螺旋钢桩抗拔特性的现场试验研究.docx

螺旋钢桩抗拔特性的现场试验研究王达麟1，肖大平2，吴春秋2，严驰1（1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.中国建筑科学研究院，北京100013）摘要：根据螺旋钢桩现场抗拔试验中 61 根试验桩的监测数据绘制 q-s 曲线，推算各类桩型的平均极限承载力，分析桩长、叶片数量、叶片间距、首层叶片埋深、叶片直径等参数对螺旋钢桩极限抗拔承载力的影响，试验结果表明螺旋钢桩的极限 抗拔承载力随桩长和叶片直径而增加，叶片间距和首层叶片的埋深均存在临界点。分别通过慢速加载法和快速拉拔法测 试螺旋钢桩桩极限抗拔承载力，快速拉拔法测得的极限承载力平均值约为慢速加载法极限承载力的2.0 倍。 关键词：螺旋钢桩；桩体参数；抗拔极限承载力；慢速加载法；快速拉拔法中图分类号：tu413.4；tu473.13文献标志码：a文章编号：1004-9592（2013）04-0024-04study on field test of pullout property of screw steel pilewang dailin1，xiao daping2，wu chunqiu1，yan chi1（1.school of civil engineering，tianjin university，tianjin 300072，china；2. china academy of building research，beijing 100013，china）abstract：according to the pullout test data on 61 pieces of screw steel piles，qs curve is drawn to calculateaverage ultimate bearing capacities of various piles. the ultimate pullout capacity of screw steel pile is analyzed in aspects of the distance between helices，the depth of first helix，the length of pile，the diameter of helix and thenumber of helices. the test results show that the ultimate pullout capacity of screw steel pile becomes higher with increasing of the length of pile and diameter of helix，and the critical points exist for the distance between helices and the depth of first helix. the average ultimate pullout capacity of screw steel pile measured by quick pullout test is about 2.0 times the value measured by slowspeed loading test.key words：screw steel pile；pile parameters；ultimate pullout capacity；slowspeed loading test；quick pullout test螺旋钢桩的历史最早可追溯到18 世纪30 年代，早期主要是作为抗拔锚桩，19 世纪 80 年代后在美 国、澳洲和欧洲被广泛应用。由于螺旋钢桩施工方 便，具有成本低、可回收等优点，可满足抗压、抗拔和 抗水平力等各种工程要求，在水利、电力、交通、石油 和市政建筑等方面逐步得到推广应用1-2。国外学 者们通过对螺旋钢桩抗拔承载力的研究，总结出 3 种螺旋钢桩抗拔承载力的计算方法3-4；董天文等学 者认为螺旋桩的极限承载力取决于设计螺距是否满 足控制螺距的要求5-7；王钊等学者也对螺旋桩的受力模式和计算方法进行了分析研究8-11，上述相关研究均未就螺旋桩的桩体几何参数对承载力的影响进 行深入探讨。另外，由于较少进行螺旋桩的现场抗 拔试验，在一定程度上影响了对螺旋钢桩抗拔特性 的认识。2012-032012-04 我们在天津静海某试 验基地内，专门针对 61 根螺旋钢桩进行现场抗拔试 验，通过试桩的实测荷载和位移数据分析其极限抗 拔承载力，探讨桩长、叶片数量、直径、间距、首层叶 片埋深等参数对螺旋钢桩抗拔极限承载力的影响， 可供螺旋钢桩的优化设计和工程应用参考。1螺旋钢桩抗拔试验的概况天津静海某试验基地属冲积平原地貌，试验场收稿日期：2012-12-12作者简介：王达麟（1987），男，硕士，助理工程师，主要从事岩土工 程方面的研究。地平整，面积 50.0 m40.0 m，场地的稳定地下水位第4 期王达麟，等：螺旋钢桩抗拔特性的现场试验研究25在 6.0 m 以下，场地从上到下依次分布着：主要由粉质粘土组成的可塑状人工填土层，层厚约 0.3 m；含 氧化铁和云母的可塑状粉质粘土层，层厚约 6.0 m， 压缩模量为 6.3 mpa，粘聚力 30.33 kpa，内摩擦角为25；含云母、贝壳和有机质中密状的粉土层，层厚 约9.0 m。螺旋钢桩抗拔试验中桩型对比试验共分 6 个组次，试桩总数61 根，试桩的螺距均为120 mm。抗 拔试验采用的螺旋钢桩示意，见图 1。固，用卡具将转接件的另一端与钢筋相连，并保证钢筋与试验桩轴线重合。试验加载时采用 100 kn 的 油压穿心千斤顶加紧钢筋，采用工字钢双支座，由天 然地基提供支座反力，采用量程 50.0 mm 的位移计 测量试桩加载过程中的竖向变形，在试桩顶部对称 安置2 支位移计，位移量取其平均值。试验中采用慢速维持荷载法加载，根据估算的 单桩极限承载力确定设计加载量，试验单级荷载取 设计加载量的 1/101/8。当施加本级荷载后桩顶 位移大于前级荷载位移的 5.0 倍时，或当桩顶累计 位移100 mm 时，或当试验荷载达到钢筋抗拉强 度标准值的 0.9 倍时12，可终止加载。抗拔试验中 的打桩设备和加载装置，见图 2。图1 抗拔试验采用的螺旋钢桩示意1.1 抗拔试验的理论依据根据相关文献经理论分析，螺旋钢桩的极限抗 拔承载力会随叶片间距而变化，可分别采用“连续剪 切筒法”和“单盘承载力叠加法”等进行计算分析1，12。 当叶片间距较小时可采用连续剪切筒法，根据建筑 桩基技术规范（jgj 942008）12 第 5.4.6 条的相关规定，连续剪切筒法单桩竖向抗拔极限承载力 tu= gp+ ts1+ts2，其中：gp 为螺旋钢桩、叶片间土体和受叶 片影响破坏土柱的自重之和；ts1 为由桩顶至首层叶片间钢桩与周围土体之间的极限侧摩阻力，钢桩计算长度应扣除受叶片影响的范围；ts2 为叶片之间土 柱和受叶片影响破坏的土柱与周围土体间的极限侧 阻力，选取受叶片影响的破坏土柱长度时可参考建 筑桩基技术规范的相关规定。当叶片间距超过一定范围后，不能再将 2 个叶 片间视为整体，各叶片将单独起作用，即单盘承载力 叠加法，桩的抗拔极限承载力可视为各叶片极限承 载力之和，各层叶片的极限承载力 tsi=ahx（cnc+qnq），其中：ah 为叶片投影面积；x 为抗拔系数；nc、nq为承载力系数；c 为土的粘聚力。1.2 试验设备与方法由专业打桩设备通过施加扭矩使试桩进入地 下，针对本次试验桩的特点，采用直径 16.0 mm 的钢 筋制作了专用转接件，将转接件的一端与试验桩紧图2 抗拔试验中的打桩设备和加载装置2螺旋钢桩抗拔试验数据分析根据对 6 组试桩上拔荷载与桩顶位移关系曲线（q-s 曲线）的分析，研究桩长 l、叶片直径 d、叶片间距 s、首层叶片埋深 h 和叶片数量等参数对螺旋钢 桩抗拔极限承载力和基础破坏形态的影响，以 q-s 曲线拐点法来判定桩的极限承载力。2.1 桩长和叶片直径对抗拔极限承载力的影响第 1 组试验中，试桩桩身直径 d=76.0 mm，采用 d=236 mm 的单叶片布置，首层叶片与桩端的距离 h=100 mm，桩长分别取 0.8、1.28、1.76 和 2.0 m；第 2 组试验中，试桩桩长 l=1.6 m，桩身直径 d=76.0 mm， 采用双叶片布置，首层叶片与桩端的距离h=100 mm，港工技术第50 卷26叶片间距 s=600 mm，叶片直径分别取 136、176、236和276 mm。当第1 组单叶片螺旋钢桩的长度由0.8 m 增加到 2.0 m 时，单桩抗拔极限承载力从 11.0 kn 增 加到 21.0 kn，呈线性增加趋势；当第 2 组双叶片螺 旋钢桩的叶片直径由 136 mm 增大到 276 mm 时，单 桩抗拔极限承载力从 14.6 kn 增加到 30.6 kn，大致 呈线性增加趋势。2.2 叶片埋深对基础破坏形态的影响由于螺旋钢桩为变截面桩，首层叶片埋深会影 响桩基础的破坏模式和桩的抗拔极限承载力，可以 根据首层叶片埋深确定基础的破坏模式，首层叶片 埋深小于临界深度时螺旋钢桩发生浅基础破坏，反 之则发生深基础破坏1。第 3 组试验中，试桩桩长 l=2.0 m，桩身直径d=76.0 mm，单层叶片直径d=236 mm， 叶片与桩端的距离 h 分别为 0.46、0.7、0.94、1.18、1.42 和 1.66 m。各桩型 h/d 值与单桩抗拔极限承载力的关系曲线，见图3。图5 各桩型s/d 值与单桩抗拔极限承载力的关系曲线2.3叶片间距对抗拔极限承载力的影响第 4 组试验中，试桩桩长 l=2.0 m，桩身直径 d=76.0 mm，采用双叶片布置，叶片直径 d=236 mm。 首层叶片与桩端的距离 h=100 mm，叶片间距分别 取 0.24、0.48、0.72、0.96、1.2 和 1.44 m。各桩型 s/d 值与单桩抗拔极限承载力的关系曲线，见图5。由图 5 可知，随着叶片间距的增大，单桩抗拔极 限承载力先增大后减小，当 s/d=3.04.0 时单桩抗 拔极限承载力达到最大值 34.0 kn。分别采用 1.1 节 中的“连续剪切筒法”和“单盘承载力叠加法”计算单 桩极限承载力，其中受叶片影响的破坏土柱长度取5.0 d，极限侧摩阻力取50.0 kpa，土的粘聚力取30.0 kpa， 抗拔系数取 0.7。将计算值与实测数据对比可知，当 s/d4.0 时，实测数据与单盘承载力叠加法 的计算值比较符合，随着叶片间距的变化，单桩极限 承载力的计算模式也不同。由此可判断当叶片间距 约为叶片直径的 3.04.0 倍时，桩的抗拔极限承载力 最大，2 种计算模式大致以s=4.0d 为分界点。2.4叶片数量对抗拔极限承载力的影响第 5 组试验中，试桩桩长 l=2.0 m，桩身直径 d=76.0 mm，叶片直径 d=236 mm。首层叶片与桩端 的距离 h=100 mm，以双叶片螺旋钢桩为基础将叶 片数量增加至 3 道，叶片间距 s=0.72 m，并与第 4 组 双叶片桩的试验数据进行对比分析。双叶片和三叶 片螺旋钢桩q-s 曲线的对比，见图6。图3 各桩型h/d 值与单桩抗拔极限承载力的关系曲线由图 3 可知，随着叶片埋深的增大，螺旋钢桩的抗拔极限承载力呈现先增大后减小的趋势，当 h/d由 1.95 增 加 至 3.98 时 ，单 桩 抗 拔 极 限 承 载 力 从25.0 kn 增加到 34.0 kn，试桩周围的土体均出现表 层开裂，符合浅基础破坏模式的破坏形态。当 h/d 增大至 5.0 时，地面没有出现贯通的滑裂面，q-s 曲 线在加载初期表现为位移随荷载加大而均匀增加， 然后开始出现塑性变形，直至最后发生破坏，h/d 值 继续增大后，基础破坏形态与之类似，说明当 h/d5.0 时，螺旋钢桩基础发生深基础破坏。螺旋钢桩发 生浅基础破坏时的地表裂缝，见图4。图6 双叶片和三叶片螺旋钢桩q-s 曲线的对比由图 6 可知，s=1.44 m 双叶片桩的 q-s 曲线属于图4 螺旋钢桩发生浅基础破坏时的地表裂缝第4 期王达麟，等：螺旋钢桩抗拔特性的现场试验研究27陡降型曲线，单桩抗拔极限承载力平均值为25.0 kn；s=0.72 m 双叶片桩和与三叶片桩的 q-s 曲线均为平 缓型曲线，单桩抗拔极限承载力平均值分别为34.0 kn 和 37.0 kn。当 s=0.72 m 时，双叶片桩的抗拔极限承 载力仅比三叶片桩小约 8.0 %，而三叶片桩显著与 s=1.44 m 的双叶片桩相比，其单桩抗拔极限承载力 显著提高约 48.0 %，说明当双叶片桩的叶片间距过 大时，适当增加中间叶片数量能够起到提高螺旋钢 桩抗拔承载力的作用。2.5不同测试方法的单桩抗拔极限承载力针对双叶片螺旋钢桩分别采用快速拉拔法和常 规慢速加载试验测得单桩抗拔极限承载力，共检测10 根试验桩，将 2 种测试方法的试验值进行对比。 根据线性拟合结果，拟合趋势线方程为 y=1.821 8x， 其中 x 为常规慢速加载试验测得的单桩抗拔极限 承载力；y 为按快速拉拔法测得的单桩抗拔极限承 载力。时应采用“单盘承载力叠加”法计算单桩抗拔极限承载力，2 种计算模式的分界点在s/d=4.0 左右。3）采用快速拉拔法检测的单桩抗拔极限承载力 可达常规慢速加载试验检测值的2.0 倍左右。致 谢本次螺旋钢桩试验得到了诺斯曼（北京）能源科 技有限公司的大力支持，在此表示诚挚的谢意。参考文献：1 helical pier foundation systemsr.centralia：chance a b，2000：1-12.2 詹金林. 螺旋锚技术在静载试验测试工程中的应用j.土 工基础，2012，26（1）：63-66.3 clemence s p，peper f d. measurement of lateral stress around multi-helix anchors in sand j.geotechnical testing journal，1984，7（3）：145-152.4 hoyt r m，clemence s p. uplift capacity of helical anchors in soil/the 12th international conference on soil mechanics and foundation engineeringc. 1989.5 董天文，梁力，黄连壮，等.螺旋桩基础抗拔试验研究j. 岩 土力学，2009，30（1）：186-190.6 董天文，梁力，王明恕，等.极限荷载条件下螺旋桩的螺距 设 计 与 承 载 力 计 算 j. 岩 土 工 程 学 报 ，2006，28（11）：2031-2034.7 董天文，梁力，王炜，等. 抗拔螺旋桩叶片与地基相互作用 试验研究j.工程力学，2008，25（8）：150-155.8 王钊，刘祖德，程葆田.螺旋锚的试制和在基坑支护中的应 用j.土木工程学报，1993（4）：47-53.9 郭方胜.螺旋锚垂直抗拔承载力室内试验研究j.武汉冶金 科技大学学报，1997，20（2）：223-229.10 王杰，孙海峰，杜秋男，等.双锚片螺旋锚抗拔承载力研究j.沈阳建筑大学学报：自然科学版