螺旋锚桩由于易于安装[1]、承载能力强[2]、成本低[3]等诸多优点在输电线路[4]、海洋工程[5]和民用建筑[6]等工程中得到了越来越广泛的应用。螺旋锚桩的拉拔承载机理因螺旋叶片[7]的存在而表现出与常规桩基础显著的差异，其承载力很大程度上取决于叶片的直径、间距、数量和埋置深度等因素[8]，而非桩体本身。目前, 这方面的研究也主要针对上述因素的影响而展开。如刘福天等[9]对螺旋锚桩模型试验的数据进行了回归分析，探讨了埋置深度和叶片直径对极限承载力的影响。Demir等[10]则同时进行了数值模拟和室内模型试验，对比分析了多叶片螺旋锚桩在不同埋深比下桩的抗拔性能变化规律。郝冬雪等[11]对砂土中的螺旋锚桩进行了室内1g模型的试验研究，并考虑了叶片间距及数量对上拔承载特性及承载力影响。
浅埋螺旋锚桩拉拔过程中的锚桩-土整体和锚桩的平面受力分析如图 1所示[2]。若忽略由于叶片倾角而引起的拉拔过程中不能抵消的叶片表面摩阻力，则锚桩-土整体主要承受土体破裂面上的正压力N1、N2及相应的摩阻力f1、f2，土体对叶片下表面的土压力合力F下、锚桩及土体自重WS+P、上拔荷载T。但现有研究成果对破裂面的形式尚未形成较为统一的认识[12]，故上述大部分力学量的大小无法直接测量或准确计算。以锚桩为研究对象，其在竖直方向主要受叶片上下表面的土压力合力F上和F下、桩体自重WP、桩表面的摩阻力Ff、上拔荷载T。若能掌握拉拔过程中叶片上下表面土压力的变化规律，则可根据力学平衡关系直接计算出上拔荷载，继而确定螺旋锚桩的拉拔承载力，但目前尚未有关于叶片表面土压力分布规律的研究，理论分析中一般假定以主动土压力或被动土压力来进行计算[13]。
笔者拟通过对浅埋的自制全尺寸单叶片螺旋锚桩在试验砂箱中进行竖向拉拔试验，分析其安装扭矩、埋置深度和极限抗拔承载力三者之间的相互关系，重点通过嵌入叶片上下表面的微型土压力盒测量拉拔过程中叶片表面土压力的分布情况及变化规律，以验证通过叶片表面土压力来计算螺旋锚桩拉拔承载力的可行性。
试验采用自制的全尺寸单叶片螺旋锚桩和大型砂箱，对不同埋深下的螺旋锚桩进行竖向拉拔，获得拉拔荷载-位移曲线；通过嵌入式微型土压力盒测得拉拔过程中叶片表面不同位置处的土压力。
试验所用单叶片螺旋锚桩制作材料为Q235钢，桩身长度l=1 m，圆环形截面，外径d=60 mm，管壁厚s′=5.5 mm；叶片直径D=300 mm，叶片厚度s=10 mm，叶片倾角θ=16.5°，顺时针螺旋向下，螺距为150 mm，叶片通过套箍和桩体铆接在一起。桩身顶部焊接法兰盘以连接扭矩测量仪。螺旋锚桩模型示意及实物如图 2所示。
叶片厚度为10 mm，微型土压力计的厚度为6 mm，故可在叶片上表面或下表面开与土压力计等大的圆槽，并根据土压力计的分布情况开设线槽。将土压力计放入圆槽中，用速干胶固定并尽量保证其表面与叶片表面高度一致，且周围与叶片间无间隙。整理土压力计电缆，使其通过线槽统一引向桩身与叶片结合处的布线孔，经由桩身内部从桩顶穿出，从而减小电缆与土体的相互作用。土压力计的嵌入安装以最大限度地保证叶片表面土压力大小的量测少受土压力计本身的影响为原则。螺旋叶片上下表面的土压力盒沿叶片径向呈对角排列，如图 3(a)、(b)所示，上表面土压力盒编号为1~12，下表面土压力盒编号为13~24，具体分布如图 3(c)所示。
自制砂箱尺寸为2 400 mm×2 400 mm×1 500 mm。试验时，螺旋锚桩安装在砂箱正中，桩中心距砂箱任一边界的垂直距离为叶片半径的8倍，故可忽略拉拔试验时边界条件的影响。砂箱所用钢板为Q345钢，厚度8 mm，角部使用角钢通过4个螺栓连接。角钢尺寸为L50×50，以保证试验箱的侧向刚度。砂箱上面设置加载横梁，通过千斤顶施加荷载，实物如图 4所示。
试验所用砂土为在南渡江取的河砂，通过网筛除去大颗粒后分8层铺设, 每层压实到预设标准后再铺设下一层。经过相应的物理力学试验测试，得到所用砂土颗粒级配曲线如图 5所示。
基本物理力学参数如表 1所示。
试验所测数据包括安装扭矩、桩顶竖向位移和荷载、叶片上下表面土压力。桩顶拉拔荷载由电阻应变式拉力传感器进行测定，拉力传感器与电阻应变式静态应变仪相连接，加载大小由显示器读数控制；桩顶位移测量系统由百分表、磁性表座和基准梁组成。基准梁采用槽钢，试验过程中保证基准梁无扰动且不受试验桩的影响；叶片表面土压力由土压力盒进行测量，通过应变仪进行数据采集并换算获得。各数据量测仪器仪表如图 6所示。
试验设置5个埋深(H=D、1.5D、2D、2.5D、3D)，每个埋深进行一个预加载试验和3个平行试验，共计20组试验。通过预加载试验以初步确定不同埋深下的拉拔极限荷载，然后在3个平行试验中将预加载试验获取的极限荷载的1/10~1/12作为分级加载增量，采用分级加载方式进行加载；每加载一级后静置30 min，每10 min记录一次土压力计及百分表读数，待桩顶位移稳定以后施加下一级荷载，直至破坏。
当出现以下情况之一时，终止加载[14]：
1) 某级荷载作用下桩顶的上拔位移量为上级荷载作用下位移量的5倍。
2) 某级荷载作用下桩顶位移为上一级荷载作用下位移量的2倍，且30 min以后桩顶位移尚未稳定。
3) 荷载与位移关系曲线出现陡降段。
4) 千斤顶量程到极限。
5) 试验中发生影响试验结果的意外情况，如锁紧钢丝绳的卡扣脱落等。
在旋入过程中通过扭矩仪实时记录安装扭矩，不同埋深下的试验结果如表 2所示。
从表中可看出：同一埋深的3次平行试验的安装扭矩大小变化幅度很小，随着埋深比的增加，安装扭矩也逐渐增大。
螺旋锚桩在受拉拔荷载作用初期，桩周土体处于弹性变形阶段，对应的拉拔荷载随位移线性增长；当荷载增大到一定程度时，叶片边缘处土体开始发生局部剪切破坏，桩周与土体间开始有相对滑移，荷载-位移曲线表现出非线性特征；随着荷载的继续增加，土体中局部剪切破坏的范围增大，并最终形成贯通至地表的破裂面，位移急剧增大，拉拔荷载达到极限值。典型的荷载-位移的非线性曲线如图 7所示，破裂面延伸至地表形态如图 8所示。
从图 7中可以看出，不同埋深比下荷载-位移曲线的弹性段、非线性段、陡升段3阶段性较为明显。取曲线陡升段起始点对应的荷载值作为极限承载力[15]，结果如表 3所示。
D不变时，随着埋置深度H的增大，螺旋锚桩极限承载力增大。当埋深比H/D从1增大到3时，极限承载力增加了近3倍，说明提高螺旋锚桩的埋置深度可有效增大其极限承载力。
不同埋深比下安装扭矩与极限承载力平均值拟合分析如图 9所示, 图中拟合式中x为埋深比, y1为极限承载力，y2为安装扭矩。
从拟合结果可以看出，安装扭矩与埋深比基本呈线性相关。螺旋锚桩安装过程中主要是要克服周围土体对叶片、桩体表面的摩阻力以及叶片切割土体所受到的阻力，而埋置深度越大，土中应力的增加使得土体的抗剪强度及表面摩阻力增大，因而所需要的安装扭矩也就越大。同时，当叶片直径D一定时，单叶片螺旋锚桩极限承载力随着埋深比的增大呈线性增大。这是因为浅埋螺旋锚桩的抗拔承载力在很大程度上取决于叶片和破裂面范围内土体的自重以及破裂面上的土压力。随着埋深比增大，破裂面长度增加，则土体自重和土压力都会相应增大，对应的抗拔承载力也就越大。进一步对比两条曲线可以发现：安装扭矩和极限承载力都随埋置深度的增大而呈线性变化，且两条拟合曲线基本呈平行关系。由此说明：安装扭矩的大小与极限承载力有着很强的线性相关性。
拉拔承载力与叶片上下表面土压力分布密切相关，故理清拉拔过程中叶片表面的土压力大小及分布情况对研究螺旋锚桩承载力具有重要意义。以下对埋深比H/D=3的试验数据进行代表性分析。
在上拔荷载作用下，叶片上表面各土压力盒埋置区域压力增量(以螺旋锚桩埋置前的读数为基准，增大为正)随加载等级的变化曲线如图 10所示。
从图 10可以看出，叶片上表面土压力增量随上拔荷载增加的变化趋势呈现出3种形式。其中, 大部分区域(区域1、2、4、5、10、12) 的土压力随着荷载的增加而显著增大；小部分区域(区域6、8、9、11) 的土压力则仅表现出微小的波动；极个别区域(区域3和7) 的土压力则有一定程度的减小。结合图 3所示的土压力盒分布区域来看，土压力随加载等级增大的区域基本上位于叶片的中部和边缘，而不变或减小的区域则是以中部和根部区域为主。取最后一级(第12级)荷载所对应的土压力增量进行区域分析如图 11所示。
从图中可以看出，从叶片根部区域(区域4和7) 到中部(区域2、5、8和10) 和边缘区域(区域1和区域9) 基本上呈增大趋势。叶片上部一定范围内的土体土体在上拔过程中会与周围土体发生相对位移而逐渐形成贯通至表面的滑裂面，而滑裂面剪阻力的竖直分量会传递至叶片，从而影响叶片上表面的土压力，这种影响从边缘到根部会逐渐减弱，从而导致叶片上表面土压力从根部到边缘逐渐增大。区域6和12上部土体可能在上拔过程中沿叶片边缘向下滑落，导致该区域的压力增量相对于其他边缘区域较小，区域3也可能是相同的原因。而还有部分中间区域(区域11) 可能是该部分土体受外部影响不大，导致该区域内始终只受其上部土体的压力，故而保持不变。而区域7则是因为其刚好处于固定叶片所用螺栓下方，导致上拔过程中土体因有螺栓阻挡而与该区域逐渐脱落致使压力增量为负。
拉拔过程中，叶片下表面土压力增量(以螺旋锚桩埋置前的读数为基准，增大为正)随加载等级的变化曲线如图 12所示。
从图中可以看出，叶片下表面土压力增量变化与上表面有明显区别，大部分区域的土压力基本保持不变，变化量多在±5 kPa以内。这与叶片在上拔过程其下表面空隙会不断得到周围砂土的填充而重新维持压力的平衡有关。区域19、22和23因处于螺旋叶片下降方向上，在上拔过程中流向该区域的砂土被锚杆下端阻挡，导致该区域与土体出现脱离，故而土压力有明显减小，增量为负值。17、18和21则因处于叶片外边缘，在上拔过程中周围土体会首先填充这些区域，而后流向其他区域，从而导致局部土压力高于其他区域，压力增量相对较大。
加载前，以桩为研究对象，在竖直方向上有式(1) 所示的力学平衡关系。
式中：F下、F上分别表示叶片上、下表面所受土压力合力，WP为桩体自重。
加载后，桩体竖向受力平衡如式(2) 所示
式中：T为竖向拉拔荷载；F下、F上分别为对应的叶片上、下表面所受土压力合力；Ff为桩土之间的摩阻力。
将式(1) 代入(2) 中得
式中：ΔF上为叶片上表面土压力合力增量; ΔF下为叶片下表面土压力合力增量。
从式(3) 可以看出，螺旋锚桩所受的竖向拉拔荷载是由叶片上下表面土压力合力增量的差值和桩土之间的摩阻力来平衡的。为了能更直观地体现出叶片表面土压力合力对螺旋锚桩承载力的贡献，现对叶片表面土压力合力做如下粗略计算，并与承载力进行比较。
根据土压力盒的分布划分所代表的区域如图 13所示。单块区域内土压力增量的合力由每块区域的面积乘以该区域内土压力盒所测压强增量来计算。结合图 3可知，叶片上下表面土压力盒均只在叶片的一半范围内有分布，故将上表面或下表面所有土压力盒计算的土压力增量合力的2倍作为该表面的总压力。据此，第12级加载所对应的上下表面计算结果分别如表 4、表 5所示。
各级加载下叶片表面土压力合力与拉拔荷载的对比如图 14所示。从图中可以看出，叶片表面土压力的合力略低于上拔荷载；在加载前期(第1~4级)，其增长速率要低于上拔荷载；在加载中期(第5~8级)，其增长速率与上拔荷载基本一致；而在加载后期(第9~12级)，则略高于上拔荷载。当达到极限承载力时，二者大小几乎一致。
根据式(3) 可知，上拔荷载与叶片表面土压力的合力之差即为桩土之间的摩阻力。在加载初期，桩土相对位移会逐渐增加，其摩阻力也会增大。但与此同时，叶片的上移会逐渐带动一定范围内的土体整体运动并伴随破裂面的开展，该范围内桩土间的摩阻力会因不存在相对位移而消失；随着整体移动土体范围的不断扩大，存在桩土间摩阻力的长度则不断减小；当破裂面贯通至地表，桩长范围内全部土体都将随锚桩一起运动，则此时桩土摩阻力减小到0。桩土之间摩阻力随加载等级的变化规律及大小如图 15所示。
为进一步验证试验结果，对该埋深比下桩土间摩阻力理论值进行估算，计算式如式(4) 所示。
式中：μ为桩与砂土之间的摩擦系数，参考许宏发等[16]进行的土-结构(钢、混凝土)剪切摩擦试验结果，取μ=0.365；S为埋深范围内桩的侧表面面积，大小等于钢管外环周长πd与埋深H之积；p为螺旋锚桩桩身表面土压力。
Ghaly等[17]对砂土中螺旋锚桩拉拔过程中应力变化的实测结果表明：桩周侧向土压力值介于静止土压力和被动土压力之间，分位值约在0.3~0.7之间变化，且埋深比越小，分位值越小，即越靠近静止土压力。据此，选取侧向土压力p计算式为
式中：K0=1-sin φ为静止土压力系数；Kp=(1+sin φ)/(1-sin φ)为被动土压力系数；p0为静止土压力，pp为被动土压力，α和β为二者的权重系数，分别取0.7和0.3；γ为砂土重度，取18 kN/m3。
将式(5) 代入式(4) 可得
Ff=(αK0+βKp)γH×μ×πdH=0.802 kN
即本试验中埋深比为3时桩土间的最大摩阻力大小理论值约为0.802 kN。该埋深比下的位移-加载等级曲线如图 16所示。
由图 15、16可以看出，随着上拔荷载的增加，桩身位移量增大，桩土间相对位移量也由下至上逐渐增加，桩侧摩阻力随之逐步发挥出来。当荷载等级在5~8级之间时，对应的位移量为7.3~14.86 mm，此时桩侧阻力也已发挥到极限值(0.82~0.86 kN)，这与砂土的极限位移在8~15 mm之间相对应[15]，侧阻力与理论值(0.802 kN)也一致。在此之后，随着破裂面的不断开展，随叶片一起运动的土体范围逐渐扩大，存在桩土间摩阻力的长度则不断减小。故从第9级荷载开始，摩阻力开始降低，直至第12级荷载破裂面贯通至地表，桩长范围内全部土体都随锚桩向上运动，摩阻力减小到0。
通过单叶片螺旋锚桩的室内全尺寸模型试验测试了安装扭矩，获取了竖向拉拔荷载-位移曲线。分析了安装扭矩和极限抗拔承载力与埋置深度之间的关系；同时, 通过微型土压力盒对叶片表面的土压力进行了测量，对其分布规律进行了分析，主要结论如下：
1) 随着埋置深度的增加，安装扭矩和极限承载力都呈线性增大，两者有着共同的影响因素，且具有较好的线性相关性。
2) 随着上拔荷载的增加，土压力增量分布整体上呈现从根部到边缘逐渐增大的趋势；叶片上表面大部分区域土压力增量显著增大，主要分布在边缘和叶片中间区域；下表面土压力增量则远小于上表面，且大部分区域基本保持不变，只有少数边缘区域增大。
3) 叶片上下表面土压力增量合力和桩土间摩阻力的发挥表现出不同的规律。前者随上拔荷载的增加而增大，不同加载阶段的增大速率有所不同，先慢后快；随着加载等级的增加，前者所占比重增大，在后期基本上与上拔荷载相等；桩土之间的摩阻力则呈抛物线型发挥，加载前期增大，中期不变，后期则逐渐减小到0；当上拔位移达到土体破坏极限位移量时，摩阻力达到峰值。
4) 可以通过测量分析叶片表面土压力的分布变化来计算螺旋锚桩的拉拔承载力，但限于本次研究中叶片镶嵌土压力盒的数量，该方法还有待进一步的试验验证和深入研究。
2017, Vol. 39 Issue (5): 31-39
PDF
2017, Vol. 39 Issue (5): 31-39
PDF