水平荷載作用下螺旋樁基礎試驗研究

車松陽 黃士君 王馳 屠鵬

第一作者簡介：車松陽（1994-），男，碩士，工程師。研究方向為電力工程建設。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.013

摘? 要：該文選取葉片距寬比存在差異的2種螺旋樁展開水平加載試驗，對不同水平荷載等級下螺旋樁樁頂水平位移、豎向位移、樁周土橫向及縱向應力展開分別分析，在各級水平荷載施加后5、10、15 min分別進行測量，分別得到2個螺旋樁的荷載及位移關系曲線，可據此判斷螺旋樁基礎水平加載過程中，荷載及位移、地基應力間的變化趨勢?？偨Y出葉片距寬比是水平荷載作用下影響螺旋樁極限承載力的重要影響因素，旨在為水平荷載作用下螺旋樁樁體反彎點位置的判定提供依據。

關鍵詞：水平荷載作用；位移；螺旋樁；水平加載試驗；極限承載力

中圖分類號：U655.55? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0055-04

Abstract： In this paper， two kinds of spiral piles with different blade width-to-width ratio are selected to carry out horizontal loading tests， and the horizontal displacement of spiral pile top， vertical displacement， lateral and longitudinal stress of soil around pile are respectively analyzed under different levels of horizontal load. Measurements are carried out 5 min， 10 min and 15 min after each level of horizontal load is applied. The relation curves of load and displacement of two spiral piles are obtained respectively， which can be used to judge the variation trend of load， displacement and foundation stress during horizontal loading of spiral pile foundation. It is concluded that blade width ratio is an important factor affecting the ultimate bearing capacity of spiral pile under horizontal load， in order to provide a basis for determining the position of reverse bending point of spiral pile under horizontal load.

Keywords： horizontal load; displacement; spiral pile; horizontal loading test; ultimate bearing capacity

作為高層建筑施工中常用的樁基礎，水平受荷樁的受力研究、樁基抗水平力科學設計屬于重要工作。螺旋樁屬于變截面異形樁基礎，在水平荷載作用下，葉片距寬比會對地基應力產生一定影響[1]。為明確外荷載對于螺旋樁基的影響因素及破壞規律，了解葉片距寬比對地基應力所產生的影響，分析螺旋樁水平荷載極限，有必要展開螺旋樁水平加載試驗。

1? 基于水平荷載作用的螺旋樁基礎試驗設計

1.1? 模型樁設計

模型樁設計時，需將葉片距寬比作為控制指標，應制作2個模型螺旋樁，二者葉片厚度均為0.3 cm，樁體直徑及葉片水平投影半徑分別為4.14 cm與9.1 cm，螺距應以15 cm為宜。一號螺旋樁葉片邊距設定為23 cm，葉片距寬比為3.14，二號螺旋樁葉片邊距為35 cm，葉片距寬比為5，制作螺旋樁模型時將各項數據偏差應控制在0.3 cm之內。

1.2? 試驗砂箱設計

試驗所用砂箱應采用厚6 cm的Q345鋼板作為制作材料，砂箱長、寬、高應分別設置為1.2、1、1.3 m，兩側面間對角線及側棱間均采用各邊長度均為50 cm的L型角鋼作為連接件，采用氣體保護焊方式連接，避免試驗時因土側向壓力導致側面鋼板凸起。但砂箱頂部及底部無需封死，應在上下兩側分別加焊一圈扁鋼，以免出現鋼板開裂情況。箱內底面之上分別鋪設一層10 cm厚的河石及20 cm厚的凈粗砂，并將模擬地基材料鋪于其上。

1.3? 試驗裝置設計

試驗中采用螺旋式手動機械千斤頂施加水平荷載，選用QL3.2型千斤頂，其自重為6 kg，起重高度為11cm、起重量為3.2 t。利用螺栓連接長40 cm、寬30 cm的斜向鋼板及反力架，在斜向鋼板上安放千斤頂，斜向鋼板下方與另一個斜向鋼板制成的垂直擋板相連，連接件為直徑為1.2 cm的螺栓。壓力傳感器設置于擋板及千斤頂底座之間。通過千斤頂運行使頂部角鋼傾斜向上位移，與角鋼兩端相連的鋼絲繩，利用擋板實現運動力向水平力的轉化，并通過連接在鋼絲繩一端的鋼筋棍向螺旋樁傳導水平力，利用壓力傳感器、靜態應變儀獲取螺旋樁受到水平荷載作用所產生的應變值。

1.4? 測量系統設計

水平荷載體螺旋樁基礎試驗中，需要測量3個數值，一是樁頂位移量，以2個百分表、2個磁性表座、1根槽鋼制成的基準梁共同組成的樁樁頂位移測量系統作為測量工具，需要利用2塊強度較高的磁鐵對槽鋼及試驗砂箱進行連接，要求試驗樁對基準梁無干擾。二是樁頂荷載量，測量工具為10 kN的電阻應變式壓力傳感器，此裝置應與電阻應變靜態應變儀相連接，并采用電腦采集加載數據。三是地基應力，主要利用電阻應變式土壓力計作為測量工具，0.2 MPa土壓力計準備2支，而0.1 MPa土壓力計應準備DYB-1與DYB-2兩種型號，數量分別是5支與13支。測量時采用電阻應變靜態應變儀整理數據。

2? 砂土制備及砂土力學指標檢測

本次試驗中，選用砂土作為地基材料，在砂箱中每隔15 m鋪放一層砂土，利用180 W的單相平板振動抹光機，沿箱體一側向樁周區域，以3 000次/min的振動頻率對砂土振搗3次后再鋪放下一層。埋設土壓力計的位置，應振搗后再埋設，并應按照設計振搗標高覆土，然后再實施一次振搗。需采用原位試驗、土工試驗對作為地基土的砂土進行力學指標檢測。地基原位試驗采用增加圓錐動力輕便觸探法，采用直徑2.5 cm、長度介于1.0～1.5 m的金屬桿作為觸探桿，觸探用穿心錘重量應為10 kg[2]。土地試驗共選用3種方法，一是砂土篩分試驗，以電動振篩機及0.25～10 mm標準篩作為篩分試驗工具。二是砂土直接剪切試驗，試驗工具采用應變式輕便剪力儀，直剪試驗速度設定為0.12 mm/min，直剪0.2 mm后進行數據記錄，直至樁樣剪壞方可停止。三是砂土含水率試驗，利用環刀采集試驗土樣，利用烘干法測定土樣含水率，應在105 ℃及110 ℃溫度下烘干7 h左右，冷卻后通過砂土質量稱量得出砂土含水率值[3]。通過測定，本實驗所用砂土黏聚力為6.35 kPa，內摩擦角為25.1°，含水率為30.4%。

3? 水平荷載作用下螺旋樁基礎試驗的要點

本次試驗采用單向單循環水平維持荷載法測定樁的承載性能，進而通過有限量單樁荷載試驗的統計結果得出單樁極限承載能力。通過估算得出螺旋樁極限承載力值，將單級荷載設定為1/9，以上級載荷下樁頂位移達到穩定狀態作為下級荷載施加依據，待樁基礎受損后再將荷載逐步卸除[4]。試驗前操作發現，各級荷載施加4 min左右，樁頂荷載、位移及地基應力均會達到穩定，與數據采集要求相符。分別在5、10、15 min各采集一組數據?？蓪⒓虞d荷載的2倍作為荷載卸除量，且分別在各級荷載卸除后的5 min與10 min進行一次數據采集。在千斤頂行程達到極限、土應力計微變量高于自身量程的150%、水平位移高于2.5 cm、樁身斷裂、水平位移超出前兩級位移總數及其他意外情況發生時需終止加載。在地基土中布置土壓力計時，要結合樁身荷載傳遞情況，考慮到樁土之間相互作用，還需將葉片及土之間的應力擴散規律、葉片及樁土的相互作用以及地基破壞模式等因素納入考量。

4? 基于水平荷載作用的螺旋樁基礎試驗結果分析

4.1? 樁頂荷載及位移曲線分析

4.1.1? 一號螺旋樁荷載及位移曲線分析

1）水平荷載與水平位移的關系。在土壓力計、滲壓計全部布置完成后，應于砂土地基達到穩定狀態后實施水平荷載施加，可獲取一號螺旋樁3次測量后的水平荷載及位移數據，繪制出的水平荷載及水平位移曲線圖如圖1所示。低水平荷載情況下，一號螺旋樁樁頂水平位移及荷載值呈線性關系，但在水平荷載增大時，水平位移增速同步增長，此時二者為非線性關系。在樁頂水平荷載達到200 N及250 N時，分別出現了一個突變點，在樁頂水平位移達到25 mm左右時，加載停止。

2）水平荷載與豎向位移的關系。低水平荷載時，一號螺旋樁樁頂的豎向位移并未出現明顯變化。而在水平荷載為200 N時，出現了樁周土體彈性變形，此時樁頂出現了較上一級更高的豎向位移現象。而當荷載高于250 N時，樁頂的豎向位移幅度及速度增速均有所提升，說明此時樁周土已遭到破壞。一號螺旋樁水平荷載與豎向位移的關系如圖2所示。

圖1? 一號螺旋樁水平荷載與水平位移關系曲線圖

圖2? 一號螺旋樁水平荷載及豎向位移曲線圖

4.1.2? 二號螺旋樁荷載及位移曲線分析

1）水平荷載與水平位移間的關系。二號螺旋樁與一號螺旋樁的測量時間及方式均相同，分析水平荷載及樁頂水平位移之間的關系曲線（圖3）發現，水平荷載在0～200 N時，水平荷載及樁頂位移曲線呈直線變形狀態，樁周土體具備較高彈性。而水平荷載升高至200～400 N時，地基呈彈塑性變形狀態，樁頂及加載方向間具有45°的細小裂縫。而當水平荷載超過400 N，曲線則呈現出塑性變化特征，此時樁周土已受損。

2）水平荷載與豎向位移間的關系。根據二號螺旋樁水平荷載與豎向位移關系曲線（圖4），低水平荷載情況下，二號螺旋樁同樣沒有出現較大的豎向位移。在荷載逐步增大的同時，豎向位移明顯增大，此現象與一號螺旋樁有所不同，是因為二號螺旋樁的葉片距寬比高于一號螺旋樁，葉片之間具備更厚的土層，且上部葉片覆土厚度相對較薄。二號螺旋樁突變點同樣有2個，分別出現于水平荷載100～200 N以及350～400 N。

圖3? 二號螺旋樁水平荷載與水平位移關系曲線

圖4? 二號螺旋樁水平荷載與豎向位移關系曲線

4.1.3? 2個螺旋樁卸載情況分析

卸載時，一號螺旋樁樁頂的水平位移及豎向位移均不大，最后一級卸除后，則出現了明顯的位移增大現象，而第一級荷載卸除后，豎向位移并未停止，且第二次及第三次測量，均出現了水平荷載未卸至零的現象，可能是由于位移測量裝置存在誤差或是葉片土體應力釋放作用影響所致[5]。二號螺旋樁第三次測量時同樣出現了未卸載情況，這是由于此時得到了充足的試驗數據，將此試驗改為破壞性試驗，以了解荷載升高對樁周土產生的影響。荷載增大時，樁頂水平位移量符合卸載條件，然而下部葉片附近地基土沒有被破壞，因葉片距寬比、葉片覆土厚度影響，二號螺旋樁出現了明顯失穩現象，而樁體對下部葉片周邊土體的影響更為明顯，所以水平荷載增大時，出現了樁體方向上外力傳遞持續向下的現象。

4.2? 2個螺旋樁葉片橫縱向應力對比

由于2個螺旋樁的葉片距寬比存在差異，因而二者的橫向應力變化情況有所不同。一號螺旋樁水平荷載施加時，下部葉片受壓及受壓兩側葉片應力分布增幅一致，在施加荷載達到6、7級時，才出現應力交叉現象，自7級以后，受壓側應力增速一直高于受拉側。而二號螺旋樁兩側應力自加載之初開始便呈交叉狀態，受壓側應力增速始終高于受拉側。這表示水平荷載作用下葉片距寬比對螺旋樁樁體旋轉產生了影響，葉片距寬比的變化使樁周土體的破壞程度發生了改變。葉片距寬比增大時，會導致樁土之間產生相互作用，可使螺旋樁水平極限承載力明顯增大。葉片距寬比不同時，2個螺旋樁的縱向應力也存在差異，二者上部葉片下方2個位置的應力變化趨勢幾乎無差異，初始加載時，一號螺旋樁中部葉片左側邊緣測點比下部葉片左側邊緣測點應力更大，但下部葉片右側上下2個測點相比，上方測點的應力比下方測點更高，主要是由于此樁體布置位置出現了松動所致。而二號螺旋樁上部葉片靠近螺桿測點比其左側測點的應力更低。而中部葉片下方靠近螺桿一側側點比上部葉片左側靠近螺桿測點的應力先低后高，這是由于葉片間距增大使樁體應力傳遞值出現了下降，說明水平加載作用導致螺旋樁旋轉支點發生了改變。

4.3? 水平承載螺旋樁極限荷載分析

樁頂處于自由狀態且施加低水平荷載時，靠近螺旋樁樁頂一側土是荷載的主要承受部位，荷載較低時，樁側土呈現彈性壓縮狀態，而螺旋樁樁側水平位移變化明顯。荷載增大后，水平荷載作用逐步由螺旋樁體上部向深樁側土層轉移，且螺旋樁上部附近土體逐步向塑性屈服狀態轉化。水平荷載作用下，樁型、剛度、穿越土層存在差異的情況下，樁體會呈現出不同的工作狀態，樁的水平承載力限值可體現出樁及樁側土的工作狀態。因此，可以根據水平荷載-位移梯度曲線第二直線段終點對應荷載（表1）判斷螺旋樁的水平承載極限[6]。2個螺旋樁相比，二號螺旋樁的極限承載荷載及水平位移分別高于一號螺旋樁，在地基條件差異不明顯時，葉片間距及單樁極限荷載、水平位移之間均呈正比關系，表示葉片間樁土之間的作用會隨葉片間距的增大而提高。葉片間距越大，葉片間土層厚度越大，因而土體壓縮值更高，樁土便會產生更佳的相互作用。為此，地基條件無明顯差異時，可通過降低螺旋樁葉片凈寬度、增大葉片間土柱高度2個措施強化樁側葉片間樁土作用效果，可以促進樁側葉片應力擴散，并能使單樁極限承載力有效提高。

5? 結論

在水平荷載作用下，對葉片距寬比不同的2種螺旋樁分別進行3次加載試驗發現，葉片距寬比對螺旋樁單樁荷載位移、地基應力變化、樁土之間作用均具有影響關系。葉片距寬比逐步提高時，單樁荷載位移曲線具有光滑性、位移量大的特征，單樁極限荷載判定值呈增大狀態。葉片距寬比越大，葉片間土柱變形量及樁頂位移量越大，2個螺旋樁極限荷載及位移量的差值分別為91.969 N與6.45 mm，說明土體密實度、葉片約束作用對于螺旋樁基的樁土荷載具有較高影響?？傮w而言，葉片距寬比是水平荷載作用下螺旋樁極限承載能力的重要影響因素。

參考文獻：

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