螺旋桩（Screw Pile or Helical Pile）是一种带螺旋叶片的金属管桩，采用专用设备拧入地下，替代混凝土基础，桩顶连接负载，其优点为施工快捷方便、大幅缩短施工周期、对环境友好、环保、不破坏植被，适应各种地质条件，并且方便迁移及回收。
螺旋桩最早于1838年作为英国一座灯塔构筑物的基础得以应用（Maplin Sands Light House），取得了很好的效果，在此向前辈工程师Alexander Mitchel表示敬意。19世纪40年代以来，螺旋桩得到了蓬勃的发展，尤其在美国、加拿大及俄罗斯地区应用特别广泛。早期主要作为抗拔锚桩，后期发展到抗压桩，螺旋桩已广泛应用于电力塔架、信号标示牌、房屋基础、仓库等，目前主要应用于轻型构筑物的基础。笔者通过加拿大某工业项目接触到该桩型，所以在一定范围内展开研究。
螺旋桩因其未列入国内桩基规范，其受力模式、计算方法均不明确，所以在国内应用较少。国内应用最多就是作为光伏太阳能板的基础，目前该行业蓬勃发展且随着“一带一路”走出去的趋势，仅在该行业的应用也相当可观，已经催生出很多螺旋桩、打桩机设备的生产厂家。同时由于新兴行业存在很多不规范的现象，例如2011年9月，海南省经受台风袭击，某些光伏支架被台风破坏、发生倾覆，有的甚至连根拔起。螺旋桩技术并非单纯的产品，它还包括专业的施工队伍、丰富的管理经验以及整套的施工解决方案。由于笔者是从事结构设计专业，所以从设计方面对桩型的设计及施工进行一些阐述。
光伏面板支架典型螺旋桩施工
螺旋桩承载力设计
光伏支架上的荷载包括自重、风荷载、雪荷载、温度荷载和地震荷载等，其中风荷载起控制作用。通过多个工程对比，单桩抗标准设计值≤10kN，由于支架并非单纯拉压受力体系，同时桩身需具备一定的抗水平能力。参考IBC 2009关于Helical pile章节描述，螺旋桩承载力极限值为设计标准值的2倍。
试验研究证明：当螺旋叶片间距＜3倍叶片直径时，桩极限承载力破坏模式为整体破坏模式；当螺旋叶片间距≥3倍叶片直径时，桩极限承载力破坏模式相对独立，其受力状态等同于单片受力的合力。为最大程度的获得承载力，可控制螺旋叶片间距为3D(Hlix Spacing ）
为保证螺旋桩受力的可靠性，对于单叶片桩，叶片埋深需≥1.5m；对于多叶片桩，埋深最浅叶片需≥5D1（叶片直径）。
光伏工程中应用的螺旋桩一般为2m左右，桩径小，桩长较短，一般忽略桩身侧阻力，只考虑螺旋叶片端部承载力，其理论计算可采用太沙基地基承载力计算公式：
单叶片螺旋桩多叶片螺旋桩
q'≔γ'⋅H
AH: 螺旋叶片受力面积c'：土体有效粘聚力
γ'：叶片以上土层有效重度H：叶片埋深
Nc：承载力粘聚力影响系数Nq：承载力内摩擦角影响系数Nγ：承载力基础宽度影响系数
由于螺旋叶片直径较小，通常忽略叶片宽度对承载力的贡献。
Terzaghi’s Shallow Foundation Bearing Capacity Factors
以某工程为例，螺旋桩采用ϕ76X4，材质为Q235，桩长2m，双螺旋叶片，叶片直径200mm，上层叶片埋深1m，下层叶片埋深1.65m。
d≔76mmt≔4mmD≔220mmH1≔1mH2≔1.65m
Pile shaft diameterPile shaft Thk.Pile Plate diameter
Depth from ground to top helical plateDepth from ground to bottom helical plate
1）当螺旋桩持力层为砂层：Sands φ’ > 0; c’ = 0
c'≔0ϕ'≔30°kN
γ'≔18――
3m
Nq≔22.5
Soil effective cohesion strengthSoil effective internal friction angleEffective unit weight of soil above helical anchor plate
Bearing Capacity Factor
22π⎛2
⋅⎝D−d⎞AH≔―⎠=0.033m4
单桩抗压极限承载力：Qult.c≔AH⋅γ'⋅⎛⎝H1+H2⎞⎠⋅Nq=35.929kN
单桩抗拉极限承载力：
在保证螺旋叶片埋深的情况下，单桩抗拔与抗压承载力计算方法相同，在工程设计中可保守取抗压承载力乘以折减系数λt=0.87。Qult.p≔λt⋅Qult.c=31.258kN
2）当螺旋桩持力层为饱和粘土层：Saturated Clays φ’ = 0; c > 0
c'≔30kPaϕ'≔0°kN
γ'≔18――
3m
Nc≔5.7
Soil effective cohesion strengthSoil effective internal friction angleEffective unit weight of soil above helical anchor plate
Bearing Capacity Factor
单桩抗压极限承载力：Qult.c≔AH⋅⎛⎝c'⋅Nc+γ'⋅H1⎞⎠+AH⋅⎛⎝c'⋅Nc+γ'⋅H2⎞⎠=13.046kN单桩抗拉极限承载力：Qult.p≔λt⋅Qult.c=11.35kN
由以上计算可见，在饱和粘土中，该桩长获取的承载力较低，需加大桩长或增加埋深。
3）当螺旋桩持力层为混合土层：Saturated Clays φ’ >0; c > 0c'≔20kPaϕ'≔18°kNγ'≔18――3mNc≔15.5Nq≔6Soil effective cohesion strengthSoil effective internal friction angleEffective unit weight of soil above helical anchor plateBearing Capacity FactorBearing Capacity Factor单桩抗压极限承载力：Qult.c≔AH⋅⎛⎝c'⋅Nc+γ'⋅H⋅Nq⎞⎠+AH⋅⎛⎝c'⋅Nc+γ'⋅H2⋅Nq⎞⎠=33.952kN单桩抗拉极限承载力：Qult.p≔λt⋅Qult.c=29.538kN螺旋桩一般通过预留腐蚀余量来保证桩体的耐久性，且一般要求进行热浸锌处理。由于施工过程（旋进土体）会对镀锌造成一定的破损，可不考虑镀锌保护，仅针对裸碳素钢预留腐蚀余量。参考AASHTO（2004），对于中等腐蚀的土壤，可按每年腐蚀12μm，如设计年限为30年，其总腐蚀量为：Pile corrosion allowance for 30 years, each sidetcor≔30⋅12μm=0.36mm桩身承载力验算d≔76mmt≔4mmFy≔235MPaPile shaft diameterPile shaft Thk.Pile yeild strengthdeff≔d−2⋅tcor=75.28mmteff≔t−tcor=3.64mmE≔200000MPa4⎞⎛4π⋅⎝deff−⎛⎝deff−2⋅teff⎞⎠⎠I≔―――――――――6422⎞2π⎛⋅⎝deff−⎛Aeff≔―⎝deff−2⋅teff⎞⎠⎠4r≔‾‾‾‾I=25.361mm――AeffAs a practical guideline, soilwith N60 SPT blow counts per ASTM D-1586 greater than 4 along the entire embedded length of the helicalpile shaft has been found to provide adequate support to resist buckling -provided there are no horizontal(shear) loads or bending moments applied to the top of the foundation.Per IBC 2006 Section 1808.2.9.2 & IBC 2009Section 1810.2.1, pier/piles driven into firm ground can be considered fixed and laterally supported at 5 feetbelow the ground surface and in soft material at 10 feet below the ground surface.Buckling is better determined according to AISC 360-05, which states that the nominal (LRFD) compressive strength for flexural buckling, Pn,is given byl≔1mk≔0.82Pile free lengthEffective factor，pinned-fixed condition2‾‾‾k⋅lE<4.71⋅―――rFy3π⋅E⎛=⎝1.984⋅10⎞Fe≔―――⎠MPa2⎛k⋅l⎞――⎜⎝r⎟⎠Fy⎞⎛――FeFcr≔⎜⎝0.658⎟⎠⋅Fy=223.632MPa桩身屈曲极限承载力：Pn≔Aeff⋅Fcr=183.207kN螺旋桩施工螺旋桩的施工方法为旋入式，其关键装置为一套可提供相当扭矩的液压系统，同时可记录其扭矩的仪表装置。该液压系统可由挖掘机、推土机等工程机械改造而成。根据螺旋桩的设计承载力可预估对液压扭矩的需求，同时通过桩施工过程中施工扭矩的记录来佐证螺旋桩的承载力，并判断该桩的可靠性，所以对土壤情况进行初步勘查以了解土层特性即可，甚至在熟悉当地特层特性的情况下可不做勘察，因为在螺旋桩施工过程中可以直接验证其承载力。Qtoque≔KT⋅TT: 安装扭矩KT: 扭矩系数Qtoque：安装扭矩确定的单桩承载力扭矩系数KT土壤特性及桩身尺寸（桩径、叶片直径、叶片数量）相关，其取值范围一般为10/m~33/m, 小桩径取大值，大桩径取小值。对于该文中用桩径76mm可保守取30/m，实际工程中应通过试桩试验来进一步确定该系数。如设计单桩极限承载力为20kN，其安装扭矩要求为：QT=0.667kN⋅mT≔――KT螺旋钢桩水平承载力与所进入土壤对桩身约束情况相关，需要相对准确的知道土壤对桩身的约束刚度，但是该参数有很大的离散型，确定起来比较困难。目前应用较多的是采用Ensoft公司的LPile来计算其水平承载力，通过输入桩身截面，入土情况以及土层相关参数，可算出桩头所受水平下的变形情况。
钢桩水平承载力计算模型
D=76mm钢桩水平荷载变形(1kN)
结语：
以上为螺旋桩在光伏工程中应用介绍，目前在国外已经广泛应用于各类构筑物，也成立了很多针对该桩型的桩基公司，致力于设计、施工各种快速基础系统（Fast Foundation Systerm）；加大桩径、桩长可更能发挥其承载能力。
通过近期对螺旋桩了解，越来越觉该桩型具有常规基础无法比拟的优越性，比如施工快捷方便、大幅缩短施工周期、环保，对处理软土、膨胀土、冻土地基都非常有效，尤其在当下国内钢材产能严重过剩的情况下，可大力推广该桩型在各类工程中的应用，以取得非常好的经济和工程效果。
以上内容为笔者近期通过对该桩型的了解、研究总结出的一些粗浅内容，有不妥之处欢迎大家指正，如有具体的工程问题也可以联系我。QQ：759761817
邮箱：pipi1117@126.com
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