0 引 言
螺旋锚应用起源于19世纪60年代英国，用作码头及轻质房屋的基础。螺旋锚基础由螺旋锚、上部承台等构件组成，利用深层土体抵抗上部结构作用的锚固结构体，属于一种微型钢桩基础，其中螺旋锚是由锚杆、锚盘(或称锚叶、锚板)、锚头等构成，又称螺旋锚桩。施工时不必开挖基坑，通过在杆顶施加扭矩将螺旋锚盘旋拧至较深土体中，对土体的扰动小，能充分发挥深层原状土体固有强度，同时制造简单、安装和施工方便，钻进速度快，承载能力发挥快，对环境影响小[1-4]。
伴随抗拔承载功能要求及其设计校核成为建筑物和构筑物基础设计应用的基本内容之一，国内外对螺旋锚、锚板等抗拔性能相对较优的基础开展了大量相关试验研究。丁佩民等分析了张拉索膜结构锚板类型抗拔基础在不同地基情况下多种浅埋锚板极限上拔承载力的计算方法，给出了设计采用的计算式，提出了设计安全系数建议值[5]。李广信等提出并检验了DX单桩几种抗拔端阻力的分析计算方法，并与竖向受压的端阻力进行比较，研究表明DX桩承力盘拉拔的破坏形式及端阻力与桩周土的性质有关，与承力盘的尺寸和埋深等因素有关，但端阻力明显小于受压桩[6]。Johnston等开展了不同冻土层、锚盘尺寸规格的螺旋锚抗拔载荷试验，分析表明螺旋锚在上拔荷载作用下的表现与相同尺寸的深基础基本相似[7]。Merifield开展了黏土地基多锚螺旋锚基础承载性能研究，建立了适用于多锚基础的抗拔承载设计方法，取代现有的半经验设计法[8]。郝冬雪等开展了砂土螺旋锚上拔载荷室内模型试验，探讨了单锚临界埋深、多锚片螺旋锚锚片间距及数量对土体破坏模式及上拔极限承载力的影响，提出了中密砂、密砂中单锚深浅临界埋深值[9]。王杰等开展了砂土中双螺旋锚室内上拔试验， 利用回归分析方法对试验数据进行了分析，给出了双螺旋锚极限承载力的计算方法[10]。胡伟等通过对砂土浅埋的单叶片螺旋锚进行竖向拉拔室内试验，分析了其安装扭矩、埋置深度和极限抗拔承载力间的相互关系，叶片表面土压力的分布规律，提出了基于叶片表面土压力螺旋锚桩拉拔承载力计算方法[11]。
有关螺旋锚试验研究及应用的时间跨度较长，软土是其主要应用对象，但相关研究工作主要集中在砂土地基室内模型试验、数值模拟等[12-15]，而软土地基螺旋锚原位试验研究较少。本研究根据软土地基条件下不同锚盘间距、直径，以及3种(1个、2个、3个)锚盘数量、不同埋深的螺旋锚单锚基础原位抗拔载荷试验结果，研究螺旋锚抗拔承载特性，分析规格尺寸对螺旋锚抗拔承载性能的影响，为进一步完善软土地基螺旋锚设计理论与方法提供技术参考。
1 试验概述
1.1 水文地质条件
试验场地位于浙江绍兴沿海滩涂上，地质条件主要为沉积层，具体分布见表1，地下水位在0 m位置。
表1 试验场地土层分布情况
Table 1 Distribution of soil layer in test site
序号地层名称层厚/m状态黏聚力/kPa1粉质黏土0.5～1.0软塑26.52黏质粉土1.2～2.0中密10.43砂质粉土0.3～0.5中密9.54淤泥质粉质黏土>2.0流塑11.3
1.2 试验基础规格及施工
加工8个不同规格的单根螺旋锚构件，旋拧施工11个单锚基础，旋拧装备采用挖掘机配置含液压马达的动力头，如图1a所示。通过动力头提供扭矩及挖掘机提供下压力及液压动力输出，实现螺旋锚旋拧作业，如图1b所示。
a—含液压马达的动力头； b—旋拧成套装备。
图1 试验基础旋拧施工
Fig.1 Screwing construction for test foundations
为避免施工过程中对地层的扰动，现场施工旋拧进尺速度0.5 m/min，施工效率高。
实施11个螺旋锚轴心上拔静载荷试验，具体试验基础规格尺寸如表2及图2所示。
表2 单根螺旋锚基础规格尺寸
Table 2 Specifications and dimensions of single screw anchor foundation
序号试验编号埋深H/m螺旋锚锚盘盘数盘距h/mm盘径B/mm锚杆直径b/mm1D3A-3.53.51—300702D3B-3.53.52600300703D3B-33.02600300704D3C-3.53.53900300705D4A-4.54.51—400906D4B-33.021200400907D4B-4.54.521200400908D4C-4.54.531200400909D5A-33.01—50011510D5A-44.01—50011511D5B-44.021500500115
注：试验编号中A、B、C分别表示1，2，3个锚盘；D3、D4、D5分别表示锚盘直径为300，400，500 mm的螺旋锚。
a—1个盘A型； b—2个盘B型； c—3个盘C型。
图2 试验基础
Fig.2 Test foundations
1.3 载荷试验方法
原位静载荷试验是分析基础承载性能、获得基础承载力普遍采用的试验方法之一，是按基础的使用功能，模拟上部结构荷载作用，在基顶逐级施加作用力并观测基础变形，以确定基础承载力和荷载与位移变化关系。相关加载与位移均实现全自动记录。
试验采取快速维持荷载法，即：分级加载并维持不少于10 min，每1 min记录1次荷载与位移值，然后再施加下一级荷载，当基础位移骤然增大，或超过最大位移预定值(本次试验取40 mm)，或荷载无法维持，或超过设备最大加载值时终止加载，随后分级卸载至零。加载稳定是指某一荷载加至预定值后，加载系统补载较少，同时位移变化较小，维持稳定状态。
2 试验结果及承载特性分析
2.1 试验基础承载力
11个单锚基础的试验荷载-位移关系如图3所示。由于软土地土层具有高压缩性，且螺旋锚属于深基础，极限承载力确定时考虑较大的极限位移。按极限位移取40 mm，并采用插值法计算极限承载力如表3所示。
a—锚盘直径300 mm； b—锚盘直径400 mm； c—锚盘直径500 mm。
图3 单锚轴心上拔载荷试验荷载与位移关系
Fig.3 Relationship between load and displacement of axis uplift load tests of single anchors
表3 试验基础极限承载力与位移情况
Table 3 Ultimate bearing capacity and displacement of test foundations
试验编号极限承载力/kN极限位移/mm备注D3A-3.58.040D3B-3.522.940D3B-340.023.52D3C-3.546.440D4A-4.525.740D4B-326.340D4B-4.533.740D4C-4.549.440D5A-330.740D5A-426.040D5B-467.040按40mm位移插值法计算后续加载难以稳定,取前一级稳定荷载按40mm位移插值法求得
2.2 承载特性分析
从单锚载荷试验的荷载与位移关系曲线看，除D3A-3.5外，陡降特征不明显(在上拔位移较大阶段一级加载位移量是上一级的5倍时，可认为荷载与位移关系曲线属于陡降型)，但临塑状态对应的荷载较小，塑性变形阶段较长。
加载试验中未出现峰值效应及承载力弱化等地基整体剪切破坏的特征，与软土桩基等深基础的承载特性类似。
3 承载性能影响分析
通过图4的试验荷载与位移关系曲线，并结合施工与试验过程所体现的信息数据分析锚盘直径、数量、间距以及埋深等尺度因素对单锚抗拔承载性能的影响。
3.1 锚盘直径
图4 螺旋锚承载力与锚盘直径的关系
Fig.4 Relationship between the bearing capacity of screw anchors and the diameter of anchor plates
不同锚盘直径下各试验基础承载力如图4所示。与相同锚盘数量的单锚基础承载力比较，虽然存在锚盘所在土层、埋深等因素影响，但总体呈现锚盘直径越大，抗拔承载力越大的趋势。
3.2 锚盘个数
对相同锚盘个数的不同锚盘面积及其承载力的数据点采用线性拟合分析，并考虑拟合曲线初始值为零，拟合结果如图5所示。虽有相同锚盘数的单锚埋深、锚盘盘径及持力层不同，但不同锚盘数量的试验结果均有类似因素影响，因此，可作为锚盘个数影响分析依据。
图5中1个、2个、3个锚盘承载力结果的拟合曲线的斜率(即承载力与锚盘面积之比)分别为152.49、313.76、456.4。可以看成拟合曲线的斜率值与锚盘个数存在线性相关，表明软土地及锚盘越多承载力越高。本次试验软土地基2个及以上锚盘数的螺旋锚盘间距不小于2倍锚盘直径，因此，同一单锚相邻两个锚盘间距与盘径之比大于2.0时，锚盘之间彼此抗拔性能影响可忽略，各锚盘抗拔承载力独立计算。
图5 螺旋锚承载力与锚盘面积的关系
Fig.5 Relationship between the bearing capacity of screw anchors and the area of anchor plates
3.3 锚盘埋深与持力层性质
以相同锚盘直径的试验结果为对象，开展比较分析：
1)对于锚盘直径为300 mm的螺旋锚，埋深等对承载力的影响特征不明显。D3A-3.5、D3B-3.5、D3C-3.5试验基础的埋深均为3.5 m，结合表2所列规格尺寸，忽略锚杆摩阻力影响，埋置在3.3 m的锚盘对试验基础的承载力贡献约为8 kN，埋置在2.7～2.4 m的锚盘贡献承载力约为15 kN，埋置在2.2～2.5 m的锚盘约为25 kN。
2)对于锚盘直径400 mm的螺旋锚，以D4A-4.5、D4B-4.5与D4C-4.5试验进行比较，其中D4B-4.5与D4C-4.5两者锚盘间距、埋深等相同，但后者比前者多1个锚盘，下层2个锚盘埋置位置相同，从极限承载力看，位于1.9 m及以上位置的锚盘所贡献的极限抗拔承载力大于15 kN，埋置在2.8～3.1 m的锚盘贡献承载力约为8 kN，埋置在4.3 m位置的锚盘贡献承载力约为25 kN。
3)对于锚盘直径500 mm的螺旋锚，D5A-4和D5A-3试验比较，锚盘埋置深度分别在3.8 m和2.8 m，可以看出深度对螺旋锚承载力影响不明显，但深度越深变形略小；结合其他试验比较，2.3～3.8 m范围内，锚盘埋置深度越深所贡献的承载力越小。
4)从相同埋深、不同盘径的螺旋锚载荷试验结果看，对于1个锚盘的试验基础，锚盘直径越大承载力越高，而埋深的影响不明显，根据场地土层分布情况，锚盘均进入了流塑状淤泥质粉质黏土。
综合以上分析表明：锚盘所在土层对其抗拔承载力影响明显，而埋深对锚盘承载力的影响相对较小，因此，在进行螺旋锚基础设计、施工质量评价时需考虑持力层性质对其抗拔承载力的影响。
虽然本次泥沼螺旋锚原位试验显示土层性质相对埋深对承载性能的影响更明显，但是相同土层内埋深越大抗拔承载力越高，如埋置在淤泥质粉质黏土、深度为4.3 m位置锚盘的承载能力高于相同土层浅部位置。
4 结束语
通过泥沼软土地基螺旋锚单锚基础原位抗拔静载荷试验，分析了螺旋锚承载特性，探讨了锚盘直径、个数、埋深及其所埋置的持力层对其抗拔承载性能的影响，得到以下结论：
1)软土地基螺旋锚荷载与位移关系曲线介于陡降型、缓变型特征之间，具有临塑荷载较小、塑性变形阶段较长的特征。
2)虽存在锚盘所在土层、埋深等因素对螺旋锚抗拔承载性能的影响，但总体趋势看锚盘直径越大，抗拔承载力越大。
3)螺旋锚中锚盘个数越多则抗拔承载力越高，当相邻锚盘间距与锚盘直径之比大于等于2.0时，同一螺旋锚的锚盘之间对其抗拔承载性能的相互影响可忽略，抗拔承载力可按各锚盘承载力之和计算。
4)螺旋锚锚盘所埋置持力层性质对螺旋锚抗拔承载力的影响比埋深更明显，但相同土层埋深越深承载力越高，对螺旋锚进行设计、施工质量评价等工作时，需考虑持力层影响。
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