浅谈螺杆桩螺纹段长度对承载力的影响齐艳霞，梅志强，刘克伟，陶春蓉 （河南电力博大实业有限公司，郑州450051） 【摘 要】螺杆桩的承载力是由直杆段的侧阻力、螺纹段的抗剪强度和桩端的端承力组成。因螺杆桩有螺纹段，与同等条件下的完全侧阻力桩相比，承载力高很多。螺杆桩螺纹段长度对承载力的影响起到了关键因素。通过ANSYS有限元模型，考虑不同的工况条件下螺杆桩的受力情况及桩身应力分布情况，探寻螺纹段长度与桩总长的最优比值，为螺杆桩的设计提供依据。 【关键词】螺杆桩；螺纹段；承载力 【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2017.04.117 1 概述螺杆桩的承载力由4部分组成，分别是：直杆段的桩周摩阻力、螺纹段的桩周摩阻力、螺纹的端阻力、桩端的端阻力[1]。这4部分的极限承载力不是同时发生的，试验证实，螺杆桩的摩阻力先于其端阻力到达极限，上部直杆段的摩阻力先于下部螺纹段的摩阻力到达极限。此外，摩阻力的大小还与桩身位移有关。螺杆桩是一种由直杆段和螺纹段组成的变截面灌注桩，在进行螺杆桩的受力机理分析时，应分别从上部直杆段桩体和下部螺纹段桩体2个方面来分析其在竖向荷载下的受力机理[2]。 2 螺杆桩螺纹段受力机理关于螺纹段受力机理：由于螺纹的存在，使螺纹段的受力情况比一般灌注桩更为复杂。在分析螺纹段的侧摩阻力时，先不考虑由于螺纹存在而产生的端阻力仅仅把螺纹段桩周土体产生的侧摩阻力乘以提高系数。在桩体受荷之后，由于螺纹的存在，桩周土体被挤密，土体的抗剪强度得到大幅度提高，所以螺纹段的侧摩阻力要大于一般灌注桩[3]。 由于螺杆桩为部分圆柱，部分螺丝桩，在圆柱部分的受力性能与传统杆桩类似，在螺丝部分的受力性能与螺旋桩类似。根据其由直杆段和螺纹段2部分组合而成这一特点，我国几个省份的地方规范提出了将螺杆桩直杆段侧阻力、螺纹段侧阻力和端阻力公式合并即得到螺杆桩竖向极限承载力的计算公式，现举例如下[4]。 在海南省工程建设地方标准《螺杆灌注桩技术规程》（DBJ46-026—2013）中，有：  式中，Quk为螺杆灌注桩单桩竖向极限承载力标准值，kN；Qsk1为直杆段极限侧阻力标准值，kN；Qsk2为螺纹段极限侧阻力标准值，kN；Qpk为螺杆灌注桩极限端阻力标准值，kN。 其中，Qsk1=πΣDqsikli 式中，D为直杆段桩径，m；qsik为第i层土的桩极限侧阻力标准值，kPa；li为直杆段在第i层土中的长度，m。  式中，D为按螺纹段外径计算的直径，m；qsik第i层土的桩极限侧阻力标准值，kPa；li螺纹段在第i层土中的长度，m；αi为第i层土的桩侧阻力提高系数，按本规范取值，无经验时选取低值，通过静载试验得到数据后再进行优化调整；  式中，qpk为极限端阻力标准值，kPa。从式中可以看出，螺杆桩的承载力与螺纹段长度密切相关。 3 ANSYS有限元模型分析螺杆桩的桩型螺杆桩的桩型参数包括：螺杆桩的螺纹段长度占桩总长的比值（本文中简称L2/L），螺距，叶片高度，叶片高度，叶片倾角[5]。本文主要讨论螺纹段长度占桩总长的比值、螺距及叶片高度这3个参数选取不同时，对单桩承载力及桩身应力分布的影响，为桩型的参数设计奠定基础，为螺杆桩的设计生产提供依据。通过以往工程实例，假定桩顶荷载3500kN，螺杆桩直径300mm。螺纹段长度与螺杆桩总长度比值分别取0.32、0.48、0.70。当选取不同的螺纹段长度与螺杆桩总长度比值时，螺杆桩受力变化有着明显的不同，从有限元模型中可以看出其自身应力的变化。软件模拟结果表明：当L2/L取0.70时，在本工程中，实际上意味着，螺纹段的长度向上延伸一个土层[6]，计算出的桩顶位移比L2/L取0.32时要小，但桩身中轴向拉应力较大。混凝土具有较大的抗压强度，抗拉强度较低，当L2/L取0.48时，桩体中各应力相对均衡，桩顶位移较小。经实验证明，螺杆桩螺纹段长度与桩长比值控制在0.5左右时，设计比较优。对于螺杆桩螺旋叶片部分，在土层信息确定的情况下，螺旋叶片的疏密程度直接决定了其桩侧承载能力，这与普通灌注桩有着明显的区别。所以，螺杆桩螺距长度的大小，决定了螺杆桩叶片的疏密程度，而这将对螺杆桩承载能力的大小有着很大的影响[7]。在所建ANSYS有限元模型的基础上，主要考虑在现有的土层下改变螺距的长度，分别进行数值模拟分析。软件模拟结果表明：螺距取值为500mm时，较螺距取300mm和350mm时，螺杆桩的桩顶位移和桩身各项应力都发生了突变。此时桩径为300mm，螺距取值为300mm和350mm时，桩顶位移和桩身各项应力差别不大，因此，可以认为螺距应取1～1.5倍的螺杆桩桩径比较合适。为了更好的说明叶片高度对螺杆桩承载力及桩身应力分布的影响，本文分别从3种不同的叶片高度来考虑叶片的合适高度，叶片高度分别取40mm、60mm、80mm，在所建ANSYS有限元模型的基础上，分别进行数值模拟分析。通过分析，发现当叶片高度取40mm和60mm时，桩顶位移和桩身应力分布都比较合理。 4 结论经有限元分析得知：桩顶位移，随着L2/L的增大而减少，进一步论证了螺杆桩相对传统的杆桩具有更大的承载力。实践表明：L2/L的大小应根据地基土质情况而进行调节的，没有一个固定的比例。通常情况下，地基土都具有上软下硬的特点，因此，直杆段通常存在于承载力小于120kPa的土层中，而螺纹段通常存在于承载力大于120kPa的土层中。一般情况下，螺纹段要进入较硬土层1～2m以防止较软土层对螺纹段产生的负作用，这种设置充分发挥了地基的承载能力。另外，由于螺杆灌注桩螺纹段刚度较差，应合理控制桩的L2/L值，当场地无淤泥、淤泥质土、松散粉细砂、湿陷性黄土等软弱土层时，土体可以有效提供侧摩阻力，L2/L可适当调高，但不应过大。 【参考文献】 【1】张忠苗.桩基工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2007. 【2】李波扬，吴敏.一种新型的全螺旋灌注桩-螺纹桩[J].建筑结构，2004 (8)：55-57. 【3】刘振亚.国家电网公司输变电工程通用设计[M].北京：中国电力出版社，2011. 【4】DL/T 5092—1999110～500kV架空送电线路设计技术规程[S]. 【5】张殿生.高压送电线路工程电力设计手册[K].北京：中国电力出版社，2002. 【6】曾攀.基于APDL参数化有限元分析与二次开发[M].北京：机械工业出版社，2010. 【7】GB 50009—2001建筑结构荷载规范[S]. Discussion on the Impact of Thread Section Length of Screw Pile on the Bearing Capacity QI Yan-xia,MEI Zhi-qiang，LIU Ke-wei,TAO Chun-rong 【Abstract】The bearing capacity of the screw pile is composed of the side resistance,the shear strength of the thread section and the end bearing capacity of the pile end.Because the screw pile has screw thread section,its bearing capacity is much higher than that of the complete side resistance pile under the same condition.The influence of screw thread section length on bearing capacity is a key factor.By the ANSYS finite element model,considering different conditions force screw pile and pile body stress distribution,explore the optimal ratio of the thread length and pile length,provide the basis for the design of screw pile. 【Keywords】screw pile;screw thread section;bearing capacity 【中图分类号】TU473.1 【文献标志码】A 【文章编号】1007-9467（2017）04-0035-02 【收稿日期】2016-10-17 【作者简介】齐艳霞（1971～），女，河南周口人，高级工程师，从事输电线路技术研究。 |
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