巴西輸電線路螺旋樁基礎的施工研究

左 峰，陳楷夫，時 雨，左 石，孫謀成

(1．國網國際發展有限公司，北京 100031;2．吉林大學，長春 130000;3．國網吉林省電力有限公司電力經濟研究院，長春 130021;4．國網本溪供電公司，遼寧 本溪 117000)

承壓螺旋樁按材料分為鋼管螺旋樁和混凝土螺旋樁。鋼管螺旋樁主要用于重要建筑、海岸工程等;而混凝土螺旋樁由于樁體材料抗施工扭矩性能差，主要用于軟土地區的低層建筑。螺旋樁基礎被廣泛使用在巴西輸變電直流特高壓線路鐵塔基礎施工中，但因螺旋樁基礎的樁體幾何異形和樁土荷載傳遞的復雜性［1-2］，使螺旋樁基礎的設計安裝不同于普通樁基礎，通過巴西某直流特高壓工程螺旋樁基礎施工，了解螺旋樁基礎的設計原理、試驗方法以及安裝方法，對工程安全具有非常重要的意義。

1 螺旋樁的設計

1．1 螺旋樁的構造

螺旋樁是一種具有復雜幾何表面的異型樁，應力作用于樁的上端部，抗拔力則通過土壤和樁之間集中黏著力或者橫向摩擦力獲得，其特點有環境友好性、土壤適用性、安裝快捷性。螺旋樁包括主要部分和延長部分，主要部分包括帶焊接螺旋葉片的引導部分以及多個葉片的連接部分，螺旋葉片在安裝過程中傳遞扭矩，使垂直荷載至螺旋葉片，提供橫向移動的阻力;延長部分采用鋼管來增加總長度，不同連接部分通過螺栓連接，最終螺旋樁的引導部分和延長部分通過扭轉達到最小允許深度和最小扭矩。

1．2 螺旋樁結構設計

功能要求和使用耐久性做為螺旋樁基礎設計關鍵決定因素。該工程按照 ASME B18．2．1—2005《美國機械工程師協會標準》計算極限承載力，分析可能發生的樁破裂或者土壤發生位移引起的樁失效，針對桿塔型式，基礎型式，土壤類型等局部環境的不確定變量，以及潛在的加工和安裝錯誤，確保設計承載能力滿足一個合理的區間，安全冗余系數作為強制條款用于模擬典型設計邊界條件，按照該工程螺旋樁設計文件要求，采用安全系數為2．5。螺旋樁的深度、螺旋葉片間距比、深寬比、首層葉片深度、葉片距寬比等的變化將影響螺旋樁極限抗拔和抗壓承載力。

1．2．1 螺旋樁最小深度

當螺旋樁葉片直徑、間距、螺距以及地質條件相同，深寬比不同時，螺旋樁基礎上拔過程中，應力加載初期地基處于彈性變形階段，摩阻力比較接近;繼續加載，埋深不同的螺旋樁基礎的端阻力增速不同，地基進入彈塑性狀態的起始荷載值基本一致，但破壞荷載值隨深寬比的增加而增大。葉片直徑相同時，隨樁體埋深增加，抗拔螺旋樁極限荷載的端阻比例增大，極限摩擦阻力降低，首層葉片埋深接近，葉片直徑增大，摩擦阻力增大。螺旋樁最小深度Lmin=3(D1+D2+D3+ … +Dn)+5D ，其中 D1，D2，D3，…，Dn為螺旋葉片直徑，D為最后一個螺旋葉片直徑。

通過大量試驗，證明:對于淺基礎，在緊密的顆粒狀土壤中，例如砂子或者礫石中，螺旋樁首層葉片安裝深度H一般小于最大的螺旋片直徑3～7倍;對于深基礎，首層葉片安裝深度H一般大于最大螺旋片直徑5～7倍，一般情況下采用大于5倍直徑作為經驗值［3］。

1．2．2 安裝扭矩

螺旋樁旋轉進入土壤的過程是通過螺旋片切入土壤，土壤沒有發生位移而是被替換。當螺旋樁旋轉進入越緊密的土壤，所產生的扭矩就越大，但是當扭矩傳到螺旋樁最后一個葉片時，由于土壤與螺旋樁之間存在摩擦力，相應的部分扭矩已經被抵消，因此安裝扭矩與最大承載力之間需要一個土壤功效系數，用以估算由于土壤摩擦產生的扭力損失。一般通過現場試驗測量和經驗系數2種方式確定，經驗系數的取值將根據土壤的不同，依據加工的形狀、尺寸、距離以及連接件不同而不同，推薦默認值為33～39 m－1。

式中:Qu為螺旋樁的極限承載力;T為螺旋樁的測量扭矩;kt為土壤功效系數。

2 螺鋼樁設計試驗

根據基礎承受的設計荷載，通過計算機程序預先計算出螺旋樁極限承載力，最小埋深以及通過方案比選確定螺旋樁的結構設計(樁長、葉片直徑、葉片層數、葉片間距與葉片直徑)后，最終需要通過現場型式試驗驗證螺旋樁設計的可靠性。

2．1 標準貫入試驗(SPT)及安裝扭矩試驗

根據ASTM D-1586—1999《美國材料與試驗協會標準》，通過標準貫入試驗擾動土樣，鑒別和描述土壤類別，對土壤強度參數，變形模量，地基承載力等作出評價;估算單樁極限承載力和判定沉樁可能性;判定飽和粉砂，砂質粉土的地震液化可能性及液化等級。確定螺旋樁深度、土壤活動區域、地表水深度以及現場情況描述。

在該工程施工4標段1009/1(自立塔SM82)螺旋樁基礎施工現場進行SPT，土壤為砂土，試驗結果見表1，其中NSPT為SPT的擊打次數。

2．2 螺旋樁靜載荷試驗

在該工程4標段自立塔1009/1(SM82)螺旋樁基礎施工現場進行靜載荷試驗，用于驗證螺旋樁的深度、承載能力等。采用實際的螺旋樁材料，試驗便捷，通過靜載荷試驗測量數據，分析驗證深度和扭矩，樁頂位移與荷載的關系，判定樁的深度、尺寸、螺旋葉片的直徑以及安裝速度等。所有螺旋樁安裝需要100%進行現場靜載試驗，對于自立塔基礎需要同時進行抗拉及受壓試驗，用于驗證螺旋樁的安裝可靠性，本文僅以自立塔基礎取樣進行抗拉及受壓試驗。

表1 1009/1(SM82)螺旋樁SPT及安裝扭矩試驗結果

2．2．1 自立塔螺旋樁型式試驗條件

通過安裝扭矩試驗，使螺旋樁引導部分和中間部分達到設計最小深度和最小安裝扭矩。通過試驗樁頂位移增量數據校驗最小深度和最小安裝扭矩。螺旋樁型式試驗必須滿足:

a．如果螺旋樁最小深度先達到最小安裝扭矩，則應該繼續旋轉至設計最小安裝扭矩;

b．即使螺旋樁達到最小安裝扭矩，不管土壤結構，應繼續旋轉1 m深度再次確認;

c．計算螺旋樁安裝扭矩將根據試驗數據確認;

e．如果螺旋樁最小深度和最小安裝扭矩都沒有達到，土壤將被判定為不適用于螺旋樁，可以變更螺旋樁位置重新進行驗證試驗;

f．如果螺旋樁安裝扭矩小于2 709 N·m，將重新審查設計方案。

2．2．2 自立塔螺旋樁型式試驗步驟

自立塔螺旋樁型式試驗分為2個階段，第1階段為螺旋樁受壓;第2階段為在同樣扭矩下螺旋樁的受拉，并達到極限荷載。

a．螺旋樁受壓試驗。預荷載為20%允許荷載，每次荷載增加10%，加載持續1 min，測量位移值，最后加載至最大值持續5 min。然后按照10%卸載，測量每次位移值，最后卸載至允許荷載的0%。

b．螺旋樁受拉試驗。預荷載為20%允許荷載，每次荷載增加10%，加載持續1 min，測量每次位移值，最后加載至最大值持續5 min。然后按照10%卸載，測量每次位移值，最后卸載至允許荷載的0%。循環受拉荷載結束后，開始測量螺旋樁極限荷載，按照允許荷載的10%遞增，達到螺旋樁破壞或者設備最大扭矩值時停止，該階段不用測量位移值。

2．2．3 螺旋樁基礎型式試驗結果

施工4標段桿號1009/1(SM82)螺旋樁基礎型式試驗，實測了加載過程中樁頂荷載和位移值，并繪制了螺旋樁基礎的荷載-位移(U-Z)關系曲線。當加載至設計受拉荷載352 800 N，設計受壓荷載352 800 N時，扭矩為14 903 N·m，U-Z曲線較為光滑、平直，未出現陡升拐點，表明地基表面未開裂，樁基礎未發生破壞，驗證基礎埋深、首層葉片深度、寬深比和葉片寬距比設計滿足規范要求。當加載至421 400 N時(設計荷載120%)，樁體發生破壞。實測受壓最大位移14．5 mm，受拉最大位移28．0 mm。受壓最大位移與受拉最大位移比值為0．52，小于設計值0．7，滿足設計要求。

3 結論

螺旋樁基礎安裝可靠性關鍵在于確定可靠的螺旋樁極限承載力，最小埋深，以及通過方案比選確定螺旋樁的最優結構設計(樁長、葉片直徑、葉片層數、葉片間距、深寬比)，通過現場型式試驗驗證螺旋樁設計的可靠性，確保螺旋樁設計達到技術、經濟、可靠性的最優平衡。對于特高壓輸電線路的螺旋樁基礎施工，應根據具體情況確定安全系數，做好材料加工常規試驗檢查，型式試驗及最終接收試驗的全過程質量控制。由于螺旋樁基礎荷載傳遞的復雜性，可以采用不同破壞模型進行對比，并通過試驗進一步驗證圓管樁以及方樁的不同樁長、葉片直徑、葉片層數、葉片間距與深寬比對螺旋樁極限承載力的影響。