第 1 章 绪论
1.1 研究背景
作为一种古老而又常见的基础形式，桩基础通过桩身将上部结构的荷载传递至承载力较强的土层或岩层，或挤密软土层以提高地基极限承载力，从而减少地基的不均匀沉降，确保建筑物的稳定[1]。相较于其他形式的基础，桩基础具有施工速度快、适用性强、承载力高和沉降变形小等特点，被广泛应用于高层建筑、高速铁路、公路、港口码头、海上平台等工程中[2]。增加桩径或者桩长可以提高桩基整体承载性能，但是一味地靠增加桩长或桩径来提高桩基承载力的做法既不经济又会增大施工难度。据不完全统计，桩基工程的造价在一些重大工程项目中不低于总造价的 20%，因此，寻求单位材料利用率高、承载力高、造价低，且地基稳定性可以显著增加的异型桩基，成为岩土工程领域关注的焦点[3]。在这样的背景下，科研人员从桩身截面、桩身材料、施工工艺等方面着手，创造了大量的异型桩，如挤扩支盘桩、楔形桩、扩底桩、Y 型桩等。可以说，桩型、桩身材料以及施工工艺的发展给桩基承载性能的研究提出了新的课题。
作为一种新型的变截面异型桩，螺纹桩是由浇筑成型的光圆桩芯和外围螺纹共同承担荷载的一种桩型，桩身构造如图 1-1 所示，其中，
D 为螺纹桩内径、D′为螺纹桩外径、S 为螺距、B 为螺纹宽度、Hin为螺纹内侧厚度、Hout为螺纹外侧厚度。
螺纹桩由于外围螺纹的存在使其增大了与土体的接触面积，同时外围螺纹与土的机械咬合作用也相应得到提高，从而具有承载力大、桩身沉降小、节约工程材料等优点。其次螺纹桩在成桩过程中无需采用振动锤和取土，避免了产生巨大的噪音及排土（泥浆）污染等问题[4]。因此，近年来在国内外一些工程实践中得到了应用[5-9]。由于螺纹桩空间形态复杂，桩-土相互作用机理复杂，对螺纹桩竖向承载特性的研究已成为工程界的和学术界的一大难点，现阶段对其竖向承载特性的研究仍处于初级阶段。基于此，本文采用非线性有限元软件 Abaqus 对螺纹桩竖向承载特性及群桩效应进行研究，所得结论可为螺纹桩在实际工程中的应用提供一定参考。
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1.2 螺纹桩的特点
与其他桩型相比，螺纹桩具有以下特点[10]：
(1) 经济效益显著
与同类型其他桩相比，螺纹桩由于外围螺纹的存在使其侧摩阻力远大于其他类型桩，在承载力要求和土体性质均相同的条件下，螺纹桩能够显著减少桩长、缩小桩径，节约混凝土用量。此外，相邻螺纹间的土体替代了部分混凝土，从而混凝土用量可进一步减少。
(2) 螺纹桩单桩承载力大幅提高
由于外围螺纹的存在，桩-土相互作用机理发生改变，与等截面圆桩相比，桩侧阻力大幅提高，加之螺纹桩属于全挤土型桩，桩间土体的承载力也会得到一定程度的提高，从而导致螺纹桩单桩承载力得到大幅提高。
(3) 环保效益高
螺纹桩通过特制的螺纹钻杆成孔，环境污染和噪音污染等问题都很小。相比较泥浆护壁钻孔灌注桩，螺纹桩施工时泥浆排放量显著减少；与打入式预制桩相比，螺纹桩施工现场噪音相对较低。
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第 2 章 螺纹桩单桩竖向承载特性的数值模拟研究
2.1 Abaqus 在岩土工程中的优势
作为国际上最为强大的通用有限元分析软件之一，Abaqus 具有强大的计算功能和广泛的模拟性能[45-48]，能够求解静力、动力等多种问题，尤其在求解非线性问题方面的能力十分优异，对岩土工程有较好的适用性。相较于其他有限元分析软件，Abaqus 在岩土工程数值分析领域中具有以下优点：
(1) 丰富的材料本构模型。Abaqus 提供了丰富的岩土材料本构模型，能够真实地反映土体受力变形性状，如土体的剪胀性、屈服性等，可用于各种岩土材料的模拟。Abaqus 拥有 M-C 模型、C-C 模型、D-P 模型等本构模型，其中 C-C 模型是目前很多有限元软件尚未提供的。另外，Abaqus 提供了开放、灵活的二次开发平台，通过自定义子程序用户可以建立特定的本构模型、实现特定的功能。
(2) 土体是典型的三相体，其有效应力对土体的强度及变形影响较大。Abaqus中的孔压单元，可进行土体的固结、渗透分析，以满足这一需求。Abaqus 中的Soil 分析步，不仅提供了流固耦合的稳态渗流、瞬态固结等功能，而且提供了针对非饱和土的分析功能。
(3) Abaqus 提供了地应力平衡分析步，可准确建立地基土体在自重作用下的初始地应力状态。
(4) 可处理复杂边界条件和工况。Abaqus 提供了单元生死功能，可方便用于模拟建筑结构的施工过程。此外软件还提供了无限元，可模拟地基土体边界位于无穷远处的情形。
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2.2 桩-土本构模型
2.2.1 桩身材料本构模型
一般来说，桩身材料的强度远大于土体材料的强度。在竖向荷载作用下，桩身很少会发生塑性破坏，可认为桩身只发生弹性变形，故桩身材料的本构可选用线弹性模型。其本构方程为：
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3.1 距径比 S/D 的影响 ............................. 25
3.2 螺纹宽度 B 的影响 ................................ 27
3.3 螺纹内外厚度比（Hout/Hin）的影响 ...................... 29
第 4 章 螺纹桩群桩竖向承载特性研究 .............................. 37
4.1 群桩有限元模型的建立 ............................. 37
4.2 计算结果分析 ................................ 39
第 5 章 螺纹桩群桩效应研究 ................................. 55
5.1 群桩效应的评价 ................................. 55
5.2 群桩效应的计算方法 ................................. 56
第 5 章 螺纹桩群桩效应研究
5.1 群桩效应的评价
竖向荷载作用下，群桩基础由于群桩、地基土体、承台三者之间的相互作用和影响，承载机理变得更加复杂，桩侧阻力、桩端阻力、沉降变形、基础破坏形态等方面均与单桩有明显区别，承载力并不是各单桩承载力的简单相加，这种现象称为群桩效应。
基桩为端承型桩的群桩基础，在竖向荷载作用下，其大部分荷载通过桩身直接传递到桩端。由于桩侧阻力所承担的荷载比重较低，从而桩侧阻力之间的相互影响较小、土体应力叠加效应也较小。加之，桩端土体强度较大，基桩本身的贯入变形较小，承台底地基土所分担的荷载比例很小。因此，对于端承型群桩基础而言，基桩的工作性状与普通独立单桩几乎没有区别，群桩基础可以看成普通独立单桩的简单集合，基桩之间、承台与土体之间的影响都小到可以忽略不计，群桩效应系数可近似取为 1。
基桩为摩擦型桩的群桩基础，在竖向荷载作用下，承台底部土体、基桩本身、桩间土体、桩端土体以及承台均承担了一部分荷载，形成了承台、基桩、土体相互作用体系，故而其工作性状相对端承型群桩基础而言要复杂的多。此时，土体将产生应力叠加，使得任一基桩的工作性状明显有别于普通独立单桩，群桩承载力将不再是简单地等于各基桩承载力之和，其群桩效应系数既可以大于 1 也可以小于 1。螺纹桩属于典型的摩擦桩，基桩为螺纹桩的群桩基础必须要考虑群桩效应。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文采用非线性有限元软件 Abaqus 建立了螺纹桩单桩及群桩的三维有限元模型，对螺纹桩单桩和群桩竖向承载特性、群桩效应系数进行了相关研究，主要结论如下：
（一）螺纹桩单桩竖向承载特性
(1) 相对于等截面圆桩，螺纹桩能够大幅度提高桩基承载力，并显著减小桩身沉降。
(2) 距径比 S/D 对螺纹桩承载力的影响很大。随着 S/D 的增加，螺纹桩承载力先增大后减小，并在 S/D 处于 0.5~2.0 的区间内取到最大值。
(3) 螺纹宽度 B 会影响螺纹与土体机械咬合作用，并影响相邻螺纹间的土体体积，进而影响螺纹桩的承载力。螺纹桩的承载力与螺纹宽度 B 基本呈线性正相关的关系。
(4) 螺纹内外厚度比 Hout/Hin 对螺纹桩的承载力几乎没有影响。实际工程应用时，螺纹内外厚度比的选择宜根据施工难易程度进行灵活选取。
(5) 桩周土体性质对螺纹桩承载力影响较大，而桩端土体性质的影响相对较小，实际工程应用时应重点关注桩周土体性质。
参考文献(略)