钢制螺旋微型桩在无黏性土和黏性土中轴向承载特性的现场试验研究

《Soil and Tillage Research》：Field investigation of steel screw micropiles under axial loads in cohesionless and cohesive soils

本研究针对钢制螺旋微型桩在轴向荷载下的承载机制和设计方法不明确的问题，开展了系统的现场试验研究。研究人员在无黏性土和黏性土场地对五种不同尺寸的螺旋微型桩进行了30组全尺寸轴向压缩试验，记录了安装扭矩和荷载-位移曲线。结果表明，安装扭矩与桩的极限承载力之间存在可靠的线性关系，扭矩因子(KT)在21.5-27.8 m-1之间；轴向破坏模式由每个螺纹下方的局部承载力控制；基于CPT的扭矩预测方法通过考虑光滑段影响得到改进。该研究为螺旋微型桩的扭矩法设计和承载力预测提供了重要依据。

　　

随着城市建设的不断发展，轻型结构建筑和既有建筑加固工程对基础形式提出了新的要求。钢制螺旋微型桩作为一种新型的深基础形式，因其施工便捷、环境影响小等优势而受到工程界的关注。与传统混凝土桩相比，螺旋微型桩具有连续的螺旋螺纹，可以从桩头施加扭矩进行安装，所需顶推力较小。然而，尽管其应用日益广泛，关于其轴向破坏模式和基于扭矩的设计方法仍缺乏足够的现场实测数据，这制约了该技术的进一步发展和工程应用。

为了深入理解螺旋微型桩的工作性能，阿尔伯塔大学的研究团队在《Soil and Tillage Research》上发表了最新研究成果。研究团队选择了两个典型的土质场地——一个以无黏性砂土为主，另一个以黏性黏土为主，对五种不同尺寸的螺旋微型桩进行了系统的现场试验研究。桩的直径从76毫米到114毫米，长度从1.6米到3.0米，共完成了30组轴向压缩试验。

研究采用了多项关键技术方法，包括全尺寸轴向压缩试验、安装扭矩监测、锥贯入试验(CPT)和标准贯入试验(SPT)等现场测试技术，以及基于个体承载模式(IBM)和圆柱剪切模式(CSM)的理论分析方法。这些方法的综合运用为全面评估螺旋微型桩的承载性能提供了可靠的数据支持。

4.1. 安装扭矩

在无黏性土中，安装扭矩随深度增加呈线性增长趋势，这反映了随着桩体深入，砂土中的围压效应不断增强。而在黏性土中，扭矩变化呈现两个明显阶段：当仅螺纹段嵌入土体时，扭矩快速增加；当光滑段进入先前被螺纹扰动的空洞区域后，扭矩增长趋缓并趋于稳定。这一现象揭示了螺纹安装过程中对周围土体的扰动效应，特别是对黏性土中光滑段与土体接触条件的不利影响。

4.2. 轴向荷载与位移关系

荷载-位移曲线显示，在无黏性土中，桩在达到10%桩径的沉降后仍能继续增长承载力；而在黏性土中，桩在达到 plunging破坏时往往还未达到10%桩径的沉降。不同桩型的极限承载力(Q_u)测试结果存在一定变异性，特别是在无黏性土场地，这反映了现场土体的非均质性特征。总体而言，桩的极限承载力随桩长和桩径的增加而提高，但在黏性土中，由于螺纹段安装造成的土体扰动，不同桩长但螺纹段长度相同的桩表现出相近的承载力。

4.3. 经验扭矩因子

研究建立了安装扭矩与极限承载力之间的线性关系，定义了扭矩因子K_T = Q_u/T_max。五种桩型的K_T值在21.5至27.8 m^-1之间，且随桩径减小而略有增加。通过扭矩因子法预测的承载力与实测值的变异系数(COV)在8.9%至15.4%之间，表明该方法具有较好的可靠性，可用于工程实践中基于安装扭矩的承载力预测。

4.4. 轴向荷载传递方法

研究对比了两种可能的破坏模式：个体承载模式(IBM)和圆柱剪切模式(CSM)。反分析结果表明，IBM能更准确地预测桩的极限承载力，而CSM则倾向于低估承载力。在黏性土中，光滑段的黏结系数α取0.3时能较好地吻合实测数据，这远低于传统桩基设计中的推荐值，反映了螺旋微型桩安装过程中扭矩对土体结构的扰动效应。

4.5. 极限承载力：实测与反分析对比

通过调整土体参数进行确定性反分析，发现在无黏性土中取内摩擦角φ'=35°和承载力因子N_t=35，在黏性土中取不排水抗剪强度s_u=85 kPa和黏结系数α=0.3时，IBM预测值与实测平均值差异小于2%，表现出良好的一致性。这一结果进一步证实了螺旋微型桩的破坏模式更符合IBM机制。

4.6. 黏性土中基于CPT的扭矩预测方法修正

研究对Guo and Deng (2018)提出的基于CPT套筒摩擦力的扭矩预测方法进行了修正，增加了考虑光滑段贡献的项，并引入了折减系数Ψ来量化土体扰动的影响。反分析表明，Ψ=0.4时预测扭矩与实测值最为接近，说明光滑段的扭矩贡献因安装扰动而降低了60%。

该研究通过系统的现场试验和理论分析，深入揭示了钢制螺旋微型桩在无黏性土和黏性土中的工作性能和破坏机制。研究建立的扭矩因子法为工程实践提供了一种简便可靠的承载力预测方法，而基于个体承载模式的反分析则深化了对桩土相互作用机理的认识。特别值得注意的是，研究发现了螺旋微型桩在黏性土中光滑段黏结系数显著降低的现象，以及安装扭矩在黏性土中的独特变化规律，这些发现对优化螺旋微型桩的设计方法具有重要意义。研究结果不仅为螺旋微型桩的工程应用提供了科学依据，也为进一步研究不同几何参数和土质条件下螺旋微型桩的性能奠定了基础。未来研究可针对不同螺纹间距、宽度和锥度等几何参数开展更系统的参数分析，以进一步完善螺旋微型桩的设计理论。