淤泥質(zhì)海岸螺旋樁的軸向承載特性研究

趙星婕，王忠岱，吳偉強(qiáng)，謝立全*

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804；3.河北建投海上風(fēng)電有限公司，河北 唐山 063000）

海上風(fēng)電場(chǎng)的高壓海纜登陸，往往需要經(jīng)由平原淤泥質(zhì)海岸。河北省唐山樂(lè)亭菩提島海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目工程，位于唐山市京唐港與曹妃甸港之間的渤海海域，場(chǎng)址中心距離岸線約16 km，風(fēng)機(jī)總計(jì)75 臺(tái)，總裝機(jī)容量300 MW，風(fēng)機(jī)外輪廓圍成的調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)面積約44.65 km2。風(fēng)電場(chǎng)區(qū)內(nèi)的電纜管線（35 kV）約92 km，220 kV 海纜登陸點(diǎn)至大清河風(fēng)電場(chǎng)陸上升壓站，采用了電纜排管敷設(shè)方式，長(zhǎng)度6.5 km，電力排管布置在新建路堤上，該新建路堤必須跨越海岸水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的大面積水域。為了控制電纜排管的差異性沉降，采用了螺旋樁，將重力荷載傳遞到更深地基中。

螺旋樁作為樁基的一種新形式，是將一片或多片螺旋狀葉片板焊接在樁體軸上的異形樁，施工時(shí)無(wú)需提前挖空，通過(guò)機(jī)械或人工手段在螺旋樁頂部施加扭矩，便可將樁旋入土中。這種螺旋樁結(jié)構(gòu)增加了軸向基底阻力，便于安裝，并可重復(fù)使用。國(guó)外對(duì)于螺旋樁基礎(chǔ)的研究比較早。1833 年，英國(guó)建筑工人Alexander Mitchell 采用螺旋樁替代英格蘭附近島嶼上燈塔錨基，抵御波浪作用，提高燈塔基礎(chǔ)耐久性。20 世紀(jì)50 年代，美國(guó)Chance 公司（A.B.Chance Co.）發(fā)明了一種能高效安裝的動(dòng)力安裝螺旋錨（Power-Installed Screw Anchor），將多層螺旋狀的葉片焊接到一根鋼管上，在樁頂施加扭矩可旋入土中[1]。Chance 公司還在輸電線塔的基礎(chǔ)工程中采用螺旋鋼管樁，并在1959 年制定了第一個(gè)有關(guān)螺旋鋼管樁的標(biāo)準(zhǔn)——PISA（Power Installed Screw Anchors）。目前已有很多研究對(duì)軸徑d 大于150 mm的單螺旋樁進(jìn)行了大量軸向現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)[2-6]。

螺旋樁的承載性能很大程度上取決于樁型參數(shù)與地基強(qiáng)度。Chance 公司[7]通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了不同樁型參數(shù)對(duì)樁的承載力的影響，揭示出對(duì)于分層式葉片樁，當(dāng)螺旋板葉片間距大約為葉片直徑的3 倍時(shí)，樁的承載力達(dá)到最大。螺旋樁基礎(chǔ)承載特性的研究在我國(guó)也引起了大量學(xué)者的關(guān)注，但多集中于承受抗拔力[8-9]的螺旋樁，大多采用理論計(jì)算、數(shù)值分析、模型試驗(yàn)及實(shí)際工程觀測(cè)等方法進(jìn)行研究。劉兵科[10]、董天文等[11-13]對(duì)螺旋鋼樁進(jìn)行了較為系統(tǒng)的理論研究和試驗(yàn)研究，提出了螺旋鋼樁在抗拔和抗壓條件下承載力的計(jì)算方法。并通過(guò)試驗(yàn)，改變樁的若干幾何參數(shù)，探究其對(duì)承載力的影響，但由于試驗(yàn)試樁數(shù)量有限，所以涉及樁的幾何參數(shù)不夠全面。

本文依托河北省唐山樂(lè)亭菩提島海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目300 MW 工程，針對(duì)其220 kV 電纜排管不均勻沉降控制的螺旋樁承載力因素，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)土體深度條件，通過(guò)改變螺旋板葉片寬度、葉片個(gè)數(shù)、葉片間距、埋深，探究極限抗壓承載力的變化規(guī)律。

1 有限元模型建立

工程中的電纜排管建設(shè)于海岸軟土之上，可按照彈性地基梁法計(jì)算其排管基底應(yīng)力。為了控制排管基底應(yīng)力及不均勻沉降的發(fā)生，在排管沿線間隔布置螺旋樁加固，降低基礎(chǔ)承載應(yīng)力。每個(gè)加固點(diǎn)，均采用排管兩側(cè)加設(shè)螺旋樁Φ114 mm，按照雙樁承載100 kN 設(shè)計(jì)。螺旋樁進(jìn)行了外側(cè)樁壁的防銹處理，并在安裝結(jié)束后進(jìn)行混凝土注漿處理，提升樁體承載性能。下面僅對(duì)螺旋樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行數(shù)值分析。

根據(jù)葉片式螺旋樁抗壓承載機(jī)理，樁徑、葉片寬度、葉片個(gè)數(shù)和葉片間距等對(duì)其極限抗壓承載力都有影響（圖1），螺旋樁的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括樁體埋深L、樁體直徑d、螺旋板葉片外徑D、螺旋板葉片螺距s、葉片寬度（D-d）/2。下面應(yīng)用商業(yè)巖土軟件ABAQUS，模擬螺旋樁在不同樁型參數(shù)下的荷載—沉降曲線（以下簡(jiǎn)稱q-s 曲線），分析極限抗壓承載力，進(jìn)而優(yōu)化樁型參數(shù)。

圖1 螺旋樁參數(shù)示意圖

基于通用有限元軟件ABAQUS 建立樁—土相互作用的計(jì)算模型，利用對(duì)稱性建立長(zhǎng)方體三維模型，總體建模原則是，樁體直徑114 mm，計(jì)算土體范圍（即正方形邊長(zhǎng)）為樁徑的10 倍，土體深度是樁長(zhǎng)的2 倍以上。下面簡(jiǎn)述模型建立與計(jì)算過(guò)程。

（1）模型單元?jiǎng)澐智闆r

樁和土體采用實(shí)體單元C3D10，單元?jiǎng)澐秩鐖D2 所示。

圖2 樁—土裝配模型整體布局圖

（2）材料屬性

土體本構(gòu)模型采用莫爾—庫(kù)侖模型，楊氏模量為50 MPa，泊松比為0.4；通過(guò)前期對(duì)螺旋樁模型進(jìn)行多次試算，得到合適的螺旋樁彈性模量為20 GPa，泊松比為0.2。

（3）模型邊界條件

邊界條件除頂面取為自由邊界外，其他面均采取法向約束。樁—土之間的接觸采用粘結(jié)材料強(qiáng)度破壞和剛度衰減的粘結(jié)接觸模型，接觸面剛度系數(shù)為100 kPa·m-1。

（4）計(jì)算步驟

模擬螺旋樁靜載試驗(yàn)的受力過(guò)程如下。

①地應(yīng)力平衡（模擬土體原始狀態(tài)）。去掉模型中的樁，僅對(duì)土體進(jìn)行自平衡分析，對(duì)樁—土接觸面（側(cè)面和底面）施加水平位移約束，再對(duì)整個(gè)土體施加自重荷載，然后用軟件自帶的Geostatic 進(jìn)行土體自應(yīng)力平衡計(jì)算，自平衡收斂條件為土體的位移要小于10-5m。自應(yīng)力平衡后土體位移為10-13m左右。

②樁土接觸計(jì)算（模擬成樁后土體對(duì)樁的荷載作用）。在模型中加入樁，放開(kāi)第一步對(duì)樁與土的接觸面（樁側(cè)和樁底），使樁土接觸，土體的荷載施加到樁上，同時(shí)計(jì)入樁自重的影響。

③樁頂施加位移荷載（模擬樁試驗(yàn)加載下沉狀態(tài)），直至樁頂向下0.05 m 位移。

2 螺旋樁的受力特性分析

通過(guò)數(shù)值模擬，數(shù)據(jù)分析可得螺旋單樁的承受q-s 曲線。為研究各種樁型的幾何參數(shù)對(duì)螺旋樁極限承載力的影響，根據(jù)q-s 曲線確定樁的極限承載力就顯得尤為重要?，F(xiàn)行樁基規(guī)范和基樁檢測(cè)規(guī)范對(duì)于靜載試樁承載力的確定有明確規(guī)定，參考相關(guān)文獻(xiàn)，歸納起來(lái)主要有第二拐點(diǎn)法、切線交會(huì)法、沉降速率法、s-lgq 曲線法[14]。本次模擬得到q-s 曲線均為陡降型q-s 曲線[15]，可以采用第二拐點(diǎn)法判斷最大承載力。下面分別改變?nèi)~片寬度、葉片個(gè)數(shù)、葉片間距，探究其對(duì)螺旋樁極限抗壓承載力的影響。

2.1 不同葉片寬度的螺旋樁樁頂q-s 曲線

選取單葉片樁，樁體埋深0.7 m（以下計(jì)算工況均采用此埋深條件），樁徑取114 mm，螺距取100 mm，螺旋板葉片寬度分別取70 mm、90 mm、105 mm、115 mm、125 mm、135 mm 進(jìn)行對(duì)比，葉片距離樁底114 mm，計(jì)算得到的承受荷載—沉降曲線如圖3 所示。

圖3 不同螺旋葉片寬度條件下的螺旋樁承受荷載—沉降曲線

根據(jù)第二拐點(diǎn)法，可以得出葉片寬度從小到大分別對(duì)應(yīng)的最大承載力分別為30 kN、40 kN、45 kN、50 kN、60 kN、65 kN、70 kN。同時(shí)，達(dá)到限制的-0.05 m 位移加載時(shí)，葉片寬度從小到大所對(duì)應(yīng)的破壞荷載也是越來(lái)越大?？梢钥闯?，在葉片個(gè)數(shù)和樁徑不變的條件下，隨著葉片寬度增大，螺旋樁的抗壓承載力提高，但當(dāng)葉片寬度超過(guò)115 mm 時(shí)，承載力提升效果不明顯。

但值得注意的是，如果葉片寬度過(guò)大，葉片與周圍土體的接觸面積會(huì)隨之增大，安裝時(shí)需要的扭矩也較大，提高了安裝成本；且葉片與樁身連接處的彎矩過(guò)大，加載時(shí)焊接處容易脫開(kāi)，導(dǎo)致螺旋樁在達(dá)到極限承載力之前，樁身連接處破壞，葉片失效。所以，在樁型選擇時(shí)，應(yīng)注意結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選取合適的葉片寬度。

2.2 不同葉片個(gè)數(shù)的螺旋樁樁頂q-s 曲線

選取樁徑114 mm，螺旋板葉片寬度90 mm，螺距100 mm 的單、雙葉片螺旋樁，其中雙葉片間距為125 mm，下部葉片都距離樁底114 mm，雙葉片螺旋樁模型如圖4 所示。

圖4 雙葉片螺旋樁模型

計(jì)算得到承受荷載—沉降對(duì)比曲線如圖5 所示。單葉片螺旋樁承載力為30 kN，雙葉片螺旋樁承載力為90 kN，承載力明顯大大提高，說(shuō)明增加葉片可增大單樁極限承載力。

圖5 不同葉片個(gè)數(shù)條件下的螺旋樁承受荷載—沉降曲線

圖6 為最大位移時(shí)單葉片螺旋樁和樁周土的豎向位移云圖?？梢钥闯?，對(duì)于螺旋葉片以上的樁周土體豎向位移遠(yuǎn)小于樁體位移，樁體與樁側(cè)土體產(chǎn)生了較為明顯的相對(duì)滑移，而螺旋葉片以下的樁周土體豎向位移，則是逐漸過(guò)渡，樁體—土體接觸面無(wú)明顯突變式滑移。從螺旋葉片以下的錐形土體位移模式可見(jiàn)，螺旋樁豎向承載力的很大一部分由螺旋葉片—樁底—土體共同承擔(dān)，且優(yōu)于普通樁（無(wú)螺旋葉片）的承載模式。

圖6 單葉片螺旋樁豎向位移云圖

圖7 為最大位移時(shí)雙葉片螺旋樁和樁周土的豎向位移云圖。螺旋樁螺旋葉片間土體在螺旋葉片的帶動(dòng)下向下產(chǎn)生較大的位移，而螺旋葉片外的土體豎向位移明顯小于螺旋葉片間的土體，說(shuō)明二者產(chǎn)生了較大的相對(duì)位移，螺旋葉片間土體和螺旋葉片外土體發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生的抗剪力則提供了螺旋樁樁側(cè)承載力。同時(shí)，螺旋葉片間部分土體和樁體的豎向位移大致相近，即螺旋葉片帶動(dòng)葉片間的土體與樁身共同發(fā)生位移，表明雙葉片螺旋樁能夠更好地將樁頂荷載傳遞至樁周土體，從而更充分地發(fā)揮樁周土體的承載能力。

圖7 雙葉片螺旋樁豎向位移云圖

總的來(lái)說(shuō)，在單盤承載破壞模式下，增加葉片個(gè)數(shù)可以提高樁的端阻力；在柱狀剪切模式下，增加葉片個(gè)數(shù)意味著增大葉片之間樁徑，從而提高了樁側(cè)摩阻力。無(wú)論是哪種模式，增加葉片個(gè)數(shù)都是可以明顯提高樁的極限抗壓承載力的。

2.3 不同葉片間距的螺旋樁樁頂q-s 曲線

取雙葉片螺旋樁，樁徑為114 mm，螺旋板葉片寬度取90 mm，葉片間距分別取100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm，下部葉片距離樁底114 mm，計(jì)算得到的樁基荷載—沉降曲線如圖8 所示。250～300 mm 之間可能存在最大值，隨著葉片間距繼續(xù)增大，承載力反而略有降低。這與Chance 公司通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的結(jié)論相同，即對(duì)于分層式葉片樁，當(dāng)螺旋板葉片間距大約為葉片寬度的3倍時(shí)，樁的承載力達(dá)到最大。

圖8 不同葉片間距條件下的螺旋樁承受荷載—沉降曲線

葉片間距可以影響螺旋樁的承載破壞模式，進(jìn)而影響其極限抗壓承載力。以100 mm、175 mm 的葉片間距為例，樁—土豎向位移云圖如圖9 和圖10所示。葉片間距較小時(shí)，螺旋樁呈柱狀剪切破壞模式，葉片間會(huì)形成土柱，并且隨著葉片間距的增加，螺旋樁底部土柱的厚度也會(huì)隨之增大，從而樁側(cè)阻力增加較多，使得樁的承載力增大。

圖9 雙葉片螺旋樁豎向位移云圖（100 mm 葉片間距）

圖10 雙葉片螺旋樁豎向位移云圖（175 mm 葉片間距）

以200 mm、350 mm 的葉片間距進(jìn)行對(duì)比，樁—土豎向位移云圖如圖11 和圖12 所示。從圖中可以看出，當(dāng)葉片間距較大，即葉片間距大于300 mm 時(shí)，螺旋樁呈單盤承載破壞模式，葉片單獨(dú)受力，葉片中間無(wú)法形成土柱，故這部分側(cè)阻力不對(duì)承載力直接發(fā)揮作用，大多忽略不計(jì)。因此在此范圍內(nèi)，隨著葉片間距的增加，端承力不變，但側(cè)阻力減小，所以樁的承載力略有下降。

圖11 雙葉片螺旋樁豎向位移云圖（200 mm 葉片間距）

圖12 雙葉片螺旋樁豎向位移云圖（350 mm 葉片間距）

由此可知，當(dāng)葉片間距較小時(shí)，可通過(guò)增大葉片間距來(lái)提高承載力；同時(shí)為了使雙葉片螺旋樁達(dá)到較大承載力，在螺旋板寬度為90 mm 的條件下，葉片間距取在250～300 mm 之間較為合適。

2.4 不同樁體埋深的螺旋樁樁頂q-s 曲線

上述模擬工況，樁體埋深較小，隨著埋深增加，其承載性能會(huì)發(fā)生變化。下面取單葉片螺旋樁，樁徑為114 mm，螺旋板葉片寬度取90 mm，樁體埋深分別取0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1 m，下部葉片距離樁底114 mm，計(jì)算得到的樁基荷載—沉降曲線如圖13 所示。

圖13 不同樁體埋深條件下的螺旋樁承受荷載—沉降曲線

從圖13 可以看出樁體埋深對(duì)控制樁基的沉降變形能力較為明顯。隨著荷載的增大，樁的沉降均越來(lái)越大，其中樁體埋深最淺的樁沉降速率最快，樁體埋深最深的樁沉降速率最慢。另外，不同樁體埋深的樁基，其q-s 曲線的拐點(diǎn)也不一。樁體埋深為0.6 m 時(shí)，樁的拐點(diǎn)出現(xiàn)在50 kN 附近，而樁體埋深為1.0 m 時(shí)，樁的拐點(diǎn)出現(xiàn)在80 kN 附近。故增加樁體埋深是增大單樁承載力的直接有效手段，這在經(jīng)濟(jì)上也是合理的。

3 數(shù)值模擬結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文模型及計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行室內(nèi)的抗壓承載力試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置布置如圖14 所示。圓形的土箱選用Q345 鋼板，板厚為3.5 mm，土箱頂面不封閉，內(nèi)空直徑600 mm，高度700 mm。

圖14 實(shí)驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)土體為上海軟土，土樣采用負(fù)載—反壓法進(jìn)行制樣并飽和，土體密度1 850 kg/m3。試驗(yàn)用螺旋鋼樁的尺寸為：樁徑114 mm，葉片寬度90 mm，螺距為130 mm。土的物理特性指標(biāo)為：比重Gs=2.72，粘聚力c =41 kPa，內(nèi)摩擦角φ=19.5°。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，可分別得到試驗(yàn)和模擬的q-s 對(duì)比曲線，具體對(duì)比結(jié)果如圖15 所示。

圖15 荷載—沉降曲線模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比驗(yàn)證

從圖15 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬值和實(shí)測(cè)值符合較好，用切線相交法判定樁的極限抗壓承載力，試驗(yàn)得到的極限承載力為37 kN 左右，而數(shù)模得到的極限承載力為40 kN 左右，相差在3 kN 左右，這說(shuō)明本模型較為符合實(shí)際情況，本文數(shù)值模擬方法具有一定的可靠性。比較其差別，可見(jiàn)試驗(yàn)中的螺旋樁入土深度小于700 mm，土層深度也是有限的，這也使得極限承載力存在差異，而且沉降模式也不盡相同，試驗(yàn)中的沉降速率更大。

4 結(jié) 論

本文基于試驗(yàn)與數(shù)值模擬的對(duì)比驗(yàn)證，并在系列數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，對(duì)較低埋深螺旋樁的承載特性進(jìn)行了研究，結(jié)果可為工程應(yīng)用提供了技術(shù)指導(dǎo)。分析研究結(jié)果，可得如下結(jié)論。

（1）相同葉片個(gè)數(shù)、樁徑條件下，隨著葉片寬度的增大，螺旋樁的抗壓承載力增大。但受到實(shí)際施工安裝等情況的限制，葉片寬度越來(lái)越大時(shí)，抗壓承載力難以得到明顯提高。

（2）螺旋葉片的個(gè)數(shù)從單葉片到雙葉片，螺旋樁極限抗壓承載力明顯增大。

（3）螺旋葉片的布置間距直接影響螺旋樁的承載破壞模式，進(jìn)而影響其極限抗壓承載力。隨著葉片布置間距的增大，螺旋樁極限抗壓承載力整體呈先增大后減小的趨勢(shì)。并且，葉片間距大約為葉片寬度的3 倍時(shí)，樁的承載力達(dá)到最大。

（4）隨著螺旋樁埋深的增大，樁基極限抗壓承載力也明顯增加。增加樁體埋深是增大單樁承載力的有效手段。

電纜排管加固的工程現(xiàn)場(chǎng)，鑒于施工條件的限制，螺旋樁采用了單葉片螺旋鋼樁Φ114 mm。埋深越大則安裝扭矩要求也越大，土體強(qiáng)度越高則安裝埋深就越小，總體上看，埋深在15 倍樁徑以上，承載力滿足設(shè)計(jì)要求。承載力影響因素及其規(guī)律也是非常復(fù)雜，本文僅限于一種土質(zhì)條件，并基于實(shí)驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，尚缺乏工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，還需進(jìn)一步研究。