螺旋桩是一种由钢制桩身连杆和焊接在其上的螺旋叶片构成的基础。由于螺旋桩外形的特殊性，可以通过在桩顶施加的扭矩和压力将其旋转按压至土体内。螺旋桩安装所需设备轻便，安装过程快速且噪音小[1]；其安装在位后，桩身连杆和螺旋叶片协同承载，提供的抗拔承载力明显大于传统单桩基础[2-3]；同时，可通过施加反向扭矩实现螺旋桩的回收利用[4]。基于以上优势，螺旋桩被视作一种有广泛应用价值的海上风电基础形式。
目前，螺旋桩基础常用于锚固或支撑近岸及陆上小型结构[5-6]，螺旋叶片直径约0.15~0.6 m，桩身连杆长约1~6 m[7]，可以提供的抗拔承载力约为50~300 kN。典型单叶片螺旋桩的外形及安装参数如图 1所示。在极端海况下，典型8 MW四腿导管架海上风电结构若采用螺旋桩作为其单腿基础，其桩长和螺旋叶片直径需分别达30，2 m以上[8]。相比于陆上螺旋桩，应用于海洋工程中的螺旋桩其尺寸需要大幅提升，安装过程需要的压力和扭矩也需要大幅增加。因此，如何准确预测安装螺旋桩所需的压力和扭矩是其应用于海上风电工程中的关键问题之一。许多学者提出螺旋桩安装过程所受力和扭矩的预测模型[9-10]，这些预测模型的共同点在于将螺旋桩各部件所受的力和扭矩分别计算。Ghaly等[9]和Sakr[11]预测螺旋桩分别在砂土和无黏性土中安装所受的扭矩时，都将螺旋桩安装扭矩分为作用在桩身连杆、螺旋叶片上下表面、螺旋叶片侧壁等部分产生的扭矩。Therar[12]提出的CPT法预测螺旋叶片受力时，将其分为螺旋叶片底部摩擦力、螺旋叶片侧向摩擦力和螺旋叶片刃口承载力。现有的螺旋桩安装扭矩及压力的预测方法都是在推进比为1的前提下提出的[10]。推进比作为用来描述螺旋桩的安装的重要参数，其计算公式为螺旋桩旋转一周的竖向位移Δzh与螺旋叶片螺距ph的比值。推进比AR的建议取值为1±0.2[13-14]，即螺旋桩每旋转一周向下推进约一个螺距，这样的安装形式被称为“螺距匹配”式安装。现有的螺旋桩施工规范建议采用这样安装方式是为了减少安装过程对土体的扰动。
图1 典型单叶片螺旋桩及安装参数
然而，史旦达等[13]通过室内模型试验发现减小AR可以显著降低螺旋挤扩钻具贯入时的竖向阻力以及扭矩。Wang等[15]和Sharif等[14]通过模型试验及离散元数值模拟发现在螺旋桩的安装过程中存在相似的结果。Sharif等[14]应用离散元方法模拟了螺旋桩在不同AR下的安装和上拔，发现在显著减小螺旋桩安装所需竖向力的同时，减小AR可以显著增大螺旋桩的上拔承载力。Cerfontaine等[16]通过离心机实验进一步表明在AR < 0.25时，螺旋桩的整个安装过程都受到土体的下拉作用，即不需要提供额外的竖向压力便可将螺旋桩安装到位。对于海上大型螺旋桩而言，AR对于其施工设备选型以及螺旋桩安装工作能否顺利进行起着关键性作用。
此外，学者们对于螺旋桩安装过程对其周围土体的影响进行了研究。Shi等[17]通过离散元方法模拟螺旋桩在不同AR下的安装过程，发现AR较大时螺旋桩周围土体的孔隙率降低更明显，即螺旋桩安装引起的土体压实效应更强。Sharif等[14]应用离散元方法研究了螺旋桩安装完成后AR对桩周土体残余应力的影响，观察到在较高AR值下安装导致螺旋桩下方产生较大的残余应力且这些应力随AR的增加而增加的现象。史旦达等[13]通过模型试验研究了不同AR下安装螺旋挤扩钻具时周围土体的组构演化，发现接触法向各向异性程度随着AR的减小而减小。螺旋桩安装过程对桩周土体影响的研究对理解螺旋桩与土的相互作用具有重要意义。
综上所述，业内学者已关注到AR对螺旋桩安装所需条件以及安装后承载性能的影响，并对螺旋桩安装过程中土体所受响应进行了一定研究。但目前有关螺旋桩在不同AR下的安装受力研究，仅将螺旋桩的受力分为连杆受力与螺旋叶片受力两部分[18]。要准确预测螺旋桩在不同AR下安装时所需扭矩和力，还需将连杆与螺旋叶片所受的反力和扭矩进一步细分。
本文目的是通过离散元方法模拟螺旋桩在不同AR下的安装过程，研究螺旋桩在不同AR下安装时的桩身受力情况及对周围土体的影响。宏观上，分析了螺旋桩各部件的受力情况，相较于之前学者的研究进行了进一步细化：将连杆受力进一步划分为连杆侧壁及端部受力，将螺旋叶片受力进一步划分为螺旋叶片上下表面受力；细观上，研究了螺旋桩安装前后土体孔隙率、配位数、应力等方面的变化。研究螺旋桩与土之间的相互作用，从侧面解释螺旋桩各部件受力在不同AR下发生变化的内在原因。
基于离散元分析方法，分别分析了螺旋桩在AR为1，0.5，0.25下的安装过程，研究了螺旋桩安装过程中其各个部件的受力及螺旋桩与周围土体的相互作用。得到5点结论。
（1）在螺旋桩安装过程中，螺旋桩受到的竖向力与扭矩均随着AR的减小而降低且扭矩随AR的减小幅度小于竖向力的减小幅度。
（2）螺旋桩在AR=1与AR＜1时存在两种不同的安装机制：AR=1时，螺旋叶片表面处的土颗粒与螺旋叶片发生沿螺旋叶片倾角方向的相对滑动；螺旋叶片上表面所受竖向力很小，下表面所受的竖向力为负值。在AR＜1时，螺旋叶片的运动方向更接近水平向，叶片上表面颗粒在发生沿叶片倾角方向相对滑动的同时产生向上位移；在AR≤0.5时，螺旋叶片上表面所受竖向力为正值，下表面所受竖向力很小。
（3）螺旋桩安装过程中所受竖向力由桩身连杆和螺旋叶片所受竖向力组成，桩身连杆所受竖向力占比大于螺旋叶片所受竖向力。桩身连杆所受竖向力几乎全部来自桩身连杆端部受力。
（4）螺旋桩的安装导致其周围土体孔隙率降低，且随着AR的减小，螺旋桩周土体孔隙率减小更为显著，即密实效应更加明显。这与部分学者所观察到的现象不一致，桩型与土体相对密实度对螺旋桩安装前后土体中孔隙率变化的影响还需进一步的研究。
（5）随着AR的减小，螺旋桩周围土体的附加竖向应力与水平应力都降低，螺旋桩连杆端部受力随AR的减小与这一现象有关。螺旋桩安装完成后，周围土体内的残余应力随着AR的减小而增大。
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《岩土工程学报》2024年第6期全文阅读
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