大錨片螺旋錨在粉質(zhì)黏土中的下壓承載性能

屈訟昭，郭詠華，王儀，張斌，張建明，孫清

(1.河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036；2.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，鄭州 450000；3.西安交通大學 人居環(huán)境與建筑工程學院，西安 710049)

螺旋錨基礎是一種由螺旋錨和上部承臺等構(gòu)件組成，主要利用深層土體抵抗上部結(jié)構(gòu)作用的錨固結(jié)構(gòu)體。該基礎以鋼構(gòu)件為主，施工工序少、施工簡單，可顯著減少或避免使用混凝土材料，從而極大程度上縮短施工周期。同時，螺旋錨施工時不必大范圍開挖，地表破壞范圍相對較小，環(huán)保效益明顯，尤其對生態(tài)脆弱地區(qū)。此外，螺旋錨對土體的擾動小，能充分發(fā)揮原狀土體固有強度，實現(xiàn)基礎材料節(jié)省。鑒于螺旋錨基礎的上述優(yōu)點，工程中對其進行了一定的探索性應用[1-2]。2016年，巴西某500 kV雙回線路工程中，針對軟土地基采用單腿7根螺旋錨傾斜布置基礎。在該項工程中，螺旋錨基礎應用300余基，應用率超過50%。2017年，淄博齊林電力設計院有限公司在濟青高鐵朱臺牽引站供電工程(吳磨—朱臺牽引站220 kV線路部分)對3基雙回路直線塔采用螺旋錨基礎，土質(zhì)以粉質(zhì)黏土和粉土為主。為了加速推進該基礎在輸電線路工程中的應用，國家電網(wǎng)公司于2018年設定了關(guān)于螺旋錨基礎的多個試點工程，包括：平原黏性土地區(qū)，山東濰坊官亭(高密)500 kV變電站220 kV送出工程和淄博千乘至蘆湖(至高清)220 kV線路工程；祁連山地草原環(huán)境地區(qū)，青海海北默勒至祁連110 kV線路工程。

為了對該基礎類型提供理論支撐，較多學者對其受力性能等方面進行了一定的研究。目前，關(guān)于螺旋錨基礎承載力的研究主要集中在抗拔性能方面，Demir等[3]對在黏土中的單錨進行室內(nèi)拉拔試驗，并且基于數(shù)值模擬對比分析不同埋深比對多錨片螺旋錨抗拔性能的影響規(guī)律。胡偉等[4]通過對處于中砂內(nèi)的單葉片螺旋錨上拔試驗研究，初步揭示了錨片表面土壓力的分布規(guī)律。Wang等[5-7]對處于凍土中的螺旋錨基礎上拔承載力進行了試驗研究和數(shù)值分析，闡明螺旋錨幾何尺寸對其抗拔性能的影響規(guī)律。張昕[8]詳細歸納螺旋錨基礎在上拔性能方面的研究成果，發(fā)現(xiàn)巖土的性質(zhì)對螺旋錨上拔性能及破壞模式影響很大，并基于對螺旋錨上拔受力過程中周邊土體(砂土)變形場的研究，闡明了螺旋錨上拔破壞的力學機理，建立了螺旋錨抗拔承載力計算模型，提出砂土中螺旋單錨上拔承載力的計算方法。而在實際工程中，螺旋錨除了承受上拔荷載之外，還要承受較大的豎向荷載。王希云[9]、邵康等[10]對砂質(zhì)土地區(qū)中的三盤螺旋錨進行了豎向抗壓承載力試驗研究和數(shù)值模擬分析，論證了確定螺旋錨承載力取值方法的適用性，揭示了在豎向荷載作用下螺旋錨錨桿側(cè)阻、錨片端阻以及錨桿端阻所占的比重，闡明了螺旋錨承載力隨錨盤間距改變的變化趨勢。對于其他土質(zhì)中螺旋錨的抗壓性能研究報道較少。

上述螺旋錨錨片的最大直徑為300 mm。美國喬斯林公司曾生產(chǎn)螺旋錨葉片最大直徑為395 mm，前蘇聯(lián)使用的最大錨片直徑為460 mm，日本九州電力公司在TACSR工程中使用的螺旋錨基礎錨片最大直徑為420 mm。中國目前使用的螺旋錨錨片直徑一般都在360 mm以下[11]。大錨片可以更大程度地提高該類型基礎的承載力，但基于常規(guī)錨片提出的承載力判別條件，以及螺旋錨基礎的破壞模式和相關(guān)參數(shù)對極限承載力的影響規(guī)律是否適用，需要進一步研究確定。筆者基于黏性土地區(qū)的多葉片大直徑螺旋錨基礎靜載試驗，對比討論現(xiàn)有極限承載力判別條件的適用性；建立螺旋錨基礎精細化有限元模型，通過與現(xiàn)場靜載試驗結(jié)果對比，驗證有限元模型的合理性，在此基礎上分析大葉片螺旋錨基礎在豎向壓力作用下錨桿側(cè)阻、葉片端阻的荷載分擔規(guī)律。

1 試驗場地土層評價

試驗場地在河南省駐馬店市上蔡縣蔡溝鄉(xiāng)，該地區(qū)處于淮河沖洪積平原地帶，地貌單一，地形平坦，地勢開闊。現(xiàn)場靜力觸探發(fā)現(xiàn)，地層土質(zhì)較均勻，從地表至31.5 m深度處以粉質(zhì)黏土為主，黏土狀態(tài)為可塑～硬塑，具中壓縮性。土質(zhì)呈褐黃、褐灰、灰黃等色，含鐵錳氧化物，零星見小鈣質(zhì)結(jié)核與蝸牛殼碎片，夾粉土，其中，地表1.0～2.0 m為耕土，深度14.5～16.5 m范圍內(nèi)局部為粉土。試驗中錨桿的埋深位于9～12 m，在錨桿的埋深范圍內(nèi)可以把周圍的土質(zhì)視為均勻分布的粉質(zhì)黏土，土層物理性質(zhì)指標以及力學性質(zhì)指標見表1。

表1 土層物理性質(zhì)指標以及力學性質(zhì)指標

2 螺旋錨抗壓靜載試驗與結(jié)果分析

2.1 試驗概況

螺旋錨現(xiàn)場原位試驗布置如圖1所示，現(xiàn)場采用塔位處的灌注樁基礎作為反力樁，螺旋錨1、3、5和7分為位于反力樁間約三等分點處。現(xiàn)場將反力梁與灌注樁上的預埋地腳螺栓相連，通過千斤頂向螺旋錨頂部施加壓力，如圖2所示。螺旋錨抗壓靜載試驗采用快速荷載維持法，加載按照每級60 kN依次遞增，每級加載保持10 min，加載至錨桿頂部豎向位移超過40 mm停止，卸載采用相同的方式。試驗中采用壓力表測定千斤頂油壓來換算得到施加的荷載，千斤頂量程為5 000 kN，螺旋錨豎向位移通過安裝在千斤頂下部的位移傳感器測量。

圖1 靜載試驗布置(單位：mm)

圖2 靜載試驗裝置

對4個螺旋錨進行受壓試驗研究，其中1號為埋深9 m的兩盤螺旋錨，具體尺寸如圖3(a)所示。3號為埋深9 m的三盤螺旋錨，具體尺寸如圖3(b)所示。5號為埋深12 m的兩盤螺旋錨，加工尺寸同1號螺旋錨。7號初始設計為埋深12 m的3盤螺旋錨，但在鉆入施工時由于土質(zhì)較硬，當鉆入約9 m時發(fā)現(xiàn)施工困難，現(xiàn)場臨時改為埋深為9 m的三盤螺旋錨。螺旋錨錨盤和錨桿均采用Q345B級鋼材。

圖3 螺旋錨加工尺寸(單位：mm)

2.2 試驗結(jié)果

圖4 靜載試驗結(jié)果

7號與3號均為3錨盤螺旋錨基礎，埋深均為9 m。根據(jù)試驗結(jié)果，7號承載力為3號承載力的1.15倍，而5號承載力位于兩者之間，三者均大于1號螺旋錨。可見，單錨抗壓承載力隨錨盤數(shù)量的增加而增大，隨埋深的增加而增大，3盤9 m的單螺旋錨基礎抗壓承載力與2盤12 m的單螺旋錨基礎承載力相當。

2.3 極限承載力確定方法對比

表2 不同方法確定螺旋錨承載力

2.4 極限承載力確定方法討論與建議

通過上述針對極限承載力確定方法的對比發(fā)現(xiàn)，軸向壓力作用下，由于錨片直徑較大，基礎錨桿側(cè)摩阻力完全發(fā)揮時對應的位移與錨片直徑的比值較小。如果仍然按照常規(guī)螺旋錨基礎極限承載力判別條件，通過錨盤直徑一定比例的位移對應的荷載作為承載力，則此時承載力會偏大甚至無法得到。可見，前兩種方法不適用于大葉片螺旋錨基礎。第3種方法通過對處理后的曲線做切線，找到陡降段的起始點，如圖5所示。該方法能夠較合理地找到螺旋錨基礎對應的極限狀態(tài)，說明該方法適用于黏土地層中的大錨片螺旋錨基礎。

圖5 lg P-s法確定螺旋錨桿承載力

3 靜載試驗數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 計算模型

利用有限元軟件ABAQUS對螺旋錨進行豎向加載數(shù)值模擬，為了消除邊界條件對計算結(jié)果的影響，計算模型中，土體水平范圍取為錨盤直徑的10倍，土體豎向范圍取為螺旋錨埋入深度的2倍，如圖6所示。根據(jù)實際試驗條件，對土體底部約束3個方向的平移自由度，土體側(cè)面約束水平兩個方向的平移自由度。螺旋錨基礎與土體建立接觸，接觸面的本構(gòu)關(guān)系即為相互作用的力學模型，其中包括兩個部分，分別是：接觸面的切向作用和法向作用[16]。在模擬接觸作用中法向使用硬接觸模塊“Hard Contact”，這種接觸對于兩個物體來說只有在壓緊的狀態(tài)下才會傳遞法向壓力，并且保證限制住了穿透現(xiàn)象的發(fā)生；切向作用使用的是“Penalty”罰函數(shù)，允許發(fā)生彈性滑移變形，并且設定摩擦系數(shù)為0.14。

圖6 有限元模型

在對螺旋錨基礎數(shù)值分析中，通常為了提高計算收斂效果，將螺旋盤簡化成平盤進行計算[17-20]。為了充分驗證錨盤形式對基礎承載力的影響，在同樣的邊界條件和荷載作用下，分別對錨盤為螺旋狀和平盤狀的基礎進行數(shù)值分析，對比壓力荷載下計算結(jié)果的差異性，如圖7所示。其中，在對螺旋錨盤與錨桿連接部分劃分網(wǎng)格時，先對錨桿壁沿螺旋線進行切割，以繪制出高質(zhì)量的網(wǎng)格。

圖7 不同錨盤形式數(shù)值分析結(jié)果對比

圖8 1號螺旋錨基礎下壓荷載位移曲線

3.2 參數(shù)選取

表3 金屬本構(gòu)的相關(guān)參數(shù)

3.3 有限元模型驗證

為了能夠較準確地模擬螺旋錨基礎在土中的受力情況，數(shù)值分析的第一步是進行地應力平衡。由于初始狀態(tài)的土單元在重力作用下會發(fā)生較大的豎向壓縮變形，在土與錨桿接觸面上，由于相對滑動過大而造成計算難以收斂。為了提高計算效率，在地應力平衡計算中不激活接觸面，以便較快且準確地得到初始地應力場。

為了能夠較真實地模擬錨桿周邊土體對其摩阻力，需要考慮螺旋錨鉆入土的過程中對周邊土體的擠壓效應。地應力平衡分析完成之后，激活螺旋錨與土之間的接觸面，但在此狀態(tài)下錨桿與周圍土的相互擠壓力很小，此時，螺旋錨在豎向荷載作用下，其錨頂壓力主要由錨盤承擔，而錨桿上的側(cè)摩阻力近似為0，顯然不符合基礎的實際受力狀態(tài)。為了更加真實地模擬壓力作用下的螺旋錨在土中受力情況，需要在接觸面上設置初始擠壓力。初始擠壓力的施加通過螺旋錨與土接觸面之間的過盈分析來實現(xiàn)，過盈量取錨軸的半徑。

圖9 下壓分析初始地應力場

圖10 3號、7號螺旋錨基礎數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測對比

圖11 5號螺旋錨基礎數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測對比

4 豎向荷載下螺旋錨受力性能

數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果的對比驗證了有限元模型的可靠性。采用數(shù)值分析方法分析不同等級荷載下螺旋錨軸力、側(cè)摩阻力分布和荷載分擔規(guī)律。

4.1 內(nèi)力變化規(guī)律

基于有限元計算結(jié)果，提取錨桿沿縱向的軸力、剪力和彎矩，如圖12～圖14所示。通過對比分析可知，螺旋錨在軸向壓力作用下，錨桿上的剪力和彎矩非常小，可忽略不計。

圖12 1號螺旋錨基礎的錨桿內(nèi)力圖

圖13 3、7號螺旋錨基礎的錨桿內(nèi)力圖

圖14 5號螺旋錨基礎的錨桿內(nèi)力圖

對于錨桿軸力，隨著錨頂位移的增加，軸力圖中的①區(qū)段斜率逐漸增大，說明隨著施加荷載增加，錨桿側(cè)摩阻力逐漸增大。同時，在不同錨頂位移對應下的螺旋錨基礎的錨桿軸力在錨片附近均發(fā)生突變，說明錨片在螺旋錨基礎的整個受力過程中均參與分擔，即使初始加載時荷載和位移都很小。

如圖12(a)中的區(qū)段②、13(a)中的區(qū)段②和③以及14(a)中的區(qū)段②所示，隨著錨頂位移的增加該區(qū)段內(nèi)的軸力圖斜率也逐漸增加，說明錨片之間的錨桿側(cè)阻對抵抗外部壓力是有貢獻的，并且與區(qū)段①保持著同樣的規(guī)律，但是該區(qū)段軸力圖的斜率要小于區(qū)段①。

如圖12(a)中的區(qū)段③、13(a)中的區(qū)段④以及14(a)中的區(qū)段③所示，該部分的軸力在0附近，說明該區(qū)段以上的錨盤端阻力和錨桿側(cè)摩阻基本上已經(jīng)全都抵消掉了外部壓力的作用，同時也說明了錨桿底部端阻在整個受力過程中幾乎不發(fā)揮作用。

4.2 側(cè)向摩阻力變化規(guī)律

通過對錨桿內(nèi)力的分析可知，錨桿側(cè)摩阻在螺旋錨基礎的整個受力過程中發(fā)揮著重要作用，如圖15～圖17所示，隨著錨頂位移的增加，錨桿側(cè)摩阻逐漸增大。這是由于螺旋錨在軸向壓力作用下會發(fā)生向下的整體位移，土體與螺旋錨的接觸面存在摩擦力，螺旋錨周邊的土體會隨著基礎一同發(fā)生向下的壓縮變形。隨著壓力的增大，土體的豎向壓縮也隨之增大，土體越來越密實并且對螺旋錨基礎的擠壓力也越來越大，錨桿的側(cè)摩阻也隨之增大。

圖15 1號螺旋錨基礎的錨桿側(cè)向摩阻力

圖16 3、7號螺旋錨基礎的錨桿側(cè)向摩阻力

如圖15～圖17所示，螺旋錨基礎葉片附近的錨桿側(cè)阻會突變減小。對葉片附件的土體變形分析可知，螺旋錨葉片在壓力作用下會發(fā)生下凸變形，變形后的葉片會對周圍土體產(chǎn)生側(cè)向外推，從而使葉片附近的土體與錨桿脫離，如圖15～圖17中的(b)所示，脫離部分的摩阻力為0，未脫離部分仍然保持著原有的摩阻力，但葉片之間的錨桿側(cè)摩阻整體來說還是削弱了。

4.3 荷載分擔規(guī)律

通過分析可知，螺旋錨基礎在軸向壓力的作用下，其抵抗力主要由錨桿側(cè)摩阻和錨片端阻來提供，錨桿端阻基本上不發(fā)揮作用，螺旋錨基礎的荷載分擔如圖18所示。對于小葉片砂土中的螺旋錨基礎，在豎向受荷過程中，首先是錨桿側(cè)摩阻發(fā)揮作用，其次各個葉片由上至下相繼發(fā)揮端承作用，最后下部葉片和錨桿底部發(fā)揮端承作用繼續(xù)承擔上部荷載[10]。但是，對于大錨片黏土中的螺旋錨卻顯示出不一樣的分擔規(guī)律，見表4～表6，在荷載施加過程中，不同錨片之間分擔的荷載基本相等，且錨片端阻分擔的荷載占螺旋錨基礎上總荷載的75%～90%，可見大葉片螺旋錨基礎可以視為端承摩擦型樁。

圖18 螺旋錨基礎的荷載分擔示意圖

表4 1號螺旋錨基礎荷載分擔比例

表5 3、7號螺旋錨基礎荷載分擔比例

表6 5號受壓錨荷載分擔比例

對比表4和表6可知，對于大葉片螺旋錨基礎，當葉片數(shù)量不變時，隨著埋深的增加錨桿側(cè)摩阻所占的比重增加。對比表4和表5可知，螺旋錨基礎埋深不變時，隨著錨片數(shù)量的增加，錨桿側(cè)摩阻所占的比重降低。

隨著施加荷載的增大(表4)，螺旋錨基礎最上部錨片和最下部錨片承擔荷載的比例都有所降低。其主要原因是，錨片彎曲變形降低了與土體的有效接觸面，從而減少了錨片的承擔荷載比例，且上部錨片承擔的荷載比例基本上均略大于下部錨片。

隨著施加荷載的增大(表5)，螺旋錨基礎最上部錨片承擔荷載的比例隨之降低，中部錨片承擔的比例同步增加，下部錨片承擔荷載比例基本不變。說明隨著荷載的增大，上部錨片的變形要大于中部錨片，隨著變形的不斷加大，上部錨片承擔的部分荷載傳遞到中部錨片。在螺旋錨受力過程中，上部錨片承受荷載的比例最大，中部錨片隨著施加荷載的增加，承擔荷載的比例逐漸增大，并且在錨頂位移大于25 mm時，其承擔比例大于下部錨片。

隨著施加荷載的增大(表6)，螺旋錨基礎最上部錨片承擔荷載的比例基本不變，而下部錨片承擔的荷載比例逐漸減小。

綜上所述，大葉片螺旋錨基礎隨著施加荷載的增加，在不同錨片個數(shù)以及不同埋深的條件下，各個錨片端阻和錨桿側(cè)摩阻分擔荷載的比例發(fā)生不同規(guī)律的變化，最大變化幅值約為8%。錨片分擔荷載的比例占據(jù)螺旋錨基礎受荷過程的總荷載75%以上，各個錨片分擔荷載比例最大差異約為6%。

5 結(jié)論

基于粉質(zhì)黏土場地的大錨片螺旋錨基礎的現(xiàn)場靜載試驗和數(shù)值模擬，分析基礎在豎向壓力作用下極限承載力的確定方法和荷載傳遞特性，得到以下結(jié)論：

1)對于大錨片螺旋錨基礎，采用lgP-s方法確定極限承載力較Livneh & EL.Naggar法與修正的Davisson法更合理。

2)螺旋錨在軸向壓力作用下，錨桿上的剪力和彎矩與軸力相比非常小，可忽略不計。隨著施加荷載增加，錨桿側(cè)摩阻力逐漸增大。在不同錨頂位移對應下的螺旋錨基礎的錨桿軸力在錨片處均發(fā)生突變，錨片在螺旋錨基礎的整個受力過程中均參與承擔外部壓力。

3)大錨片螺旋錨基礎隨著施加荷載的增大，在不同錨片個數(shù)以及不同埋深的條件下，各個錨片端阻和錨桿側(cè)摩阻分擔荷載的比例發(fā)生不同規(guī)律的變化，最大變化幅值約為8%。錨片分擔的荷載占據(jù)螺旋錨基礎受荷過程的主要部分(75%以上)，各個錨片分擔荷載比例最大差異約為6%。建議在實際工程中盡可能將葉片布置在承載力較高的土層中，并且各個錨片可近似認為對基礎的承載力貢獻相同。

未來的研究工作中需進一步對大錨片螺旋錨基礎在不同的錨片數(shù)量和間距下進行參數(shù)分析，以揭示大錨片螺旋錨基礎在壓力荷載作用下的內(nèi)力傳遞機理和不同錨片之間的分配機制，為該類型基礎承載力計算理論研究提供支撐。