新型压入式自旋桩头在黏土中的承载性能研究

汤保新，马乐乐，李　琪

(1.扬州大学土木工程系，江苏 扬州 225127；2.扬州市交通工程安全质量监督站，江苏 扬州 225001；3.扬州大学基建处，江苏 扬州 225127)



新型压入式自旋桩头在黏土中的承载性能研究

汤保新1，马乐乐2，李琪3

(1.扬州大学土木工程系，江苏 扬州 225127；2.扬州市交通工程安全质量监督站，江苏 扬州 225001；3.扬州大学基建处，江苏 扬州 225127)

摘要：压入式自旋桩头是一种能提高地基承载力的新型桩头。它带有螺旋叶片，通过滚动轴承与桩连接，以静压方式进入土体，与一般预制螺旋桩不同的是桩身不产生扭矩，且大幅度提高预制桩的承载力。今对新型压入式自旋桩头的承载性能进行系统实验研究，研究其在黏土中的入土阶段和静载阶段的几何参数对自旋角度和承载力的影响；并与砂土中试验对比。结果表明：具有叶片的自旋桩头其承载力比传统光桩头的承载力最高提高3.8倍，说明自旋桩头极限承载力高于光桩头；与砂土对比，自旋桩头在砂土中的极限承载力均比黏土中高，最高达到3.2倍，说明自旋桩头在黏土中的极限承载力低于砂土中的极限承载力。

关键词：压入式自旋桩头；极限承载力；自旋角度；叶片

预制螺旋桩[1-4]是一种新型变截面桩，有着承载力高、环保、施工方便的优点，但预制螺旋桩在旋转入土过程中需承受较大扭矩，而且挤土效应明显；灌注螺旋桩[5-6]无挤土效应，但对施工精度要求较高。压入式自旋桩头是在预制桩底端设置的一种可以旋转的新型桩头(桩尖)，采用静压法(无须施加扭矩)随预制桩进入土体；在压桩过程中，桩头带有螺旋叶片，可在土体中因受被动土压力而自旋。文献[7]研究了压入式自旋桩头在砂土中的承载特性，在此基础上，本文对压入式自旋桩头在黏土中的承载性能进行试验研究，并作一对比。

1试验概况

1.1桩头基本参数

本次试验共设计了12根自旋桩头(图1)，材料都是Q235钢材。试验分组见表1。

1.2土体基本参数

采用环刀取黏土试样[8-9]测试参数如下：含水量w=35%，密度ρ=1.95g/cm3，饱和度Sr=0.8。

1.3试验方法

静载试验[8-11]是确定单桩承载力的主要方法。本次试验采用第二拐点法确定极限承载力，符合自旋桩头的受力特点。试验装置见图2。

1.4试验过程

本试验分为两个过程：入土过程和静载过程。入土过程试验是通过升降机以115mm/min的速率把自旋桩头均匀压入土中。试验总压入深度为1 000mm(共分十级)，向黏土中每压入一级(100mm)记录一次，测得桩头的自旋角度和桩周土体表面在离桩1倍、2倍和3倍桩径处的隆起量。静载过程是使用油压千斤顶在桩头顶部加载，通过压力传感器控制加压荷载，用百分表读取桩头沉降量。

表1　桩型参数

图2　试验装置

2试验结果

2.1入土过程分析

2.1.1叶片角度对桩头自旋的影响

根据B1与B2、C1与C2、D1与D2入土过程中自旋角度的对比可知：当叶片宽度(均为45mm)相同而角度不同(80°与60°)时，B2比B1提高了131.1%，C2比C1提高了535.1%，D2比D1提高了460.9%。总体来说，叶片角度大时自旋角度大。其中，二叶片桩头(C1与C2)的叶片角度影响最显著，自旋角度比值高；而单叶片桩头(B1与B2)的叶片角度影响最小，自旋角度比值低。

试验还表明：单叶片(B1和B2)的自旋角度较大。

2.1.2叶片宽度对桩头自旋的影响

根据B2与B3、C2与C3、D2与D3入土过程中自旋角度的对比可知：对于叶片角度相同(均为80°)而宽度不同(45mm与90mm)时，B2比B3提高了9.32%，C2比C3提高了73.2%，D2比D3提高了57.3%。总体来说，叶片宽度小时自旋角度大。其中，二叶片桩头(C2与C3)的叶片宽度影响最显著，自旋角度比值高；而单叶片桩头(B2与B3)的叶片宽度影响最小，自旋角度比值低。

试验还表明：单叶片(B2和B3)的自旋角度较大，而三叶片(D2)自旋角度最大。

2.1.3叶片数量对桩头自旋的影响

根据B1、C1、D1、E1、B2、C2、D2、B3、C3、D3、E3入土过程中自旋角度的对比可知：对于叶片角度60°、叶片宽度45mm的自旋桩头(B1、C1、D1、E1)，单叶片B1自旋角度最大；对于叶片角度80°、叶片宽度45mm的自旋桩头(B2、C2、D2)，三叶片D2自旋角度最大，且是二叶片C2的1.3倍；对于叶片角度80°、叶片宽度90mm的自旋桩头(B3、C3、D3、E3)，单叶片B3自旋角度最大，且是三叶片D3的1.7倍。总体来说，单叶片自旋角度较大，可能是因为单叶片入土后，叶片对土体扰动小，叶片能有效依靠土体反力推动叶片自旋。

2.2静载试验分析

根据桩的Q-S曲线，用第二拐点法判定本次试验的12根自旋桩头的极限承载力，以无叶片桩头A的极限承载力12kN为参照，B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1、E3的承载力均有较大提高，见表2。

表2　12根桩头极限承载力

为了确定影响桩头承载力的因素，根据试验，分析叶片宽度、叶片角度、叶片数量作为影响承载力的因素。

2.2.1叶片角度对承载力的影响

根据B1与B2、C1与C2、D1与D2静载过程中承载力的对比可知：单叶片、叶片宽度45mm的自旋桩头的承载力在升角越小时，极限承载力反而越大；三叶片、叶片宽度45mm的自旋桩头叶片角度对承载力影响不大，承载力基本相同。总体来说，叶片角度小的承载力相对较高。

2.2.2叶片宽度对承载力的影响

根据B2与B3、C2与C3、D2与D3静载过程中承载力的对比可知：自旋桩头的承载力随着叶片宽度增大基本不变。

2.2.3叶片数量对承载力的影响

根据第一组(B1、C1、D1、E1)、第二组(B2、C2、D2)、第三组(B3、C3、D3、E2)共三组试件的承载力对比可知：B1、C1、E1分别比D1的承载力提高了27.8%、11.1%、27.8%，C2、D2比B2自旋桩头的承载力提高了28.6%、12.5%，C2、D2、E3比B3自旋桩头的承载力提高了6.7%、20%、33.3%。说明叶片的数量改变对承载力的影响比较复杂。在第一组(60°、45mm)中，三叶片承载力最小，四叶片和二叶片承载力最大。在第二组(80°、45mm)中三叶片的承载力最高，单叶片的承载力最小。在第三组(80°、90mm)中，四叶片的承载力最高，单叶片的承载力最小。总体来说，叶片数量多的承载力相对较高。

2.2.4桩头的选择

根据上述实验数据分析可知，叶片角度和数量对承载力影响大，叶片宽度影响不显著。

叶片角度对桩的承载力影响最大，且单叶片、两叶片角度越大而承载力越低。然而，当叶片宽度增加1倍时，承载力也会提高，但提高幅度不大；因此，可知在黏土中，叶片角度60°、叶宽45mm的自旋桩头承载力最大。而从旋转角度可以看出，叶片角度60°、叶宽45mm的自旋桩头，其二叶片、三叶片、四叶片的旋转角度都很小，因此可以得出结论，单叶片角度60°、叶宽45mm的自旋桩承载力提高幅度最大，且能较好地旋转进入土体。

3桩头在黏土与砂土中的对比分析

本文与文献[7]试验进行对比，结果见表3、表4。

表3　桩头在黏土和砂土中旋转角度及其对比

表4　桩头在黏土和砂土中承载力及其对比

3.1入土过程中自旋角度对比

由表3可知：总体来说，自旋桩头在砂土中的旋转角度略大。

3.2静载试验中承载力对比

由表4分析可知：12根桩头在砂土中的极限承载力均大于在黏土中的极限承载力。

4结语

本文通过12根压入式自旋桩头在黏土中的入土阶段和静载试验阶段的试验，分析了自旋桩头叶片角度、叶片宽度、叶片数量的改变对自旋桩头自旋角度和承载力的影响，得出了如下结论：

1)叶片角度越大，桩头旋入土体的角度越大，桩头越容易进入土体。

2)单叶片和双叶片中叶片角度变大，承载力提高；而三叶片角度变大，承载力不变。

通过压入式自旋桩头在黏土和砂土中的对比，得出了如下结论：

1)自旋桩头在砂土中的旋转角度总体上略大。

2)12根桩头在砂土中的极限承载力均大于在黏土中的极限承载力。

参 考 文 献

[1]陈日宏,罗明.混凝土螺旋预制桩：中国，CN99224893.0[P].1999-08-02.

[2]孙鸣.钢筋混凝土螺旋桩可行性分析[J].天津城市建设学院学报,2001,7(3):187-190.

[3]张亚军,董天文,梁力，等.竖向承压螺旋桩基础极限承载力判定[J].辽宁工程技术大学学报，2009(8):570-573.

[4]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，2008，28(11):150-155.

[5]祝世平.全螺旋灌注桩承载特性的研究[D].长沙：中南大学，2006.

[6]胡家忠.滚压成型螺旋灌注桩受力机理分析[D].北京：北京交通大学，2008.

[7]路培国.压入式自旋桩头在砂土中承载特性的研究[D].扬州：扬州大学，2014.

[8]中国建筑科学研究院.GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[9]中国建筑科学研究院.JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[10]Wilson G. The bearing capacity of screw piles and screwcrete cylinders[J]. Journal of the Institution of Civil Engineers - London, 1950,34:4-93.

[11]Trofimenkov J G, Maruipolshii L G. Screw piles as foundations of supports and towers of transmission lines[J]. Soil Mechanics and Foundation Engineering (Osnovaniya Fundamenty I Mekhanika Gruntov),1964(4):232-239.

收稿日期：2016-02-24

基金项目：江苏省建设系统科技指导项目(2013ZD16)

作者简介：汤保新(1967—)，男，湖北襄阳人，副教授，从事混凝土结构教学及抗震研究。

中图分类号：TU473.1

文献标志码：B

文章编号：1008-3707(2016)07-0027-03

Study on the Load Carrying Performance of theNew Press-in Type Spin Pile Head

TANG Baoxin1, MA Lele2, LI Qi3