傾斜荷載下抗拔樁研究綜述

徐海龍，魏松，王智超，陳磊，何家明

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

隨著經濟高速發展，海上建筑物和高層、超高層的建筑物不斷增多，社會對于建筑物的安全性經濟性要求不斷提高，而樁基礎是關乎建筑物安全的重中之重，因此對樁基礎的要求也不斷提高。樁是樁基礎中的重要組成部分，樁底、樁側接觸土體，樁頂連接承臺，起到了至關重要的傳遞與承受荷載的作用。其中又以抗拔樁應用的較為廣泛地運用于各種建筑物中，如本身受上部荷載較小并且受較大地下水托浮力的地下車庫、較高的塔式建筑物、大型石油平臺以及各種斜拉橋和懸索橋等，這些建筑物的基樁中受豎向上拔荷載的較多。

抗拔樁的設計過程中主要考慮其受到豎向荷載，但是，在實際工程中，抗拔樁不僅受到豎向荷載，而且會受到地震荷載、風荷載和水的水平沖擊荷載等水平荷載，所以單一考慮豎向荷載或者水平荷載都是不夠準確的，應該考慮豎向荷載與水平荷載的組合荷載，即傾斜荷載。基于此，本文將從模型試驗、數值模擬兩個方面對近些年來國內外關于傾斜荷載下抗拔樁的相關研究進行歸納闡述，從而為日后學者進行此類研究提供一定的參考。

2 傾斜荷載下抗拔樁的模型試驗研究

國內外學者進行了多種傾斜荷載下抗拔樁的模型試驗研究，國外的學者在這方面起步較早。早于1976年，Das等[1]就對砂中的剛性樁施加與鉛錘面呈0。～90。夾角的傾斜荷載，得出了相關結論：當荷載角度小于30。時，抗拔樁會發生突然失穩的情況；當荷載角度大于30。時，只要增加小量荷載，樁頂就會發生較大的位移；并且得出了作用在抗拔樁上傾斜荷載的水平分力和豎向分力的關系式。其后，Ismael等[2]在中密砂中進行了傾斜荷載下模型樁足尺試驗，結合數值模擬，得出了傾斜荷載的豎向分力對水平分力影響很小的結論。shin等[3]在飽和粘性土中進行了傾斜受荷抗拔樁極限承載力的模型試驗研究，試驗結果表明：對豎向受荷的抗拔樁，樁土界面的粘著系數和粘性土的不排水粘著力呈現出雙曲線關系，此外還提出了傾斜受荷抗拔樁極限承載力的計算公式。Krishna等[4]進行了干砂中樁頂壓力對于傾斜受荷抗拔樁承載力的影響試驗，試驗表明了抗拔樁在傾斜荷載作用下，其凈抗拔承載能力隨著樁頂壓力所占百分比的增大而減少；并且提出了基于樁頂壓力確定樁傾斜抗拔能力的半經驗公式，其預測結果與實驗結果相吻合。同年，Nihar等[5]進行了群樁在中密干砂中受傾斜荷載作用的室內模型試驗，得出了傾斜荷載作用下抗拔群樁的極限承載力與荷載的傾斜角度是連續函數。Ayothiraman等[6]進行了松散砂土中樁在組合荷載下響應的模型試驗，實驗采用不同長徑比的鋁模樁，實驗表明與獨立加載相比，組合荷載下樁頭撓度性能及極限橫向承載力存在顯著變化。

國內在傾斜荷載下抗拔樁的研究相比于國外起步較晚，近幾年，趙明華[7]分別在均質地基與雙層地基中進行了傾斜荷載作用下模型樁的受力分析，測量、整理得出了樁身撓曲變形與樁內部受力情況，并且提出了可以用于指導工程實踐的樁身受力特性，綜合大量模型試驗的數據，提出了樁基極限荷載計算經驗公式。楊學文等[8]進行了抗拔樁室內模型承載對比試驗，得出了傾斜荷載下抗拔樁的承載特性，傾斜受荷樁的一側受壓，另一側受拉。到達極限荷載時，傾斜受荷樁樁周一定深度的土體會發生破壞，破壞區域在地表近似呈現為扇形分布，其范圍隨著荷載傾角的增大而增大。同時，抗拔樁的極限承載力也隨著荷載傾角的增大而增大。根據實驗結果，采用最小二乘擬合法得出抗拔樁樁周土的破裂面方程；利用單元平衡法得出抗拔樁極限承載力計算公式，且計算值與實測值吻合度較高；最后利用有限元分析軟件ABAQUS模擬傾斜荷載下抗拔樁的承載機理。

3 傾斜荷載下抗拔樁的數值模擬研究

在40余年的研究過程中，傾斜荷載下抗拔樁研究一般以模型試驗為主，數值模擬成果相對較少，但是傾斜荷載下抗拔樁的分析方法與軸向荷載下抗拔樁的分析方法相似，并且關于軸向荷載下抗拔樁的研究成果也能在一定程度上指導傾斜受荷抗拔樁的數值模擬研究。為了研究軸向受荷的等直徑樁與擴底樁的承載特性，魏建華等[9]對等樁側后注漿抗拔樁、直徑抗拔樁以及擴底抗拔樁的承載特性進行了數值分析，分析結果表明：樁側后注漿，抗拔樁的荷載-位移曲線在承受比等直徑抗拔樁更大的荷載時才會發生突變，而在相同荷載作用下，擴底抗拔樁的荷載-位移曲線沒有發生突變，依然可以繼續加載。李偉偉、錢建固等[10]通過離心試驗和數值模擬的方法對抗拔單樁的承載變形特性進行了研究，綜合這兩種方法得出：在開始階段，抗拔力隨著上拔位移的增長而線性增長，隨上拔位移進一步增大，抗拔力開始非線性增長，到達分界點時，上拔位移迅速增大，抗拔承載力達到極限。Madhav[11]將樁側極限抗拔摩阻力的折減考慮在內，采用邊界元法對抗拔群樁之間的相互作用，運用疊加法考慮群樁中某個單樁受其他樁的影響，在合理考慮群樁間相互作用的前提下，總結得出抗拔群樁效率系數的理論計算方法。羅寧[12]利用有限元軟件模擬樁土共同作用，探究樁長、樁徑在以及樁身彈性模量對承載機理的影響，得出如下結論：樁長、樁徑一定范圍內對承載變形性狀有顯著的影響，而樁身彈性模量對承載和變形性狀影響不大。并且利用雙曲線荷載傳遞法模擬計算抗拔樁的荷載，與實際值較為貼合，說明了雙曲線荷載傳遞法能夠較為準確地反映抗拔樁的荷載傳遞過程。

在軸向受荷抗拔樁數值模擬研究成果的基礎上，Karthigeyan等[13]進行豎向荷載對樁側響應影響的數值模擬研究，研究表明了豎向荷載對樁側向響應的影響是顯著增加沙質土壤的承載能力，并使粘性土的承載能力略有下降；同時樁的水平荷載設計彎矩也取決于樁的豎向荷載的大小。Martin[14]利用數值模擬軟件，模擬了非粘性土中的抗拔樁和抗壓樁在同時承受水平力與豎向力情況下的抗拔與抗壓性狀。結果表明因為豎向荷載產生的樁側摩阻力和水平荷載產生的被動土壓力會同時發生移動，所以豎向荷載會與水平荷載產生復雜的相互影響。由于樁側摩阻力在被動土壓力移動中的負面效應，從而會導致豎向和橫向系統剛度減小，換而言之就是樁側摩阻力會隨著被動土壓力的移動而增大；另一方面，如果水平荷載小于豎向荷載，樁身上由水平荷載產生的正應力就會導致豎向極限承載力的提高。付玉芬等[15]通過室內模型試驗，分析了傾斜受荷擴底樁的荷載-位移曲線，采用有限元分析軟件FLAC3D對擴底樁進行了數值分析，在數值分析所得結果的基礎上，研究了傾斜受荷擴底樁的工作狀況，并將其與等截面樁進行了對比。研究結果表明：擴底樁的豎向位移與水平位移隨著傾斜載荷的增大而增大；在傾斜荷載作用下擴底樁身水平位移第一零點下降，樁身豎向位移出現了分布不均勻的情況，同時，樁身應力分布情況較為復雜。

4 結語

本文重點從模型試驗研究與數值模擬研究兩個方面對傾斜荷載下抗拔樁的研究進行了綜述，目前對于傾斜荷載下抗拔樁的研究已有一定成果，尤其在傾斜荷載對于抗拔樁承載力以及抗拔樁位移的影響方面，諸多學者的研究成果豐富了抗拔樁的研究體系。但是目前為止的研究多停留在對等直徑抗拔樁的研究，對于變直徑抗拔樁的研究方面還尚未完善，且在傾斜受荷抗拔樁的數值模擬方面的研究也很缺乏，需要加強這方面的研究。