全螺旋灌注桩承载特性的研究
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摘要
全螺旋灌注桩是近年来开发的一项专利技术，在我国部分省、区得到应用。但该技术仍处于技术开发和推广应用阶段，缺乏系统的理论研究，其抗压特性、抗拔特性及桩身的破坏机理等尚不清楚，同时缺乏可靠实用的单桩竖向抗压承载力计算公式。
本文在总结竖向荷载下桩基的承载力确定方法和荷载传递理论的基础上，进行了全螺旋灌注桩室内模型试验，并基于室内模型试验结果和工程实测资料，系统地分析了全螺旋灌注桩在竖向荷载作用下的荷载传递规律，同时利用FLAC~(3D)软件对全螺旋灌注桩的承载特性进行研究，主要工作和研究成果如下：
(1)进行了全螺旋灌注桩的室内模型实验。对比分析了直线型桩和全螺旋模型桩的荷载—沉降关系、桩身轴力分布规律、桩侧阻力的分布和传递规律以及桩端阻力的发挥特征。研究表明，普通桩的桩侧摩阻力沿桩长基本呈均匀分布，桩身轴力沿桩长逐渐衰减，在小荷载作用下，荷载均由侧阻力承担，桩端阻力基本没有发挥作用。在加载初期，桩身侧阻力增加较快，而在加载后期端阻力的增加速率大于桩身桩侧阻力的增加速率，单桩桩侧摩阻力略先于桩端阻力达到极限。而全螺旋灌注桩在加载初期，上部土层的侧阻力首先发挥，向下很快衰减，下部土层侧阻力基本没有发挥；当外荷载逐渐增大时，上部土层侧阻力逐渐增大并达到极限值，随后中上部土层的侧阻力增至极限值，而下半部分土的侧阻力只发挥了极限值的40％～60％，其桩身轴力也衰减较快。
(2)分析了全螺旋灌注桩桩侧阻力和桩端阻力的荷载传递模型特点，发现双曲线函数更符合全螺旋灌注桩的桩侧阻力的传递机理。
(3)通过对比分析直线型和全螺旋模型桩的实验结果，全螺旋灌注桩的极限侧摩阻力约为直线型桩的极限侧摩阻力的1．8～2．2倍。其主要原因为：螺旋桩的桩侧阻力实际上是螺旋、桩身与土体共同作用的反映，螺旋桩的破坏主要表现为螺旋外包面土体的剪切破坏，桩侧极限阻力可用土的抗剪强度表示。全螺旋灌注桩桩端阻力在整个荷载传递过程中所占的比例比直线型的要少。
(4)分析了全螺旋灌注桩在实际工程中的应用和极限承载力的试验数据。通过分析发现，全螺旋灌注桩的竖向承载力一般为同直径传统直线型桩的2～2．5倍，这与模型试验结果和理论分析相吻合。
(5)结合室内模型，利用FLAC~(3D)软件分析了桩-土体系应力场和位移场的变化情况。认为：全螺旋灌注桩的桩侧阻力的发挥从上往下有一个逐渐的衰减过程，表现出明显的时间效应：全螺旋灌注桩引起的土的竖向位移从上到下是逐渐减小的，当达到极限荷载时，螺旋间的土呈剪切破坏；同时得到螺距／直径比与单桩承载力的关系，认为螺距为影响承载力大小的重要因素，在进行螺距设计时，螺距／直径比不宜在大于3。
(6)提出了全螺旋灌注桩的承载力经验估算公式。全螺旋灌注桩的承载力估算可以《火力发电厂支盘灌注桩暂行技术规定》的支盘桩承载力计算公式为基础进行修正。考虑到全螺旋灌注桩荷载传递过程中，从上往下土体对螺旋的阻力发挥有一个逐渐的衰减过程，提出了深度修正系数的观点，并引入深度修正系数η_(pi)，同时建立了全螺旋灌注桩的承载力经验预估公式。经比较，计算结果与桩的实际静载试验结果相近，因而用该公式来计算全螺旋灌注桩的竖向极限承载力是合理的、可行的。
(7)结合工程实例，对全螺旋灌注桩实测数据进行了分析，认为全螺旋灌注桩是一种高效、环保、经济的桩型。同时提出用双曲线法预测全螺旋灌注桩单桩极限承载力这一思想，通过与实测结果进行比较，证明用该方法预测全螺旋灌注桩的极限承载力是可行的，取得的容许承载力是可信的。
The cast-in-place concrete pile with screws is a kind of newly-patented technique developed in recent years, which was used successively in some provinces of our country. But on the whole, this technique is at the early stage of development, research work is not systematic. The failure mechanism and bearing behavior of the pile under compressing loads and pulling loads are not clear. A reliable and practical formula to calculate the vertical bearing capacity of a single pile is also lack.
This dissertation try to carry through the in-situ static loading test of the pile with screws, and study systematically that the load transferring regulations of this kind of pile under the compressing load based on the test and stress measuring of pile shafts, and analyze that the bearing characteristic of the pile with screws under the help of FLAC~(3D).The following is some conclusions.
1. With results of the model tests, the circular-pile and the pile with screws were compared in characters such as loading-settlement relationship, distribution regulations of the axial force, friction resistance and the base resistance. The study shows that the friction resistance of the circular-pile is distributed equably along the pile, the axial force of the pile reduces with the depth. With a small stress, the shaft force is almost all taken by the shaft friction. As stress becomes greater, the shaft friction increases more quickly. But in the late period, the base resistance increases faster than the friction resistance, the friction resistance come to the maximum before the base resistance. In the cases of the pile with screws, at the early stage of loading, the friction of upper part of the shaft increases sharply, the lower part of the shaft have almost no stress. With the load increasing, the friction of upper shaft reaches ultimate state, the middle part takes more and more force until reaches ultimate state, the bottom part only uses about 40～60% of its capacity, and the axis forces also decreases sharply.
2. The load-transferring regulations of the friction resistance and the base resistance of the pile with screws are analyzed, the load-transferring regulations of the friction can be presented with hyperbola function.
3. It is found in practical cases that piles with screws can undertake capacities 1.8～2.2 times of that of circular piles. This is mainly caused by the interactions of screws, soils and pile. The ultimate friction of the pile is relative to shear strength of soils. Also, the base resistance undertakes less force in the case of the pile with screws.
4. Some practical examples were introduced and the ultimate capacities were analyzed for the pile with screws. The rest results shows that the vertical bearing capacity is 2～2.5 times of its circular counterpart, which is identical with results of experiment and theory analysis.
5. FLAC~(3D) was applied to analyze the stress and displacement field in accordance with the model tests. The regulation is very obvious that the shaft resistance attenuate from up to down. The z-displacement of the ground caused by the pile with screws decreases with the depth increasing. When the load reached ultimate state, the soils around the screws reached shear failure state. The relationship between the screw-pitch/diameter ratio and the bearing capacity of a single pile is also analyzed. The screw-pitch is an important factor to the bearing capacities; it should be no more than 3 in practical design.
6. A formula is presented to calculate the vertical bearing capacity of the pile with screws based on experience. Through the analysis on the practical examples, a formula supposed to calculate the bearing capacity of the pile with expanded branches or plates in《Temporary technique specification for the pile with expanded branches or plates of firepower plant》is modified. Considering the resistance attenuation from up to down, a depth corrected coefficientη_(pi) is put forward, and a modified formula is given out. The data we got from the modified formula matches the ones that come from experiment. So it's reasonable to use this formula to calculate the vertical bearing capacity of the pile with screws.
7. Based on engineering examples, we got the data of the pile with screws of actual sites. With some analysis, it came out that the pile with screws is more efficient, more environmental-friendly and more economical than the traditional type. The data also bring forward the idea of using the hyperbolic method to predict the limited vertical bearing capacity of a single pile. After a comparison between statistics from the predicted data and the measured data, we believe the hyperbolic method is an available and reliable way to get the limited bearing capacity of the pile with screws.
本文在总结竖向荷载下桩基的承载力确定方法和荷载传递理论的基础上，进行了全螺旋灌注桩室内模型试验，并基于室内模型试验结果和工程实测资料，系统地分析了全螺旋灌注桩在竖向荷载作用下的荷载传递规律，同时利用FLAC~(3D)软件对全螺旋灌注桩的承载特性进行研究，主要工作和研究成果如下：
(1)进行了全螺旋灌注桩的室内模型实验。对比分析了直线型桩和全螺旋模型桩的荷载—沉降关系、桩身轴力分布规律、桩侧阻力的分布和传递规律以及桩端阻力的发挥特征。研究表明，普通桩的桩侧摩阻力沿桩长基本呈均匀分布，桩身轴力沿桩长逐渐衰减，在小荷载作用下，荷载均由侧阻力承担，桩端阻力基本没有发挥作用。在加载初期，桩身侧阻力增加较快，而在加载后期端阻力的增加速率大于桩身桩侧阻力的增加速率，单桩桩侧摩阻力略先于桩端阻力达到极限。而全螺旋灌注桩在加载初期，上部土层的侧阻力首先发挥，向下很快衰减，下部土层侧阻力基本没有发挥；当外荷载逐渐增大时，上部土层侧阻力逐渐增大并达到极限值，随后中上部土层的侧阻力增至极限值，而下半部分土的侧阻力只发挥了极限值的40％～60％，其桩身轴力也衰减较快。
(2)分析了全螺旋灌注桩桩侧阻力和桩端阻力的荷载传递模型特点，发现双曲线函数更符合全螺旋灌注桩的桩侧阻力的传递机理。
(3)通过对比分析直线型和全螺旋模型桩的实验结果，全螺旋灌注桩的极限侧摩阻力约为直线型桩的极限侧摩阻力的1．8～2．2倍。其主要原因为：螺旋桩的桩侧阻力实际上是螺旋、桩身与土体共同作用的反映，螺旋桩的破坏主要表现为螺旋外包面土体的剪切破坏，桩侧极限阻力可用土的抗剪强度表示。全螺旋灌注桩桩端阻力在整个荷载传递过程中所占的比例比直线型的要少。
(4)分析了全螺旋灌注桩在实际工程中的应用和极限承载力的试验数据。通过分析发现，全螺旋灌注桩的竖向承载力一般为同直径传统直线型桩的2～2．5倍，这与模型试验结果和理论分析相吻合。
(5)结合室内模型，利用FLAC~(3D)软件分析了桩-土体系应力场和位移场的变化情况。认为：全螺旋灌注桩的桩侧阻力的发挥从上往下有一个逐渐的衰减过程，表现出明显的时间效应：全螺旋灌注桩引起的土的竖向位移从上到下是逐渐减小的，当达到极限荷载时，螺旋间的土呈剪切破坏；同时得到螺距／直径比与单桩承载力的关系，认为螺距为影响承载力大小的重要因素，在进行螺距设计时，螺距／直径比不宜在大于3。
(6)提出了全螺旋灌注桩的承载力经验估算公式。全螺旋灌注桩的承载力估算可以《火力发电厂支盘灌注桩暂行技术规定》的支盘桩承载力计算公式为基础进行修正。考虑到全螺旋灌注桩荷载传递过程中，从上往下土体对螺旋的阻力发挥有一个逐渐的衰减过程，提出了深度修正系数的观点，并引入深度修正系数η_(pi)，同时建立了全螺旋灌注桩的承载力经验预估公式。经比较，计算结果与桩的实际静载试验结果相近，因而用该公式来计算全螺旋灌注桩的竖向极限承载力是合理的、可行的。
(7)结合工程实例，对全螺旋灌注桩实测数据进行了分析，认为全螺旋灌注桩是一种高效、环保、经济的桩型。同时提出用双曲线法预测全螺旋灌注桩单桩极限承载力这一思想，通过与实测结果进行比较，证明用该方法预测全螺旋灌注桩的极限承载力是可行的，取得的容许承载力是可信的。
The cast-in-place concrete pile with screws is a kind of newly-patented technique developed in recent years, which was used successively in some provinces of our country. But on the whole, this technique is at the early stage of development, research work is not systematic. The failure mechanism and bearing behavior of the pile under compressing loads and pulling loads are not clear. A reliable and practical formula to calculate the vertical bearing capacity of a single pile is also lack.
This dissertation try to carry through the in-situ static loading test of the pile with screws, and study systematically that the load transferring regulations of this kind of pile under the compressing load based on the test and stress measuring of pile shafts, and analyze that the bearing characteristic of the pile with screws under the help of FLAC~(3D).The following is some conclusions.
1. With results of the model tests, the circular-pile and the pile with screws were compared in characters such as loading-settlement relationship, distribution regulations of the axial force, friction resistance and the base resistance. The study shows that the friction resistance of the circular-pile is distributed equably along the pile, the axial force of the pile reduces with the depth. With a small stress, the shaft force is almost all taken by the shaft friction. As stress becomes greater, the shaft friction increases more quickly. But in the late period, the base resistance increases faster than the friction resistance, the friction resistance come to the maximum before the base resistance. In the cases of the pile with screws, at the early stage of loading, the friction of upper part of the shaft increases sharply, the lower part of the shaft have almost no stress. With the load increasing, the friction of upper shaft reaches ultimate state, the middle part takes more and more force until reaches ultimate state, the bottom part only uses about 40～60% of its capacity, and the axis forces also decreases sharply.
2. The load-transferring regulations of the friction resistance and the base resistance of the pile with screws are analyzed, the load-transferring regulations of the friction can be presented with hyperbola function.
3. It is found in practical cases that piles with screws can undertake capacities 1.8～2.2 times of that of circular piles. This is mainly caused by the interactions of screws, soils and pile. The ultimate friction of the pile is relative to shear strength of soils. Also, the base resistance undertakes less force in the case of the pile with screws.
4. Some practical examples were introduced and the ultimate capacities were analyzed for the pile with screws. The rest results shows that the vertical bearing capacity is 2～2.5 times of its circular counterpart, which is identical with results of experiment and theory analysis.
5. FLAC~(3D) was applied to analyze the stress and displacement field in accordance with the model tests. The regulation is very obvious that the shaft resistance attenuate from up to down. The z-displacement of the ground caused by the pile with screws decreases with the depth increasing. When the load reached ultimate state, the soils around the screws reached shear failure state. The relationship between the screw-pitch/diameter ratio and the bearing capacity of a single pile is also analyzed. The screw-pitch is an important factor to the bearing capacities; it should be no more than 3 in practical design.
6. A formula is presented to calculate the vertical bearing capacity of the pile with screws based on experience. Through the analysis on the practical examples, a formula supposed to calculate the bearing capacity of the pile with expanded branches or plates in《Temporary technique specification for the pile with expanded branches or plates of firepower plant》is modified. Considering the resistance attenuation from up to down, a depth corrected coefficientη_(pi) is put forward, and a modified formula is given out. The data we got from the modified formula matches the ones that come from experiment. So it's reasonable to use this formula to calculate the vertical bearing capacity of the pile with screws.
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引文
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