巴西输电线路螺旋桩基础的施工研究

左 峰，陈楷夫，时 雨，左 石，孙谋成

(1．国网国际发展有限公司，北京 100031;2．吉林大学，长春 130000;3．国网吉林省电力有限公司电力经济研究院，长春 130021;4．国网本溪供电公司，辽宁 本溪 117000)

承压螺旋桩按材料分为钢管螺旋桩和混凝土螺旋桩。钢管螺旋桩主要用于重要建筑、海岸工程等;而混凝土螺旋桩由于桩体材料抗施工扭矩性能差，主要用于软土地区的低层建筑。螺旋桩基础被广泛使用在巴西输变电直流特高压线路铁塔基础施工中，但因螺旋桩基础的桩体几何异形和桩土荷载传递的复杂性［1-2］，使螺旋桩基础的设计安装不同于普通桩基础，通过巴西某直流特高压工程螺旋桩基础施工，了解螺旋桩基础的设计原理、试验方法以及安装方法，对工程安全具有非常重要的意义。

1 螺旋桩的设计

1．1 螺旋桩的构造

螺旋桩是一种具有复杂几何表面的异型桩，应力作用于桩的上端部，抗拔力则通过土壤和桩之间集中黏着力或者横向摩擦力获得，其特点有环境友好性、土壤适用性、安装快捷性。螺旋桩包括主要部分和延长部分，主要部分包括带焊接螺旋叶片的引导部分以及多个叶片的连接部分，螺旋叶片在安装过程中传递扭矩，使垂直荷载至螺旋叶片，提供横向移动的阻力;延长部分采用钢管来增加总长度，不同连接部分通过螺栓连接，最终螺旋桩的引导部分和延长部分通过扭转达到最小允许深度和最小扭矩。

1．2 螺旋桩结构设计

功能要求和使用耐久性做为螺旋桩基础设计关键决定因素。该工程按照 ASME B18．2．1—2005《美国机械工程师协会标准》计算极限承载力，分析可能发生的桩破裂或者土壤发生位移引起的桩失效，针对杆塔型式，基础型式，土壤类型等局部环境的不确定变量，以及潜在的加工和安装错误，确保设计承载能力满足一个合理的区间，安全冗余系数作为强制条款用于模拟典型设计边界条件，按照该工程螺旋桩设计文件要求，采用安全系数为2．5。螺旋桩的深度、螺旋叶片间距比、深宽比、首层叶片深度、叶片距宽比等的变化将影响螺旋桩极限抗拔和抗压承载力。

1．2．1 螺旋桩最小深度

当螺旋桩叶片直径、间距、螺距以及地质条件相同，深宽比不同时，螺旋桩基础上拔过程中，应力加载初期地基处于弹性变形阶段，摩阻力比较接近;继续加载，埋深不同的螺旋桩基础的端阻力增速不同，地基进入弹塑性状态的起始荷载值基本一致，但破坏荷载值随深宽比的增加而增大。叶片直径相同时，随桩体埋深增加，抗拔螺旋桩极限荷载的端阻比例增大，极限摩擦阻力降低，首层叶片埋深接近，叶片直径增大，摩擦阻力增大。螺旋桩最小深度Lmin=3(D1+D2+D3+ … +Dn)+5D ，其中 D1，D2，D3，…，Dn为螺旋叶片直径，D为最后一个螺旋叶片直径。

通过大量试验，证明:对于浅基础，在紧密的颗粒状土壤中，例如砂子或者砾石中，螺旋桩首层叶片安装深度H一般小于最大的螺旋片直径3～7倍;对于深基础，首层叶片安装深度H一般大于最大螺旋片直径5～7倍，一般情况下采用大于5倍直径作为经验值［3］。

1．2．2 安装扭矩

螺旋桩旋转进入土壤的过程是通过螺旋片切入土壤，土壤没有发生位移而是被替换。当螺旋桩旋转进入越紧密的土壤，所产生的扭矩就越大，但是当扭矩传到螺旋桩最后一个叶片时，由于土壤与螺旋桩之间存在摩擦力，相应的部分扭矩已经被抵消，因此安装扭矩与最大承载力之间需要一个土壤功效系数，用以估算由于土壤摩擦产生的扭力损失。一般通过现场试验测量和经验系数2种方式确定，经验系数的取值将根据土壤的不同，依据加工的形状、尺寸、距离以及连接件不同而不同，推荐默认值为33～39 m－1。

式中:Qu为螺旋桩的极限承载力;T为螺旋桩的测量扭矩;kt为土壤功效系数。

2 螺钢桩设计试验

根据基础承受的设计荷载，通过计算机程序预先计算出螺旋桩极限承载力，最小埋深以及通过方案比选确定螺旋桩的结构设计(桩长、叶片直径、叶片层数、叶片间距与叶片直径)后，最终需要通过现场型式试验验证螺旋桩设计的可靠性。

2．1 标准贯入试验(SPT)及安装扭矩试验

根据ASTM D-1586—1999《美国材料与试验协会标准》，通过标准贯入试验扰动土样，鉴别和描述土壤类别，对土壤强度参数，变形模量，地基承载力等作出评价;估算单桩极限承载力和判定沉桩可能性;判定饱和粉砂，砂质粉土的地震液化可能性及液化等级。确定螺旋桩深度、土壤活动区域、地表水深度以及现场情况描述。

在该工程施工4标段1009/1(自立塔SM82)螺旋桩基础施工现场进行SPT，土壤为砂土，试验结果见表1，其中NSPT为SPT的击打次数。

2．2 螺旋桩静载荷试验

在该工程4标段自立塔1009/1(SM82)螺旋桩基础施工现场进行静载荷试验，用于验证螺旋桩的深度、承载能力等。采用实际的螺旋桩材料，试验便捷，通过静载荷试验测量数据，分析验证深度和扭矩，桩顶位移与荷载的关系，判定桩的深度、尺寸、螺旋叶片的直径以及安装速度等。所有螺旋桩安装需要100%进行现场静载试验，对于自立塔基础需要同时进行抗拉及受压试验，用于验证螺旋桩的安装可靠性，本文仅以自立塔基础取样进行抗拉及受压试验。

表1 1009/1(SM82)螺旋桩SPT及安装扭矩试验结果

2．2．1 自立塔螺旋桩型式试验条件

通过安装扭矩试验，使螺旋桩引导部分和中间部分达到设计最小深度和最小安装扭矩。通过试验桩顶位移增量数据校验最小深度和最小安装扭矩。螺旋桩型式试验必须满足:

a．如果螺旋桩最小深度先达到最小安装扭矩，则应该继续旋转至设计最小安装扭矩;

b．即使螺旋桩达到最小安装扭矩，不管土壤结构，应继续旋转1 m深度再次确认;

c．计算螺旋桩安装扭矩将根据试验数据确认;

e．如果螺旋桩最小深度和最小安装扭矩都没有达到，土壤将被判定为不适用于螺旋桩，可以变更螺旋桩位置重新进行验证试验;

f．如果螺旋桩安装扭矩小于2 709 N·m，将重新审查设计方案。

2．2．2 自立塔螺旋桩型式试验步骤

自立塔螺旋桩型式试验分为2个阶段，第1阶段为螺旋桩受压;第2阶段为在同样扭矩下螺旋桩的受拉，并达到极限荷载。

a．螺旋桩受压试验。预荷载为20%允许荷载，每次荷载增加10%，加载持续1 min，测量位移值，最后加载至最大值持续5 min。然后按照10%卸载，测量每次位移值，最后卸载至允许荷载的0%。

b．螺旋桩受拉试验。预荷载为20%允许荷载，每次荷载增加10%，加载持续1 min，测量每次位移值，最后加载至最大值持续5 min。然后按照10%卸载，测量每次位移值，最后卸载至允许荷载的0%。循环受拉荷载结束后，开始测量螺旋桩极限荷载，按照允许荷载的10%递增，达到螺旋桩破坏或者设备最大扭矩值时停止，该阶段不用测量位移值。

2．2．3 螺旋桩基础型式试验结果

施工4标段杆号1009/1(SM82)螺旋桩基础型式试验，实测了加载过程中桩顶荷载和位移值，并绘制了螺旋桩基础的荷载-位移(U-Z)关系曲线。当加载至设计受拉荷载352 800 N，设计受压荷载352 800 N时，扭矩为14 903 N·m，U-Z曲线较为光滑、平直，未出现陡升拐点，表明地基表面未开裂，桩基础未发生破坏，验证基础埋深、首层叶片深度、宽深比和叶片宽距比设计满足规范要求。当加载至421 400 N时(设计荷载120%)，桩体发生破坏。实测受压最大位移14．5 mm，受拉最大位移28．0 mm。受压最大位移与受拉最大位移比值为0．52，小于设计值0．7，满足设计要求。

3 结论

螺旋桩基础安装可靠性关键在于确定可靠的螺旋桩极限承载力，最小埋深，以及通过方案比选确定螺旋桩的最优结构设计(桩长、叶片直径、叶片层数、叶片间距、深宽比)，通过现场型式试验验证螺旋桩设计的可靠性，确保螺旋桩设计达到技术、经济、可靠性的最优平衡。对于特高压输电线路的螺旋桩基础施工，应根据具体情况确定安全系数，做好材料加工常规试验检查，型式试验及最终接收试验的全过程质量控制。由于螺旋桩基础荷载传递的复杂性，可以采用不同破坏模型进行对比，并通过试验进一步验证圆管桩以及方桩的不同桩长、叶片直径、叶片层数、叶片间距与深宽比对螺旋桩极限承载力的影响。