抗拔樁在抗浮工程中的研究進展

白曉宇， 秘金衛， 王雪嶺， 張廣亮， 喬永勝， 許紹帥， 張明義

(1.青島理工大學土木工程學院， 青島 266033； 2.中鐵建恒誠實業有限公司， 珠海 519030； 3.上海同是科技股份有限公司， 上海 201203； 4.青島中建聯合集團有限公司， 青島 266100； 5.甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司， 蘭州 730000)

近10年，中國工程建設發展如火如荼。由于城市人口持續增長，人類活動日益頻繁，地下空間相比于地上空間有更好的發展前景，21世紀被譽為城市地下空間開發利用的年代。但開發利用地下空間的同時，必須考慮地下水浮力的影響。地下水位的取值在抗浮工程中起到關鍵性的作用，不同地區的抗浮工程，地下水位的取值方式也有一定的差異[1]。若地下水位取值不當，將導致建筑物因浮力發生破壞而影響使用，甚至造成結構失穩等問題[2-3]。地下抗浮方式主要有以下3種：配重抗浮、錨固抗浮、摩擦抗浮。抗拔樁是利用樁體自重和樁側摩阻力來提供抗拔(浮)力，與其他抗浮措施相比，具有抗拔力高、對樁周土體擾動小、能夠充分發揮原狀土的強度、免開挖基坑、施工便捷以及性價比高等特點，在地下抗浮工程中的利用率越來越高[4-7]。黃俊光等[8]對多種抗浮方案的優缺點做了簡要對比，結果表明主被動組合抗浮法(抗拔樁+降低水位)與其他抗浮措施相比不僅節約了成本，而且保證了基坑工程的安全度。

隨著如今大型工程的基礎埋深不斷擴展，地下工程抗浮問題日益突出，傳統抗浮技術措施如壓重法、降排地下水等已不能滿足工程所需，而且從環境和成本上難以管控。抗拔樁作為一種抗浮措施，包括等截面抗拔樁、擴底抗拔樁、微型抗拔樁等，能夠滿足各類復雜工程的抗浮要求。在微風化及中風化花崗巖地層中，抗拔樁施工工藝類似于抗浮錨桿，但其抗拔力大于抗浮錨桿，證明了在某些地層中使用抗拔樁抗浮的優越性[9-11]。在深基坑工程中，由于地層條件的限制，工程施工進度的加快，同時要求提高基坑的穩定性，抗拔樁往往在深基坑開挖之前就預先施工[12-14]。許多新型施工技術的研發大大提高了施工效率，對抗浮工程也有一定的積極影響[15-17]。現將對抗拔樁在抗浮工程中的研究進展進行論述。

1 抗拔樁作用機制

中國眾多學者和工程技術人員在近10年對抗拔樁應用在地下工程抗浮中的研究開展了一定的工作，但并沒有完全掌握影響抗拔樁承載力的規律，對抗拔樁的研究大多停留在經驗上，系統和深入的研究相對較少，還沒有趨于完善的理論研究成果。國內外的專家學者主要將目光集中在抗拔樁的應力傳遞規律、抗拔樁樁頂荷載與受荷后樁體位移間關系(U-s曲線)、破壞形態及其機理等方面，并對此開展了大量的研究工作。

抗拔樁在受到地下水浮力的作用時，依靠樁體的自重及樁與周邊土體的摩阻力提供抗拔力。抗拔樁與樁周土共同組成樁-土系統內相互作用共同完成荷載傳遞過程。隨著樁頂荷載的增加，樁體逐漸上移，帶動樁周土體上移，進而帶動外圍土體向上移動，這樣樁周土體間就會發生剪切變形。等截面抗拔樁抗拔時，主要以樁側摩阻力提供抗拔力，而變截面(擴底)抗拔樁的抗拔力大部分由擴大頭來提供，在樁側摩阻力達到極限值時，擴大頭還遠遠未達到極限值。有研究表明[18]，當抗拔樁加載較小時，抗拔樁內力分布和計算可以通過傳統計算理論得到，而當加載量達到一定量級時，鋼筋和混凝土不再滿足變形協調條件，也就不再適用于抗拔樁的內力計算。探究抗拔樁的應力分布特性對研究抗拔樁在抗浮工程中的應用普及有著舉足輕重的意義。

不同的地質環境下可選擇不同類型的抗拔樁，而隨著樁頂荷載的增加，不同類型的抗拔樁的軸力變化也不盡相同。陳楊等[19]對鈣質砂中鋁管樁樁身軸力的分布規律進行了模型試驗研究，試驗發現：模型樁樁頂處軸力最大，大小基本與所受的荷載一致，樁身的軸力隨深度增加而減小，并且減小的速率在逐漸增大，樁底處的軸力基本為0。楊柏等[20]對砂巖地質下某一工程的擴底抗拔樁進行了現場極限載荷試驗，樁身軸力的分布曲線同樣滿足上述規律，并提出此時樁身軸力由鋼筋軸力和混凝土軸力組成，利用鋼筋計測得的不同斷面下的鋼筋應力來計算。樁身相鄰兩斷面的側摩阻力合力值由兩個斷面的軸力差所決定。吳江斌等[21]采用雙套管技術分離樁身與周邊土體，對樁側注漿抗拔樁和擴底抗拔樁的樁身軸力進行了試驗，研究表明，擴底抗拔樁由于擴大頭的存在，隨著樁頂試樁荷載的增大，擴底抗拔樁距樁端附近的樁身軸力增長幅度較大，而樁側注漿抗拔樁的樁身軸力增長有限。

雖然抗拔樁在工程界已經被認為是一種可靠的抗浮措施，但是目前國內外尚未有一套成熟的抗拔樁應力傳遞機制，極大地限制了抗拔樁在巖土工程中的應用。

2 等截面抗拔樁破壞形式

根據已有的研究表明，等截面單樁抗拔破壞形式主要有以下3種[22-26]：沿樁-土接觸界面的剪破；與樁長等高倒圓錐臺剪破；復合剪切面剪破。如圖1所示。

圖1(a)所示破壞形式較為常見，其他兩種破壞形式只有在特定情況下才會出現。例如，只有在樁周土體為軟巖，并且樁體為粗短的灌注樁時，才會發生第二種倒錐體破壞。在硬黏土中的鉆孔灌注樁中則較多出現復合剪切面破壞，這是因為鉆孔灌注樁的側面非常粗糙，使得樁土能夠很好地黏結在一起，當倒錐體土重不小于該界面樁-土之間的黏著力時，就會形成圖1(c)的破裂面。

圖1 等截面單樁抗拔破壞形式[22-26]Fig.1 Failure modes of uplift single piles[22-26]

3 抗拔樁承載力的研究

3.1 荷載-位移曲線

在樁基設計和工程實踐中，確定抗拔樁的極限承載力是非常重要的，目前，研究人員通過現場試驗得到的荷載-位移曲線，根據失效判定準則來確定極限承載力較為常用。楊碧蓮等[27]提出了一種頂拉抗拔樁在軸向荷載作用下的荷載-位移曲線擬合方法，并通過兩個工程實例的實測數據證明這一方法是合理有效的。楊柏等[28]在西南山區某一場地對兩根不同樁長的抗拔樁進行拉拔試驗，探究抗拔樁嵌巖段抗拔承載特性，得出的荷載-位移曲線如圖2所示(其中TP1試樁樁徑0.8 m，嵌入中風化砂巖2.4 m，TP2試樁樁徑0.8 m，嵌入中風化砂巖4.1 m)，從圖2可明顯看出：兩根樁的荷載-位移曲線整體上相似，初始加載，樁頂位移隨著樁頂荷載增加而緩慢增加，基本呈線性增大，在達到最大荷載之后，樁頂位移急劇增加，可判斷樁已破壞。TP2與TP1相比，TP2所能承受的最大荷載約是TP1的1.8倍，而樁頂位移相差并不是特別大。上述研究表明，抗拔樁增加樁長可以明顯地增加其抗拔承載力，而對樁頂位移的影響則是有限的。

圖2 樁頂上拔荷載與樁頂位移關系曲線[28]Fig.2 Relation curve between pile top pulling load and pile top displacement[28]

擴底抗拔樁通過增加少量的混凝土，對抗拔樁承載力的提高非常明顯，被廣泛應用于地下抗浮工程[29-30]。為研究擴底抗拔樁的變形能力和受力機理，許多專家學者對此進行了大量現場試驗[31-34]。唐黔等[35]對某國家電網項目進行現場擴底抗拔樁實測荷載-位移曲線，并采用不同數學函數進行擬合，發現采用歸一化荷載-位移曲線雙曲線模型得到的極限承載力安全系數高達95%。姜偉[36]認為當樁長達到一定長度后，樁頂荷載很難傳遞到擴大頭，擴大頭的作用很難發揮，所以擴大頭不適合應用在超長樁中。吳江斌等[21]開展了有效樁長19 m的樁側注漿抗拔樁和擴底抗拔樁的極限載荷試驗，分析了樁側注漿抗拔樁及擴底抗拔樁在受到荷載變化時，樁頂位移隨荷載水平的變化規律，如圖3所示，BSBZ1為擴底抗拔樁，BSBZ2為樁側注漿抗拔樁，BSBZ1和BSBZ2的樁長和樁徑均相同。研究表明，兩種抗拔樁的荷載-位移曲線的總體發展趨勢比較類似，隨著樁頂荷載的增加，在相同樁頂荷載作用下，樁側注漿抗拔樁樁頂位移大于擴底抗拔樁樁頂位移，說明擴底抗拔樁具有更好的控制變形能力。

圖3 兩種樁型樁頂的荷載位移曲線[21]Fig.3 Load-displacement curves of two types test piles[21]

抗拔載體樁[37]是一種抗拔承載力比較高的抗拔樁，與擴底抗拔樁的主要區別在于承載力提高的原因不同。擴底抗拔樁承載力大是由于樁側摩阻力隨著樁身直徑增大而顯著增加和擴大段上部端承力等兩個部分。而抗拔載體樁承載力高的原因在于一是在成孔時樁側土受到擠壓，提高了樁側摩阻力，二是由于載體的錨固作用。

3.2 極限承載力研究

圖4 抗拔試驗裝置示意圖[40]Fig.4 Schematic diagram of pull-out test device[40]

研究抗拔樁承載力時效性的發揮，對實際工程具有十分重大的意義[38-39]。張明義等[40]在青島東部沿海地區，采用慢速荷載法，利用自行設計的抗拔試驗裝置(圖4)對砂土-風化巖地基中鉆孔灌注樁進行現場靜荷載抗拔試驗，研究鉆孔灌注樁的承載力隨休止期的變化。符合現行《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2018)[41]和《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[42]的有關規定，試驗結果表明，抗拔承載力在休止期較短時，遠小于設計水平，當休止期超過76 d后，抗拔承載力超過設計承載力約30%。研究結果與黃鋒等[43]研究的飽和黏性土地基中鉆孔灌注樁的承載力提高30%以上相吻合，由此猜測鉆孔灌注樁在兩種地基中均具有顯著的時效性。同時文獻[40]還比較了不同休止期抗拔樁的平均側摩阻力，發現抗拔樁的側摩阻力隨著休止期延長而增加，且后期增長低于前期。

針對抗拔樁極限承載力的理論研究，還沒有一套成熟的設計計算理論，大多停留在經驗性的基礎上。穆銳等[44]在靜力平衡原理的基礎上結合數值模擬，假設抗拔樁破壞模型是組合圓錐-復合型破壞模型，考慮了土巖組合地基中嵌巖端巖石風化程度、巖石性質、嵌巖深度等因素對抗拔樁極限承載力的影響，提出了一種土巖組合地層中抗拔樁極限承載力計算方法，該方法考慮了不同樁長、不同土層厚度、不同嵌巖深度對抗拔樁極限承載力的影響。

穆銳模型樁極限承載力計算式為

(1)

抗拔樁的抗拔力依賴于樁側摩阻力的發揮，擴底抗拔樁往往比等截面抗拔樁更晚達到極限摩阻力。楊柏等[20]依據常林越等[45]的試驗研究得出擴頭段自重、擴頭段側摩阻力豎向分量與擴頭段法向應力豎向分量之和即為擴底抗拔樁擴頭段的抗拔力的結論，結合現場試驗，建立了擴底抗拔樁基樁受力模式，如圖5所示。

圖5 擴底樁受力示意[20]Fig.5 The schematic diagram of forces on belled piles[20]

根據力的平衡原理得到了一種擴底抗拔樁極限承載力的計算式為

Pu=PS+PB+WC=∑πDiLifsi+AfB+γCV

(2)

式(2)中：PS為等截面樁身提供的抗拔力；PB為擴大頭段提供的抗拔力；WC為擴底抗拔樁的自重；Di為等截面樁身的樁徑；Li為第i層巖土層厚度；fsi為等截面某第i巖土層極限側阻力值；A為擴大頭圓錐臺側表面積；fB為錐形圓臺樁身豎向極限側阻力值；γC為樁身重度；V為樁身體積。式中fsi和fB通過Mohr-Coulomb強度理論計算。

張繼紅等[46]提出了一種抗拔樁樁側阻力的極限平衡方程，建立該方程的原理是將側阻力分成兩部分，一是摩擦力，二是樁-土黏結強度。以此方程為基礎，計算了東海風電場某一抗拔樁的樁側阻力，與按照上海市《地基基礎設計規范》[47]和《港口工程樁基規范》[48]兩種規范的計算結果相比更接近于實測值，很大程度上提高了計算精度。周同和等[49]為研究下部擴大段復合樁抗拔承載力，建立了圖6的破壞模型假定，認為當擴大段樁徑與非擴大段樁徑比值較大時，可以忽略非擴大段的摩阻力，基于此建立了單樁抗拔承載力計算公式，并通過現場試驗驗證了公式的合理性，正是由于擴大段由于上端阻力的存在，增強了擴大段摩阻力的發揮，減弱了非擴大段摩阻力的發揮。

θ為假定錨桿上部滑裂面與豎向的夾角圖6 下部擴大段復合樁破壞模型假定[49]Fig.6 Hypothesis of failure model for composite piles with enlarged section at lower part[49]

影響抗拔樁承載能力的因素有很多[50]，國內外學者和工程技術人員從樁樁身材料、樁長、長徑比等方面開展了大量的研究。Emirler等[51]通過分析理論計算的結果，得出了樁的長徑比、樁身材料和砂土的相對密實度等因素對抗拔樁承載性能的影響規律。在此之前，Kranthikumar等[52]采用相同的方法，得出了錨桿樁的長徑比對其抗拔性能的影響規律。Gaaver[53]為探究樁長對抗拔樁承載力的影響，進行了抗拔荷載作用下的模型試驗，試驗結果證明，隨著樁身埋深的增加，抗拔樁的承載力顯著增加。陳楊等[19]進行了鈣質砂中單樁豎向的抗拔模型試驗，試驗數據證實了Gaaver模型試驗得出的結論，并指出抗拔樁是摩擦樁，隨著埋深的增加，增加了樁和土的接觸面積，提供了更大的樁側摩阻力，從而使抗拔樁的承載力顯著增加。在實際抗浮工程中，部分抗拔樁不僅受到軸向荷載的作用，水平荷載也不可忽視，兩者的合力屬于傾斜荷載，徐海龍等[54]對在傾斜荷載作用下的抗拔樁的受力和變形特性進行了總結，指出了存在的問題及未來研究的重點。

4 數值模擬研究進展

巖土體具有變異性、不連續性和多相性，模型的邊界條件、參數選用有一定的模糊性。數值模擬以其不可比擬的優勢，極大地豐富了巖土工程問題的處理方法。通過數值模擬的手段可以更全面更深入研究抗拔樁的變形性能和承載機制，部分學者依托實際工程進行了數值模擬，得到一些對工程有參考價值的結論[55-58]。陳旭等[59]結合工程實例和現場試驗，運用FLAC3D軟件對嵌巖抗拔樁的極限承載力進行數值模擬，分析了施加第一級荷載到最后一級荷載的模擬結果。周鵬等[60]運用FLAC3D有限差分軟件，對普通抗拔樁和擴底抗拔樁在樁身軸力及樁側摩阻力的分布差異進行了數值模擬，發現由于兩者荷載作用點不同，樁身軸力沿深度分布規律相反，且前者受拉后者受壓，這一結果驗證了文獻[61]得出的結論。杜明芳等[62]針對鄭州某一工程，通過分析ABAQUS有限元軟件建立的原樁土模型和注漿后的樁土模型，發現樁端樁側復式后注漿可彌補抗拔樁承載力不足的問題。徐亞萍等[63]為研究自錨試樁荷載-位移曲線向傳統試樁荷載-位移曲線的轉換，將室內模型試驗的結果與數值模擬結果相互驗證，得到了兩者之間的轉換公式。于丹等[64]通過對抗拔樁進行加載模擬發現，得到的荷載傳遞特性符合現場試驗得到的結果。

陳亞東等[65]研究了樁徑、樁土截面摩擦角、樁頂加載速度以及土體孔隙率等因素對抗拔樁承載力的影響規律，根據室內模型試驗的結果，基于離散單元法構建數值分析模型，經過分析得到如下結論。

(1)抗拔樁承載力隨著樁徑增大而顯著增加，這是由于增加了樁土接觸面積，樁側摩阻力變大。

(2)抗拔樁承載力與樁土摩擦特性呈近線性關系。

(3)存在一個最優樁頂加載速度，使得樁側摩阻力可充分發揮。

(4)處于松砂中的抗拔樁承載力要小于密砂。

王斌等[66]利用有限元分析軟件研究了不同距徑比對注漿成型螺紋樁的抗拔性能和變形的影響，圖7是在樁頂位移為50 mm時，不同距徑比螺紋樁樁周土的塑性應變云圖。

圖7 樁頂位移為50 mm時土體塑性應變云圖[66]Fig.7 Plastic strain nephogram of soil when pile fop (displacement of 50 mm)[66]

通過對以上3個具有代表性的應變云圖分析，當距徑比為0.5時，樁周土的塑性區主要集中在螺紋附近，沒有向四周開展或開展很小；當距徑比為1.0時，樁周土的塑性區呈現拱形并向四周擴展，且相鄰兩個螺紋的塑性區相連通，樁側摩阻力得以提高，致使螺紋樁的抗拔承載力大幅提高；當距徑比為3.0時，樁周土塑性區開展范圍更大，但由于相鄰螺紋相距較遠，塑性區難以連通，而且樁長一定時，螺紋數量相對較少，螺紋附近樁周土塑性變形量減小，單樁抗拔承載力降低。

5 結論

抗拔樁作為一種重要的基礎形式，以其經濟和技術上的優勢、出色的力學性能、適用性廣、施工方便、高性價比等優點在中國抗浮工程中日益受到重視，被廣泛采用。對抗拔樁在國內外抗浮工程中的應用研究進行了以下總結。

(1)回顧了國內外抗拔樁在抗浮工程中的作用機制、破壞形式等方面的試驗進展，并根據當前存在的不足和行業現狀提出了相應的改進措施。

(2)歸納分析了抗拔樁的荷載-位移變化特征，以及不同截面形式的抗拔樁在考慮樁身和圍巖條件下承載力的計算公式，總結了樁長、樁徑、圍巖性質、施工工藝等因素對抗拔樁承載力的影響規律。

(3)梳理了抗拔樁在抗浮工程中的數值模擬研究進展，通過數值分析方法結合室內模型試驗和現場試驗結果，能夠對不同地質條件下的抗拔樁的受力特性和位移特征進行精細化分析，推動抗拔樁在抗浮工程乃至整個巖土工程中的產業化應用。

6 研究展望

將抗拔樁應用于地下室抗浮、構筑物抗浮以及海上平臺抗浮等工程中，不僅可以充分發揮原狀土的強度和變形特征，而且抗拔樁可同時起到抗拔和抗壓的作用。在經濟和技術上考慮，雖然抗拔樁在增加有限造價的情況下，被認為是一種可靠的抗浮措施，但是中國針對抗拔樁在抗浮工程中的研究起步相對較晚，研究還不夠全面，仍然存在如下待完善之處。

(1)對于抗拔樁的研究，沒有成熟的設計計算理論，大多都是根據經驗或借助抗壓樁來計算，應繼續完善或修改《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2018)中抗拔樁在抗浮工程中的相關規定。

(2)在實際工程中因現場圍巖性質、樁本身的參數及施工要求，樁土相互作用效果也存在差異，所以不同工程的抗拔樁其極限承載力應采用不同的計算方式，應對抗拔樁承載力計算公式進行相應的修訂。

(3)目前國內外學者對抗拔樁的研究主要集中在其破壞形態上，尤其是嵌巖樁，還無法系統深入地揭示抗拔樁的荷載傳遞機理。

(4)對抗拔樁在抗浮工程中服役期的變形研究還遠遠不夠，應考慮抗拔樁在長期地下水的浮力(長期循環荷載)作用下，出現的樁身開裂、鋼筋在侵蝕介質作用下發生銹蝕以及樁身力學性能演化特性等問題。

考慮到中國未來對城市地下空間開發利用中結構抗浮的必要性、施工技術的發展以及實際工程中抗浮的具體需求，結合以往發生的抗浮工程事故，對抗拔樁在抗浮工程中的應用提出以下幾點思考。

(1)研發異形抗拔樁。例如擴底抗拔樁，相比于等截面抗拔樁，擴底抗拔樁由于擴大頭的存在會顯著提高抗拔樁的極限承載力，開發出更合理的截面形式，完善補充擴底抗拔樁的設計計算理論。

(2)結合圍巖性質調整樁身構造、樁土接觸面形式，從而增加樁土接觸面積，增大樁側摩阻力，探究抗拔樁與樁周巖土體的最佳接觸狀態。

(3)結合最新的數值模擬方法以及滲流理論，按力學參數劃分圍巖土層，進而計算抗拔樁的極限抗拔承載力，揭示抗拔樁在不同地質條件下的力學性能及荷載傳遞規律。

(4)結合先進的應力應變測試技術，對服役期的抗拔樁進行跟蹤測試，完善抗拔樁的應力演化機制，確保抗拔樁使用過程中的安全性。

(5)創新抗浮工程中的單一抗浮措施，開發新的抗浮技術，如用纖維增強復合材料筋代替鋼筋，一方面解決永久性工程中鋼筋的銹蝕問題，另一方面纖維增強復合材料屬于綠色材料、低碳環保、從而推動綠色發展，實現雙碳目標。