随着建筑行业对基础工程要求的不断提高，螺旋钢管桩凭借自身优势在工程建设中得到广泛应用。然而，传统叶片式螺旋钢管桩在承载力方面存在一定局限性。为满足复杂工程需求，尤其是应对村镇建筑物地基承载力不均匀的状况，科研人员对螺旋钢管桩的结构改良与性能研究持续深入。在此背景下，一种叶片直径递变的新型叶片式螺旋钢管桩应运而生，其极限承载性能的研究成为行业关注焦点。

  一、新型叶片式螺旋钢管桩试验：探究叶片参数对承载力的影响

  据《2025-2030年中国螺旋钢管行业市场深度研究及发展前景投资可行性分析报告》统计，试验场地位于甘肃省兰州市七里河区彭家坪镇，此地地貌单元属于黄河南岸高级阶地，场地地形南高北低，地面标高 1596.34 - 1597.89m。场地原本为耕地，上部土层是耕植土或杂填土，原状土层为风积黄土，地基承载能力欠佳，土质多孔疏松。试验前向下开挖 1m，剩余杂填土层厚 1.2m，开挖面积 10.0m×10.0m，试桩间距设为 1.5m。

  试验所用试桩均由厂家定制，桩长 1.6m，钢管直径 60mm，叶片直径有三种规格，螺距均为 102mm，材质经内外热镀锌防锈蚀处理。共设计 6 种桩型，每组 3 根，试桩总数 18 根。通过室内土工试验，确定了现场土层的物理力学参数，如杂填土重度 16.30kN・m⁻³、压缩模量 4MPa 等，为后续试验分析提供依据。

  现场试验采用锚桩法加载，利用 160kN 的油压千斤顶施加压力，通过拉力计测量抗拔力，用量程 50.0mm 的位移计测量试桩竖向变形。试验采用慢速维持荷载法，依据估算的单桩极限承载力确定设计加载量，单级荷载取设计加载量的 1/10 - 1/8，并采用桩顶累计位移大于 30mm 和荷载 - 位移曲线出现明显拐点这两种指标判定桩基极限承载力。

  抗压试验结果显示，不同桩型的荷载位移曲线在相同荷载下表现出差异。例如，a3 桩型在 30mm 标定位移处，承载力高于 a2 桩型 12.5%，高于 a1 桩型 28.6%。这是因为叶片在施工中会扰动土体，叶片下方土体的扰动情况直接影响桩的抗压承载力，直径最大叶片所处位置是关键因素。同时，对比发现等叶片间距设计对新型叶片式螺旋钢管桩在地基承载力不均匀地基中更为合理。

  抗拔试验数据表明，叶片间距对螺旋钢管桩抗拔极限承载力影响显著。等螺距设计使旋桩时叶片对土体扰动小，承载能力更高。部分桩型因叶片间距和直径的特殊设计，其抗拔承载力表现出不同特性。此外，拆桩观察发现，桩体拔出后叶片间土柱为剪切破坏，叶片间土体被挤压密实，证明了新型螺旋钢管桩在实际工程应用中的可靠性。

  二、新型叶片式螺旋钢管桩数值模拟：验证模型与分析参数影响

  基于 ABAQUS 软件建立桩 - 土相互作用计算模型，采用与现场试验相同尺寸的新型叶片式螺旋钢管桩三维模型及场地土体三维模型。建模时，土体深度设为 2 倍桩长，半径为最大叶片半径的 10 倍，对模型进行区域划分并重点加密中心区域和被叶片切割土体部件网格，单元数量控制在 40000 个左右。

  土体本构模型采用 Mohr - Coulomb 弹塑性模型，参数依据土工试验数据取值;桩体赋予 Q235B 材料属性，界面强度对土体强度折减，折减系数取 0.5。荷载及边界条件方面，先对地应力计算模型施加 - 20kN 的体力，土体侧向约束水平位移，除顶面自由外其他面法向约束。

  通过对比最优网格划分条件下数值分析与物理模型试验所得的荷载位移曲线，发现两者较为贴合，证明所建数值分析模型能较准确反映实际承载力。

  研究叶片直径递变对螺旋钢管桩承载力的影响时发现，随着叶片直径从上而下依次递增，螺旋钢管桩承载力显著提高。例如，a2 桩型和 a3 桩型相较于 a1 桩型，抗压极限承载力分别提高了 12% 和 28%，极限抗拔承载力分别提高了 16% 和 9%。但模拟试验未考虑土体扰动，导致部分桩型模拟结果与现场试验结果存在差距。

  在分析叶片直径、间距对钢管桩承载力的影响时，采用 b 类三叶片式螺旋钢管桩进行对比。结果表明，叶片间距和直径的变化会影响螺旋钢管桩的抗拔承载力，直径自上而下递增的桩型对土体扰动大，实际应用时需考虑安全系数。

  三、新型叶片式螺旋钢管桩承载力综合分析：对比试验与模拟结果

  采用拐点法和累计位移法判定螺旋钢管桩极限承载力，对比现场试验与数值模拟结果发现，多数桩型的抗压极限承载力数值模拟结果大于现场试验结果，差值小于 10%，但 a3、b3 桩型因模拟未考虑叶片对地基土层的扰动，差值较大。抗拔承载力方面，部分桩型模拟结果与现场试验差距较大，数值模拟预测结果比现场试验结果最高超出 20%，不过总体而言，数值模拟与现场试验结果较为一致，最大差值不超过 25%，说明数值模拟在预估新型叶片式螺旋钢管桩极限承载力方面具有较高的预测精度。

  综上所述，新型叶片式螺旋钢管桩的研究成果为螺旋钢管桩在工程领域的应用带来了新的突破。研究表明，叶片间距递变对螺旋钢管桩抗压承载力影响较小，对抗拔承载力影响较大，其中 a3 桩型在地基土层不均匀的村镇建筑物中表现出色，抗压和抗拔承载力提升显著，造价变化小且施工效率高。拆桩分析验证了新型螺旋钢管桩在实际工程中的可靠性。同时，明确了叶片直径与承载力的正相关关系以及叶片增大对地基土体扰动的影响。此外，数值模拟方法在预估新型叶片式螺旋钢管桩极限承载力方面具有较高精度，可应用于村镇建筑地基设计。这些成果为2025年螺旋钢管行业的发展提供了重要的技术支撑，有助于推动螺旋钢管桩在更多复杂工程场景中的应用。