螺旋桩由一根中心钢杆和一个或多个螺旋板组成，已成为广泛应用于各种工程背景下的多功能且高效的基础结构。其应用范围包括陆上建筑物基础和挡土墙系统（Perko, 2009; Mohajerani et al., 2016）、输电塔基础（Garakani and Serjoie, 2022）、海上导管架结构和系泊锚（Khoa and Jostad, 2016, Spagnoli and de Hollanda Cavalcanti Tsuha, 2020），以及需要静音安装的海洋可再生能源基础（Knappett et al., 2014, Byrne and Houlsby, 2015）。螺旋桩的广泛应用可归因于其相较于传统打入式和钻孔桩的多项实际优势：无需挖掘即可快速安装、振动和噪音小、适用于受限或环境敏感区域，而且具备可拆除和重复使用的潜力（Elsherbiny and El Naggar, 2013, Zhang et al., 2025）。
轴向荷载作用下桩的响应分析传统上遵循 Coyle 和 Reese（1966）开创的荷载传递（t-z）方法，该方法将桩离散化为有限元，并通过粘土桩的仪器测试得到的经验单位杆摩擦-位移关系来表征各深度的土壤抗力。在此基础上，Randolph 和 Wroth（1978）发展出一种分析性的弹性连续介质解，用以描述周围土壤中剪应力扩散的径向范围。Kraft 等人（1981）随后从弹性连续介质力学理论推导出双曲线型 t-z 关系，为剪模量退化与非线性界面响应提供了严谨的分析联系。这些发展为描述传统圆柱形桩的荷载传递提供了理论基础。然而，当直接应用于螺旋桩时，传统的 t-z 公式无法明确表示螺旋板的局部化支承反应、相关的轴向力突变，或是杆抗力与板支承之间的位移兼容性再分配（Randolph, 2003）。
由于杆表面摩擦与螺旋板支承之间的耦合响应，螺旋桩的垂直荷载传递机制比普通桩更为复杂。每个螺旋板作为嵌入桩-土系统中的离散内部支承元件，在深层产生集中应力场，同时改变板上下方的杆抗力分布（Rao et al., 1991, Perko, 2009）。因此，合适的分析模型必须同时考虑连续的杆荷载传递、局部化的板支承、螺旋板处的轴向力重新分配以及土壤抗力的逐步非线性活化。现有研究通过数值有限元或 CEL 仿真（Yu et al., 2022, Zhang et al., 2022, Ullah et al., 2024, Zhang et al., 2025, Zhang et al., 2026）、物理离心试验和全尺度荷载测试（Elkasabgy and Naggar, 2015, Al-Baghdadi et al., 2017），以及基于单独支承或圆柱形剪切破坏模式的简化分析方法（Merifield, 2011, Cerfontaine et al., 2023）来探讨这一问题。尽管这些研究为螺旋桩的承载能力、安装效果和荷载传递行为提供了宝贵见解，但现有的简化分析方法通常依赖于预设的破坏模式或分别考虑杆和板的贡献。因此，一个能够在统一边界值问题中同时满足杆平衡、板位移兼容性、轴向力突变和土壤非线性的高效分析框架仍然有限。
为填补这一空白，本研究开发了一种用于轴向受压螺旋桩的非线性杆板耦合荷载传递模型。桩杆遵循一维轴向平衡，每个螺旋板被视为离散的内部支承元件，其初始刚度源自基于 Mindlin 的弹性解。分布式的杆抗力和局部化的板支承通过位移兼容性和板处的轴向力突变联系起来，形成一个统一的非线性边界值问题。对于这两个组成部分，采用双曲线型荷载-位移关系作为基线本构律，并通过基于割线刚度更新的迭代有限差分方案来求解该问题。第 6.2 节证明了所选的双曲线型杆板耦合公式能够满意地再现实测的螺旋桩头响应。随后使用该模型研究了不同桩几何形状、螺旋嵌入深度、荷载水平和 soil 刚度梯度下的桩头沉降、板荷载共享、轴向力重新分配、杆摩擦活化及界面刚度退化等参数。
