基于理論分析法的托底抗拔樁承載性能優勢研究

摘 要：托底抗拔樁改變了傳統抗拔樁承載特性，充分發揮了抗拔樁的承載性能。采用有效應力法計算抗拔樁極限承載力，根據摩阻力發揮機理，建立不同工況下托底抗拔樁荷載—位移關系式，通過試驗數據驗證理論計算模型的適用性和準確性，進而與普通抗拔樁承載性能進行對比研究。研究表明，托底抗拔樁具有優越的承載特性，樁頂位移顯著減少，建立的理論模型可以有效評估樁體承載力，為樁基礎設計提供理論計算依據。

關鍵詞：托底抗拔樁；側摩阻力；理論模型；承載性能

中圖分類號：TU 473 " " " " " 文獻標志碼：A

抗拔樁作為有效的抗浮手段之一，因其具有承載力高、適應性好和施工簡便的特點，廣泛應用于相關工程。傳統抗拔樁與建筑基礎剛性連接，上浮荷載由樁頂傳遞至樁端，樁體呈現受拉狀態；托底抗拔樁利用無黏結鋼絞線將樁端與建筑基礎連接，上浮荷載直接傳遞至樁端，樁側摩阻力由樁端附近開始發揮，樁體呈現受壓狀態，可以較充分地發揮抗浮性能。邵光輝等[1]對多組室內模型進行試驗，提出了關于抗拔樁極限承載力的計算公式，基于試驗數據驗證其有效性和合理性。在此基礎上，聶永江和邵光輝[2]進一步分析樁—土體系相互作用機理和荷載傳遞機制，建立了樁—土多段線性荷載傳遞函數，進而推導托底抗拔樁荷載—位移的解析解。包自成等[3]采用常規靜載試驗，對比研究了受壓狀態的新型復合預應力抗拔樁和常規鋼筋籠抗拔樁的承載特性，驗證了樁體受壓更有利于承載性能的發揮。

本文根據托底抗拔樁承載性能發揮機理，建立上浮荷載與樁體位移關系式，提出傳統抗拔樁的荷載—位移關系式，進而對比分析兩種樁型在不同上浮荷載作用下的位移差，突出兩者的承載性能差異。

1 樁側極限摩阻力

抗拔樁主要利用樁側摩阻力抵抗地下水對建筑物產生的上浮荷載，保障建筑物的安全。低于傳統抗拔樁，樁頂處樁—土體系的相對位移趨勢最大，逐漸向樁端減少。而托底抗拔樁由于鋼絞線的荷載傳遞作用，因此樁端處樁—土相對位移最大，樁側摩阻力發揮程度也最大。此外，托底抗拔樁樁端受鋼絞線的拉力作用，產生向上的壓縮效果，樁—土產生相對位移，樁側摩阻力開始發揮，此時，樁端位移大，樁頂位移小，如圖1（a）所示。傳統抗拔樁由樁頂受拉力作用，樁側摩阻力由樁頂附近開始發揮，樁—土相對位移為樁頂大，樁端小，如圖1（b）所示。

樁側極限摩阻力是樁—土界面發揮承載性能的極限值，主要方法包括總應力法、彈性理論法、有效應力法以及數值分析法[4-5]。經原位試驗與理論計算值對比，有效應力法具有較好的適用性和準確性，能夠較好地反映樁側負摩阻力的實際情況，計算方法如公式（1）所示[4]。

f=βσv' （1）

式中：f為單位深度的側摩阻力；β為摩阻力系數；σv'為樁周土平均豎向有效應力。

側摩阻力系數β與樁體幾何尺寸、樁周土性質以及深度有關，計算過程如公式（2）、公式（3）所示。

正常固結土：β=（1-sinφ'）tanδ "（2）

超固結土：β=（1-sinφ'）OCR0.5tanδ （3）

式中：φ'為樁周土有效內摩擦角；δ為樁土接觸面摩擦角；OCR為超固結比。

根據現場試驗，黏土、粉土和砂土的摩阻力系數的β取值[4]分別為0.2～0.25、0.25～0.35和0.25～0.5。基于有效應力法，單位樁極限側摩阻力如公式（4）所示。

f=βσv'=βγ'z " （4）

式中：γ'為樁周土有效重度；z為深度。

已有研究結果表明，樁土界面力學特性發揮與樁—土相對位移有直接相關性，在上浮荷載作用下，托底抗拔樁受壓并有上移趨勢，普通抗拔樁受拉也有上移趨勢，樁周土對樁體產生向下的側摩阻力作用。本文利用理想彈塑性模型計算樁側摩阻力f，樁—土摩阻力模型假設為理想彈塑性模型，如圖2所示，Sm取值通常為5mm[5]。

2 抗拔樁側摩阻力

2.1 托底抗拔樁

在上浮荷載作用下，樁—土相對位移逐漸增加，根據工況不同，側摩阻力分布主要為兩種狀態：1）相對位移較小，小于Sm值，樁側摩阻力未達到極限值。2）樁身位移較大，大于Sm值，樁身摩阻力達到極限值。

為簡化計算，提出理論計算模型的3點假設：1）假設摩阻力發揮的范圍為三角形區域。2）樁周土層為均質土。3）樁土接觸面摩擦系數k=fm/Sm。4）樁側摩阻力沿樁身同時發揮，忽略僅有局部側摩阻力發揮的情況。

根據彈塑性模型原理，圖3中樁側摩阻力均未達到極限摩阻力值，此時，樁端側摩阻力發揮最大，樁端樁土接觸面摩擦系數為kb，樁頂上浮荷載為F?；趫D3中樁側摩阻力發揮范圍和樁端樁—土相對位移數據，在上浮荷載F的作用下，豎直方向力學平衡方程如公式（5）所示。

（5）

展開公式（5）后得出公式（6）。

（6）

結合模型關于樁土接觸面摩擦系數的假設，可表達為公式（7）。

（7）

當樁端樁—土相對位移達到極限值時，樁側摩阻力充分發揮，托底抗拔樁達到極限承載力。

2.2 普通抗拔樁

對普通抗拔樁來說，由于上浮荷載作用位置不同，因此與托底抗拔樁相比，樁—土相對位移特征有顯著區別，如圖4所示。

由于普通樁頂附近的樁—土相對位移最大且此處樁—土接觸面摩擦系數較小，因此在上浮力F的作用下，很快達到極限側摩阻力，深度為a，即a深度以上樁—土相對位移超過Sm，a深度以下，樁—土相對位移較小，樁—土極限摩阻力處于彈性區間。因此，樁體保持平衡的力學條件如公式（8）所示。

（8）

進一步簡化公式（8），得到公式（9）。

（9）

顯然，當樁側摩阻力塑性發揮深度a=l時，樁側摩阻力達到最大值，與托底抗拔樁理論極限承載力相同。

根據樁體線性位移的假設，樁頂位移Spt，a處位移為Sm，可建立關系式如公式（10）所示。

（10）

由此可知，在某一上浮荷載作用下，樁側摩阻力發揮與之相當的承載力，達到平衡狀態，此時，樁頂與樁端位移呈反比，表明了側摩阻力的發揮主要范圍。

根據以上分析可知，托底抗拔樁的承載特征與傳統抗拔樁承載特征的差異如下：1）樁側摩阻力發揮起始位置不同，樁底與樁頂。2）樁體軸力產生的效果不同，受壓與受拉狀態。樁體受壓的托底抗拔樁承載性能更優，研究結果與文獻[6]結論一致。全樁身受壓的抗拔樁極限承載力最大，承載性能發揮充分。

3 算例驗證與分析

為驗證本文推導的托底抗拔樁側摩阻力計算公式的準確性和有效性，對文獻[7]中室內模型試驗樁進行計算，并將計算值與試驗值進行對比驗證。根據文獻[7]的室內模型試驗，托底抗拔樁樁身尺寸和樁—土界面參數為l=1.1m，樁徑D=50mm，樁端樁土側摩阻力系數k=10560kN/m3，樁—土相對位移約1.2mm，上浮荷載為1.2kN。模型試驗值與理論公式（7）計算值如圖5所示。

理論計算值與模型試驗值高度一致，說明本文提出的托底抗拔樁承載力計算數學模型是可行的。

由圖5可知，在樁端附近，室內模型的側摩阻力突然減少，樁體在上浮荷載作用下向上移動，樁端下部出現空洞，樁端土體出現應力松弛現象，樁土側摩阻力系數顯著減少，因此出現側摩阻力減少的現象。數學模型不考慮土體松弛現象，忽略了樁端側摩阻力系數的變化。

為進一步對比托底抗拔樁與普通抗拔樁的承載特性和差異性，在不同上浮荷載條件下，對公式（7）和公式（9）樁體位移數據進行對比分析，計算示例：樁長為10m，樁周土重度為18kN/m3，樁徑為1m，摩阻力系數取值0.25，計算結果如圖6所示。

由圖6可知，在相同上浮荷載作用下，托底抗拔樁的樁端位移更大，表明樁側摩阻力主要由樁端提供，根據公式（10）可知，相同荷載作用下樁端位移越大，樁頂位移越小，建筑物更安全，因此，托底抗拔樁承載性能更優。

4 結論

托底抗拔樁改善了樁體受力狀態，與普通抗拔樁相比，能充分利用材料性質，抗拔承載效果更佳。通過分析2種樁型的受力模式，推導在上浮荷載作用下，樁側摩阻力的發揮效果，建立理論計算模型，并進行驗證和對比。研究成果如下：托底抗拔樁樁端摩阻力先發揮，初期抗拔效果最佳，樁頂位移較小；普通抗拔樁樁頂側摩阻力先發揮，樁頂位移較大；托底抗拔樁改善了樁體變形特性。由普通抗拔樁的受拉狀態變為受壓狀態，樁徑擴大增加樁土側摩阻力系數，提高極限抗拔承載力；假設托底抗拔樁樁端側摩阻力發揮的邊界范圍為三角錐面，可以采用可視化試驗結合數值對其進行模擬，分析樁周土塑性區的變化規律。本文研究成果為托底抗拔樁的承載力發揮機理研究和工程實踐提供了參考。

參考文獻

[1]邵光輝，趙志峰，吳正余.托底抗拔樁承載特性的模型試驗研究[J].巖土工程學報，2016，38（6）：1140-1146.

[2]聶永江，邵光輝.基于樁—土剪切特性的托底抗拔樁承載力分析[J].林業工程學報，2020，5（6）：149-154.

[3]包自成，周曉波，辛軍霞，等.北京城市副中心站綜合交通樞紐工程新型抗拔樁靜載試驗分析[J].建筑技術開發，2022，49（12）：129-131.

[4]JINYUAN LIU，HONGMEI GAO，HANLONG LIU.Finite element analyses of negative skin friction on a single pile[J].Acta Geotechnica，2012（7）：239-252.

[5]馬露，王鈺軻，于敏，等.基于有效應力法的單樁負摩阻力計算[J].水文地質工程地質，2017，44（1）：72-77.

[6]滑鵬林，楊生貴，楊鵬程，等.復合錨桿抗拔樁承載性能試驗研究[J].建筑科學，2023，39（3）：52-56.

[7]包彥冉，馬海龍，雷珊珊.樁側摩阻力－樁土相對位移試驗曲線及其擬合分析[J].浙江理工大學學報（自然科學版），2020，43（1）：102-108.