紋的新樁型[1]。它跟直線型樁相比，具有比較明顯的優勢。由于樁身螺紋的存在，樁土之間的作用機理發生改變，使得單樁承載力得以提升。當螺紋樁外徑與普通直樁樁徑相同時，單樁承載力得以提升，而且螺紋樁螺紋間用土體填充，節省了混凝土的用量。施工噪音低、污染小、環境友好并且應用范圍廣，適用于多種土層。

螺牙寬度與內外徑之間的關系：

式中：k為螺牙寬度；D為外徑；d為內徑。

圖1 螺紋樁示意

國內外對于螺紋樁的研究存在一個共同的問題：研究較少且理論研究落后于工程實踐，研究成果不足以支撐螺紋樁的設計和工程應用。竇德功，魯子愛對螺紋樁承載性狀進行了分析與研究[2]，分析了螺紋樁的豎向承載機理和承載力計算方法，但未對極限承載力計算公式進行驗證，也未進行承載力影響因素分析；武漢大學的吳敏、李波揚做了螺紋樁豎向承載力初探，他們認為螺紋樁改變了樁土間的相互作用方式，其樁側阻力主要為螺牙與土體間的機械咬合力，當施加荷載達到極限時，螺紋樁沿螺牙外徑所在的圓柱面發生剪切滑移，并以飽和粘性土為例給出了螺紋樁豎向極限承載力計算公式[1]（式1）。

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值；Qsk為單樁極限側阻力總和；Qpk為單樁極限端阻力；u為樁身周長，計算時取u=πD，D為螺紋樁外徑；qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值；li為樁身穿越第i層土的長度；qpk為極限端阻力標準值；Ap為樁端面積；α為粘著力系數。

哈爾濱工業大學徐春華等進行了混凝土灌注螺紋樁設計參數的應用研究，他們采用靜載試驗及數值計算相結合的方法，分析混凝土灌注螺紋樁樁周土體應力分布情況、螺齒寬度、螺距等樁型參數對螺紋樁承載性能的影響，得出對螺紋樁承載性能的影響規律[3]，但分析的影響因素不夠全面。

1 極限承載力計算方法

1.1 豎向承載機理

螺紋樁作為一種新型樁基礎，其特殊的結構型式，改變了樁身與土體間相互作用的方式，增加了螺紋與土體的機械咬合作用力，從而提高了樁基礎的承載能力。因為土的抗剪強度要小于樁身混凝土的強度，當荷載達到極限時，樁身保持完好無損，其破壞特征是螺紋外的土體剪切強度耗盡和樁端土體受壓屈服，整個樁身有較大下沉的趨勢。

樁頂初加荷載時，樁頂某段樁體在荷載作用下產生向下微小位移，本段樁周和螺紋間土體應變較小，處于彈性階段，故稱為彈性段。彈性段樁身所受阻力由側摩阻力和機械咬合力共同承擔。當荷載增大時，彈性段樁體繼續產生向下位移，本段樁周土體應變增大，進入彈塑性階段，稱為彈塑性段，該段樁側摩阻力和機械咬合力增大，其中機械咬合力增長幅度較大。隨著荷載繼續增大，彈塑性段樁周土體應變進一步增大，進而達到屈服狀態，稱為極限段。本段樁周土體發生剪切破壞，樁體協同螺紋內部土體一起向下滑移，螺紋內部土體與樁周土體脫離，機械咬合力消失，樁側阻力僅由側摩阻力提供。在荷載傳遞過程中，樁體中軸力沿樁體向下不斷減小，極限段以下根據不同樁長依次可能出現彈塑性段、彈性段、無軸力段。當荷載繼續增大，極限段延長，彈塑性段、彈性段、無軸力段下移并逐漸消失，樁端阻力逐步增大，樁端土體受壓應變不斷增長。當樁端土體受壓屈服時，整個樁體都為極限段，此時樁體的承載能力即為螺紋樁的單樁極限承載力。樁身的受力示意見圖2。

圖2 螺紋樁的受力示意

1.2 極限承載力計算公式

根據對螺紋樁承載機理分析可知：當螺紋樁承載力達到極限時，樁體協同螺紋內部土體一起向下滑移，螺紋內部土體與樁周土體脫離，機械咬合力消失，樁側阻力僅由側摩阻力提供，側摩阻力應包括螺牙與外側土體間摩阻力和螺牙間土體與外側土體間的摩阻力。結合樁端阻力即可得到螺紋樁豎向極限承載力計算公式，如下：

式中：Quk為螺紋樁單樁豎向極限承載力；Qlk為螺紋樁整個樁身樁側極限總阻力；Qpk為樁端極限總阻力；U為螺牙間土體周長，U=πD；τfi為樁側第i層土的滑動摩擦強度；l i1為樁身螺牙間第i層土體厚度；τBi為第i層的樁土極限摩阻力；li2為極限段樁身螺牙穿越第i層土的厚度；σbp為樁端阻力為；Ap為樁端截面積。

1.3 公式驗算

為驗證螺紋樁單樁豎向極限承載力計算公式（式2）的正確性，本文以文獻[4]中的現場模型試驗結果為依據，對比分析本文公式（2）計算結果與試驗結果，確定公式計算的正確性。

為了對比螺紋樁和普通直樁的承載性能以及不同尺寸螺紋樁的承載性能，文獻中的試驗選用了不同的樁型，具體樁身參數見表1。

表1 試驗樁型及樁身參數

計算試驗中的1、3、5、6、7號螺紋樁的豎向極限承載力（4號螺紋樁非正常破壞），理論計算結果與試驗結果對比如表2。

表2 螺紋樁單樁極限承載力對比

由表2計算結果與試驗結果的對比可知：計算結果與試驗結果誤差在10 %左右，只有7號樁誤差超過20 %，誤差可以接受，螺紋樁極限承載力計算公式（2）能夠較好的對螺紋樁單樁極限承載力進行計算，對螺紋樁設計具有很好的輔助作用。

2 影響因素

螺紋樁豎向極限承載力的影響因素很多，主要分為地基土體參數因素和樁身參數因素。在實際工程設計施工中，土體參數一般為某一固定值，而樁身參數需要設計者自行確定，故對于樁身參數的研究更具有實際意義。

2.1 樁身外徑

由螺紋樁豎向承載機理分析知，在極限荷載下，樁身和螺牙間土體沿樁身外徑向下滑移，形成以樁身外徑為直徑的新樁體，所以樁身外徑對于螺紋樁極限承載力會產生影響。本文以上述試驗土體和5號樁為參考，只改變樁身外徑，得到不同樁身外徑下的螺紋樁單樁極限承載力，如表3。

表3 不同樁身外徑對螺紋樁極限承載力的影響

由表3知：螺紋樁樁身外徑對單樁極限承載力影響非常大，且隨著樁身外徑的增大，極限承載力不斷提高。

2.2 樁長

樁長不僅對單樁極限承載力會產生影響，而且會影響單樁的承載性狀以及荷載傳遞規律，例如當單樁為超長樁時，樁端承擔的荷載很小或者為零。由于現行螺紋樁成樁工藝的限制，迄今螺紋樁的施工長度只能達到三十多米，本文的極限承載力計算方法仍然適用。下面以上述試驗土體和5號樁為參考，分別計算樁長為6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m和18 m的螺紋樁單樁極限承載力，結果如表4。

表4 不同樁長對螺紋樁極限承載力的影響

由表4可知：樁長對螺紋樁極限承載力的影響很大，樁長越長，單樁極限承載力越大，但只適用在一定范圍內，當螺紋樁為長樁或超長樁時，極限承載力隨樁長增加而提高，但增加幅度較小或為零。

2.3 螺牙厚度

在保證螺牙結構安全的前提下，減小螺牙厚度有利于節省混凝土用量，同時會對螺紋樁單樁極限承載力產生影響。下面仍以上述試驗土體和5號樁為參考，只改變螺紋樁的螺牙厚度，分別取0.06 m、0.08 m、0.1 m、0.12 m、0.14 m、0.16 m和0.18 m，計算不同螺牙厚度時螺紋樁單樁極限承載力，結果如表5。

表5 不同螺牙厚度對螺紋樁極限承載力的影響

由表5可知：隨著螺牙厚度的增大，螺紋樁單樁極限承載力不斷降低，但幅度很小，所以為了提高螺紋樁的極限承載力，可以在保證螺牙結構不被破壞的前提下，適當減小螺牙厚度，同時達到節省混凝土用量的目的。

2.4 螺距

螺距的大小會對螺紋樁的極限承載力產生影響，同時影響混凝土的用量，螺距越大，混凝土的用量越節省。下面仍以上述試驗土體和5號樁為參考，只改變螺紋樁的螺距大小，分別取為 0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m和0.8 m，計算不同螺距時螺紋樁單樁極限承載力，結果如表6。

表6 螺距對螺紋樁極限承載力的影響

由表6可知：隨著螺距的增大，螺紋樁極限承載力不斷提高，由于螺距增大，樁身混凝土的用量也會減少，故設計螺紋樁時可適當增加螺距。但螺距過大時，極限承載力增加幅度降低，并且極限承載力下的極限變形不斷變大，會影響螺紋樁的工作性狀，所以螺距設計要控制在某一合理范圍之內。

2.5 螺牙寬度或樁身內徑

由螺牙寬度與樁身內外徑之間的關系可知，在外徑不變的條件下，改變內徑即是改變螺牙寬度。根據螺紋樁承載機理分析知，螺牙寬度對螺紋樁的承載性能會產生一定影響，但對螺紋樁的極限承載力影響甚小。當內徑較小時，螺牙寬度較大，在保證樁身結構不被破壞的前提下，對于節約混凝土有很好的效果。

3 結 論

1）通過對螺紋樁豎向承載機理的分析，獲知螺紋樁在豎向極限承載力作用下，樁體協同螺紋內部土體一起向下滑移，螺紋內部土體與樁周土體脫離，機械咬合力消失，樁側阻力僅由側摩阻力提供，側摩阻力應包括螺牙與外側土體間摩阻力和螺牙間土體與外側土體間的摩阻力。并獲得螺紋樁豎向極限承載力計算公式。

2）通過試驗結果驗證可知：本文螺紋樁豎向極限承載力計算公式的計算結果與試驗結果誤差基本在10 %左右，只有一個誤差超過20 %，誤差可以接受，該計算公式對螺紋樁的設計應用具有較好的輔助作用。

3）螺紋樁豎向極限承載力影響因素主要有螺紋樁樁身長度、螺距和樁身外徑，且隨著這些因素數值的增大，螺紋樁極限承載力也增大；次要因素有螺牙厚度，且螺牙厚度越小，螺紋樁極限承載力越大。