螺旋桩通过在等直径桩体上增设螺旋叶片实现了其单桩承载力的显著提高，并具有可快速、弱扰动沉桩，以及环保、经济等功能性优点[1-2]。随着近几十年液压扭矩机械的发展，螺旋桩正在被广泛研究应用于各种抗拔[3-4]、抗压[5]与抗侧向力[6]场景中。然而，螺旋桩相比传统等直径桩更为复杂的桩体几何也导致能显著影响其承载能力的桩体几何参数众多，影响特征与机理更为复杂。螺旋间距比（S/D，螺旋间距与螺旋直径比）是影响螺旋桩最终地基破坏模式的关建桩型参数：在某临界螺旋间距比（S/Dcr）前后，地基破坏分别呈现为底部和顶部螺旋之间筒状土体剪切破坏，以及各螺旋下卧土独立受压破坏，相应承载力设计方法分别称为圆柱面剪切法与单盘承载法[7]。不同地基破坏模式是桩体受荷时荷载传递特征差异的最终宏观展现，进而使得相同情况下两种特征桩型的单桩承载力往往差距明显。大量研究[8-10]尝试找到引起螺旋桩承载特性转变的确切临界S/D值，但目前各研究结果间仍存在不同程度差异。另外，顶螺旋埋深比[11]、中心桩桩径[12]、螺旋直径[13]、螺旋数量[14]等其余众多桩型参数同样显著影响着螺旋桩承载特性。各种因素的交织影响为形成准确的螺旋桩承载力设计方法带来了挑战[15]。目前对螺旋桩的应用研究多集中于各种抗拔场景，但其同样优异的竖向承载能力使其具有代替传统桩成为建筑领域，特别是需要快速施工的临时建筑邻域主流基桩的潜力[16-17]。已有针对螺旋桩在不同土质条件中受压的临界S/D值、荷载-位移特征、荷载传递特征与桩型参数影响特征研究[18-19]。但现有研究侧重于宏观分析地基土响应与荷载-位移曲线特征，缺少对承载过程中桩体受力演化分析，以及从桩体受力视角认识螺旋桩荷载传递特征及其机理，不利于更准确的单桩承载力计算方法的实现。此外，在保持其它因素相同情况下，顶螺旋埋深比、中心桩桩径、螺旋直径、螺旋数量、螺旋间距比等桩型参数变化对两种特征桩型螺旋桩（S/D＜S/Dcr与S/D≥S/Dcr）各自承载特性的影响特征及机理的对比分析更是缺乏。中国对螺旋桩研究起步较晚，亟需研究积累相关设计与应用经验。以针对某寒区山地赛场临时看台工程快速施工，有效提高地基承载力，并消除地基冻融变形影响需求所研制的一种隔离式抗冻融循环螺旋钢桩[20]为基础桩型（图 1），结合室内物理模型试验与数值模拟试验，首先查明所设计螺旋桩在试验条件下的S/Dcr值，进而从桩体受力视角对比揭示两种特征桩型螺旋桩（S/D＜S/Dcr与S/D≥S/Dcr）各自在竖向受荷沉降过程中的桩身受力演化、荷载传递与地基响应特征，阐明顶螺旋埋深比、中心桩桩径、螺旋直径、螺旋数量、螺旋间距比等桩型参数对两种特征桩型单桩承载力的影响规律及其机理。建立水-热-力多场耦合数值分析模型，探究桩基在冻融循环作用下的桩体位移响应特征，验证其抵抗地基冻融变形能力。研究成果可丰富螺旋桩抗压承载设计与使用经验，并为广阔寒区抗冻融地基处理提供新参考方案。
结合物理模型试验与有限元方法从桩身受力视角对比揭示了两种特征桩型螺旋桩受压沉降时桩身受力演化、荷载传递与地基响应特征，以及各桩型几何参数对单桩抗压承载力的影响特征及机理；探讨了隔离式螺旋桩抵抗地基冻融变形性能。得到4点主要结论。
（1）受荷沉降过程中，两种特征桩型螺旋桩底螺旋及其以下桩身受力（端阻、侧摩阻）大小相当且均呈增长趋势；S/D＜S/Dcr桩底螺旋以上各螺旋端阻在螺旋间筒状土体剪切破坏前不断增长，而后保持远小于桩端与底螺旋端阻水平，螺旋间桩侧摩阻保持低水平，地基破坏模式为螺旋间筒状土体早先剪切破坏，最终桩端及底层螺旋下卧土体受压破坏；S/D≥S/Dcr桩上层螺旋端阻在其下卧土体达极限状态前保持与桩端及底螺旋端阻相当大小与增长趋势，螺旋间桩侧摩阻较大且随螺旋端阻同步增长，地基破坏模式为各螺旋及桩端下卧土自上而下独立受压破坏。
（2）两种特征桩型达极限状态时桩身轴力分布总体特征基本一致。桩端与各螺旋端承作用导致相应桩身截面轴力突增，S/D＜S/Dcr桩上层螺旋端阻仅约为1/5底螺旋端阻，而S/D≥S/Dcr桩各螺旋端阻相当。S/D≥S/Dcr桩螺旋对下卧土体显著施加附加应力，导致明显增大且自上而下指数衰减的螺旋间桩侧摩阻力。相同条件下，更大上层螺旋端阻及螺旋间桩侧摩阻赋予了S/D≥S/Dcr桩更强的抗压承载性能。
（3）两种特征桩型单桩抗压承载力皆随桩长、螺旋直径与螺旋数量增长线性提升，随中心桩桩径增长先线性增大后加速衰减两段式发展。但S/D≥S/Dcr桩单桩承载力受以上桩型参数变化影响较S/D＜S/Dcr桩更显著。在不超过S/Dcr范围内增大S/D可显著提升单桩承载力，但超过S/Dcr后继续增大反而导致承载力线性衰减。
（4）通过在冻土深度范围内设置可轴向滑动的隔离套，具有切断冻土与中心持力桩体切向力传递，消除地基冻融变形对桩体位移影响的理论可行性。
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《岩土工程学报》2024年第6期全文阅读
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