托底抗拔樁側(cè)摩阻力發(fā)揮機(jī)理及計(jì)算模型研究

摘" 要：抗拔樁有效解決地下水對(duì)建筑物產(chǎn)生上浮效果的負(fù)面影響。托底抗拔樁將無(wú)粘結(jié)鋼絞線與普通抗拔樁有效結(jié)合，充分利用樁體承壓性能。基于有效應(yīng)力法確定樁側(cè)極限摩阻力分布范圍，采用雙折線荷載傳遞函數(shù)模擬樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性，探討托底抗拔樁的承載力變化規(guī)律，建立樁側(cè)摩阻力發(fā)揮范圍和荷載-位移的計(jì)算公式，提出托底抗拔樁承載力計(jì)算模型，并與普通抗拔樁性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)抗拔樁，托底抗拔樁改善樁體受荷狀態(tài)，有效提高承載力、降低樁頂位移，具有較好的應(yīng)用效果。該文研究成果為托底抗拔樁的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：托底抗拔樁；側(cè)摩阻力；發(fā)揮機(jī)理；計(jì)算模型；有效應(yīng)力法

中圖分類號(hào)：TU473.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2024）04-0024-04

Abstract： Uplift piles effectively solve the negative impact of groundwater on the floating effect of buildings. The bottom-loaded uplift pile effectively combines unbonded steel strands with ordinary uplift piles， fully utilizing the bearing capacity of the pile body. Based on the Effective Stress Method， the distribution range of ultimate frictional resistance on the pile side is determined. The double-dogleg load transfer function is used to simulate the characteristics of frictional resistance on the pile side， explore the variation law of bearing capacity of bottom-loaded uplift piles， establish the calculation formula for the range of frictional resistance on the pile side and load displacement， propose a calculation model for the bearing capacity of bottom-loaded upliftpiles， and compare the performance with ordinary uplift piles. The results indicate that compared to traditional uplift piles， the bearing capacity of bottom-loaded piles is higher and the displacement of the pile top is smaller. The research results provide a theoretical basis for the application of bottom-loaded upliftpiles.

Keywords： bottom-loaded uplift pile; side friction resistance; mechanism of performance; calculation model; Effective Stress Method

隨著中國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，復(fù)雜地質(zhì)條件下的建筑物越來(lái)越多，工程建設(shè)面臨的問(wèn)題也越來(lái)越多，尤其沿海沿河的軟土地基，其承載力低、壓縮性高和含水量高，極不適宜做建筑物地基。樁基礎(chǔ)由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，可以很好地將上部荷載傳至地基深部的基巖，以保證上部建筑物的穩(wěn)定和持久[1]。同時(shí)，樁基礎(chǔ)還解決了由于地下水位上升而導(dǎo)致建筑物受到上浮力作用的問(wèn)題，這種樁型即抗拔樁。傳統(tǒng)抗拔樁與上部承臺(tái)相連，在地下水的作用下，承臺(tái)受到上浮力作用，即等同于樁頂受到上拔荷載，樁土間的相對(duì)位移對(duì)樁身產(chǎn)生了側(cè)摩阻力[2-5]。如何有效改善抗拔樁的抗拔性能，提高建筑物的穩(wěn)定和安全性是建筑工程設(shè)計(jì)者的主要研究方向之一。托底抗拔樁是通過(guò)無(wú)黏結(jié)鋼絞線將上拔力作用點(diǎn)轉(zhuǎn)移至樁底，樁身混凝土受壓工作的新型抗拔樁[6]。與普通抗拔樁相比，托底抗拔樁具有良好的樁身抗裂性能及承載能力。

為全面研究托底抗拔樁的承載特性，學(xué)者們從理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方面，開(kāi)展了一系列的研究。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果分析，托底抗拔樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮是由下至上的荷載傳遞方式，樁身下部的側(cè)摩阻力得到充分發(fā)揮，因此，托底抗拔樁顯著提升了樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的程度[7]。邵光輝等[2]基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，深入研究了傳統(tǒng)抗拔樁與托底抗拔樁的荷載傳遞差異性，建立了極限承載力的計(jì)算方法，并驗(yàn)證了該方法的合理性。隨后，聶永江等[6]在分析樁-土體系剪切狀態(tài)發(fā)展過(guò)程的基礎(chǔ)上，建立了樁-土多段線性荷載傳遞函數(shù)。推導(dǎo)了樁-土在不同狀態(tài)下樁身內(nèi)力與位移的解析表達(dá)式。陳楊等[8]以樁周土特性為研究重點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)松砂與密砂中抗拔樁的承載特性有顯著差異。包彥冉等[9]開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)，定性研究了樁型、樁周土性質(zhì)和上部荷載特點(diǎn)對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響，隨后，周鵬等[10]基于FLAC3D有限差分軟件，分析了普通抗拔樁和托底抗拔樁的荷載-位移曲線、樁身軸力傳遞特性及樁側(cè)摩阻力分布等特性的差異。

本文基于有效應(yīng)力法確定樁側(cè)極限摩阻力分布范圍，采用雙折線荷載傳遞函數(shù)模擬樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性，對(duì)比托底抗拔裝與傳統(tǒng)抗拔樁的差異性和優(yōu)越性，分析樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的工況條件，以及樁端土體塑性區(qū)邊界范圍，建立樁側(cè)摩阻力發(fā)揮范圍和荷載-位移的計(jì)算公式，以現(xiàn)有文獻(xiàn)中的室內(nèi)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，驗(yàn)證了本模型的合理性和有效性，為托底抗拔樁的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1" 樁側(cè)極限摩阻力計(jì)算法

樁側(cè)摩阻力產(chǎn)生的主要原因是樁土之間的相對(duì)位移，托底抗拔樁由樁端受壓，假設(shè)樁周土無(wú)位移和變形，樁身受壓的過(guò)程中，產(chǎn)生向上的移動(dòng)趨勢(shì)，樁側(cè)產(chǎn)生向下的摩阻力，即為抗拔樁承載力。為保證在上浮荷載的作用下，建筑物不產(chǎn)生上浮位移，必須嚴(yán)格控制抗拔樁樁頂位移，理想狀態(tài)為樁頂無(wú)位移。托底抗拔樁通過(guò)鋼絞線將上浮荷載傳遞至樁底，樁體呈現(xiàn)出受壓狀態(tài)，如圖1所示，該工況下樁端位移為Sp，樁頂位移為Sp0，隨深度增加而增大，樁長(zhǎng)為l，樁周長(zhǎng)為C，樁截面積為A。

傳統(tǒng)抗拔樁頂部受拉力作用，樁體整體為受拉狀態(tài)，樁徑有縮小的趨勢(shì)，樁-土接觸面的間隙會(huì)增大，根據(jù)樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的影響因素分析，樁土間的極限摩阻力會(huì)有所降低。根據(jù)土體和樁體的工程性質(zhì)特點(diǎn)，在受壓荷載作用下，假設(shè)樁體為彈性材料，土體為彈塑性材料。分析托底抗拔樁在受荷狀態(tài)下的性能發(fā)揮機(jī)理可知，樁體的壓縮位移由樁底向樁端逐漸減小，在此過(guò)程中，樁土間的相對(duì)位移產(chǎn)生側(cè)摩阻力，用以平衡外部荷載，且由于樁體處于受壓狀態(tài)，樁徑會(huì)輕微增大，進(jìn)一步增加樁土接觸壓力，提升樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的極限值，充分發(fā)揮樁土體材料的工程性能。

摩阻力的計(jì)算研究一直是樁基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)W者重點(diǎn)研究的方面，主要研究方法有總應(yīng)力法、有效應(yīng)力法、彈性理論法及數(shù)值分析法[1]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，有效應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合，能夠較好地反映樁側(cè)負(fù)摩阻力的實(shí)際情況。有效應(yīng)力法[1]

f=βσv′ ， " " （1）

式中：f-單位深度的側(cè)摩阻力；β-摩阻力系數(shù)；σv′-樁周土平均豎向有效應(yīng)力。

側(cè)摩阻力系數(shù)β會(huì)受到樁的尺寸和樁周土的性質(zhì)以及時(shí)間的影響，經(jīng)驗(yàn)公式如下

正常固結(jié)土β=（1-sinφ′）tanδ ， （2）

超固結(jié)土β=（1-sinφ′）OCR0.5tanδ ， （3）

式中：φ′-樁周土有效內(nèi)摩擦角；δ-樁土接觸面摩擦角。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[1]，黏土、粉土、砂土的摩阻力系數(shù)的β取值分別為0.2～0.25、0.25～0.35、0.25～0.5。顯然，摩阻力系數(shù)與土質(zhì)成分有顯著關(guān)系，經(jīng)分析認(rèn)為，摩阻力的發(fā)揮主要與土顆粒的大小有關(guān)，粗顆粒土之間以及與樁體之間的嵌鎖作用更加明顯，抵抗外荷載的性能更強(qiáng)，而小顆粒的土體間嵌鎖效果不明顯。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土顆粒之間的荷載為有效應(yīng)力，更適合用于分析土體內(nèi)荷載傳遞的規(guī)律，因此，本文在計(jì)算樁側(cè)摩阻力時(shí)采用的理論為有效應(yīng)力法，根據(jù)以上內(nèi)容可得，單位樁極限側(cè)摩阻力的表達(dá)公式如下

f=βσv′=βγ′z ， " （4）

式中：γ′-樁周土有效重度；z-沿樁深度。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮與樁土相對(duì)位移有著密切關(guān)系，樁體受到上浮力的作用，產(chǎn)生上移趨勢(shì)，樁周土對(duì)樁體產(chǎn)生側(cè)摩阻力作用，本文利用理想彈塑性模型計(jì)算樁側(cè)摩阻力f，土體受壓產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變模型假設(shè)為理想彈塑性模型，如圖2所示，圖2中k為樁土界面摩擦系數(shù)，k=tanδ，fm為極限摩阻力，Sp為樁土相對(duì)位移，樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限值時(shí)的樁土相對(duì)沉降值Sm的取值一般為5 mm[11]。

2" 托底抗拔樁側(cè)摩阻力計(jì)算模型

根據(jù)前文所述，均質(zhì)土情況下樁周土摩阻力的分布有以下2種情況：①樁身位移較小，樁側(cè)摩阻力未達(dá)到極限值；②樁身位移較大，樁身摩阻力達(dá)到極限值。根據(jù)式（4）可知，樁側(cè)極限摩阻力沿樁身向下線性增大，呈三角形分布，如圖3所示，當(dāng)樁身位移小于Sm時(shí)，樁側(cè)摩阻力未達(dá)到極限摩阻力，如圖3中三角形區(qū)域。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)計(jì)算模型的建立進(jìn)行以下假設(shè)：①假設(shè)摩阻力發(fā)揮的范圍與極限摩阻力范圍為相似三角形；②樁周土層為均質(zhì)土；③樁土接觸面摩擦系數(shù)k為常數(shù)。

根據(jù)彈塑性模型原理，圖3中樁側(cè)摩阻力均未達(dá)到極限摩阻力值，此時(shí)，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮范圍為距樁端d深度內(nèi)，樁端側(cè)摩阻力發(fā)揮最大，樁頂上浮荷載為F，對(duì)應(yīng)關(guān)系為

經(jīng)求解，可得樁頂荷載F與樁側(cè)摩阻力發(fā)揮范圍d之間的關(guān)系

由計(jì)算模型分析前的假設(shè)可知，當(dāng)d=0時(shí)，樁體側(cè)摩阻力未發(fā)揮；當(dāng)d=l時(shí)，樁頂出現(xiàn)位移，其附近側(cè)摩阻力開(kāi)始發(fā)揮。當(dāng)極限側(cè)摩阻力發(fā)揮時(shí)，由式（4）可知，隨著位移的增大，樁體側(cè)摩阻力完全發(fā)揮，當(dāng)樁端位移達(dá)到Sm，抗拔樁達(dá)到極限承載力

樁側(cè)極限摩阻力全部發(fā)揮時(shí)，樁體處于極限臨界狀態(tài)，且樁頂?shù)奈灰埔话爿^大，很難滿足規(guī)范要求，因此，在實(shí)際工程中，抗拔樁的承載力按照極限承載力的0.8倍計(jì)算，儲(chǔ)備一定的安全系數(shù)，符合實(shí)際要求。在本文研究模型中，建立了托底抗拔樁極限承載力與樁截面周長(zhǎng)、樁-土接觸面摩阻系數(shù)、樁周土有效重度和樁長(zhǎng)的關(guān)系，參數(shù)易于確定，相比較復(fù)雜的樁側(cè)摩阻力計(jì)算模型，該模型通俗易懂，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，便于在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

3" 算例驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的室內(nèi)模型試驗(yàn)，人造地基中一單樁，樁身及樁周土相關(guān)工程參數(shù)如下：樁長(zhǎng)l=1.1 m，樁外徑D=50 mm，內(nèi)徑d=34 mm，樁土側(cè)摩阻力系數(shù)k=10 560 kPa/m，在上拔荷載作用下，樁端向上產(chǎn)生上移趨勢(shì)，通過(guò)位移計(jì)測(cè)量樁端位移，樁身應(yīng)變片記錄樁體變形，用于計(jì)算樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度。

圖4為上浮荷載0.8、1.2 kN對(duì)應(yīng)的托底抗拔側(cè)摩阻力數(shù)學(xué)模型計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比曲線。可以看出計(jì)算值與試驗(yàn)值在樁側(cè)摩阻力分布上呈現(xiàn)高度一致性，本文所提出的托底抗拔樁承載力計(jì)算數(shù)學(xué)模型是可行的和有效的。

由圖4可見(jiàn)試驗(yàn)值與計(jì)算值并不完全一致，樁端側(cè)摩阻力的試驗(yàn)值有明顯的減小現(xiàn)象，經(jīng)分析認(rèn)為，這是由于樁體在上浮荷載作用下向上移動(dòng)，樁端下部出現(xiàn)空洞，樁端土體進(jìn)入應(yīng)力松弛階段，樁土接觸面的摩擦性能顯著降低，樁土相對(duì)側(cè)摩阻力系數(shù)顯著減小，因而出現(xiàn)側(cè)摩阻力迅速減小的現(xiàn)象。而理論計(jì)算模型不考慮土體松弛現(xiàn)象，樁土接觸面的性質(zhì)一直保持穩(wěn)定不變，因此，在樁體上移過(guò)程中，樁端土體并不會(huì)發(fā)生坍塌和松散現(xiàn)象，即忽略了樁端側(cè)摩阻力系數(shù)的變化。

綜上所述，托底抗拔樁樁-土相對(duì)位移下部大、上部小，極限承載力高于普通抗拔樁。本文提出的托底抗拔樁承載力計(jì)算模型，僅需確定樁端承載力即可確定樁側(cè)摩阻力發(fā)揮范圍，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便。本研究基于單樁分析獲得了托底抗拔樁的承載力變化規(guī)律，樁體側(cè)摩阻力發(fā)揮形成的塑性區(qū)與極限側(cè)摩阻力的塑性區(qū)關(guān)系，尚需作進(jìn)一步研究。

4" 結(jié)論

高地下水位地區(qū)建筑物的抗浮設(shè)計(jì)是有效保證建筑物穩(wěn)定和安全的重要一環(huán)，常用的方法如增加配重、抗拔錨桿、降低水位等，其中抗拔樁法是行之有效的一種方法，適用范圍廣，承載能力強(qiáng)，受到了較多工程師的青睞。抗拔樁側(cè)摩阻力有效承載了地下水對(duì)建筑物產(chǎn)生的上浮荷載，普通抗拔樁以樁頂為受荷點(diǎn)，樁體為受拉形態(tài)，樁土間的相對(duì)位移趨勢(shì)引起側(cè)摩阻力的發(fā)揮，而托底抗拔樁通過(guò)鋼絞線將上浮荷載傳至樁端，樁體為受壓狀態(tài)，可以較好地發(fā)揮混凝土樁體的抗壓性能，且樁徑的擴(kuò)大趨勢(shì)增大了樁土接觸面的摩擦性能，提高樁側(cè)極限摩阻力。經(jīng)過(guò)理論分析和計(jì)算模型推導(dǎo)，本文對(duì)比了傳統(tǒng)抗拔樁和托底抗拔樁的承載性能差異，并基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和可行性，主要研究成果總結(jié)如下。

1）托底抗拔樁充分利用了樁體的受壓性能，在上浮荷載傳遞至樁底，樁截面受壓有擴(kuò)徑趨勢(shì)，增大樁土接觸面積，樁側(cè)極限摩阻力增大。

2）根據(jù)上浮荷載作用點(diǎn)的不同，托底抗拔樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮由樁底至樁頂，在控制樁頂位移相同時(shí)，比普通抗拔樁承載力更高，并提出了樁側(cè)摩阻力計(jì)算模型。

3）樁端側(cè)摩阻力發(fā)揮所形成的三角區(qū)間與極限摩阻力三角區(qū)間的關(guān)系，本文采用相似三角形的假設(shè)進(jìn)行計(jì)算模型推導(dǎo)，實(shí)際的情況還有待進(jìn)一步的研究，可采用可視化試驗(yàn)，分析樁周土塑性區(qū)的變化規(guī)律。本文研究成果為托底抗拔樁的工程應(yīng)用提供了承載力計(jì)算參考。

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