托底抗拔樁側摩阻力發揮機理及計算模型研究

摘" 要：抗拔樁有效解決地下水對建筑物產生上浮效果的負面影響。托底抗拔樁將無粘結鋼絞線與普通抗拔樁有效結合，充分利用樁體承壓性能。基于有效應力法確定樁側極限摩阻力分布范圍，采用雙折線荷載傳遞函數模擬樁側摩阻力發揮特性，探討托底抗拔樁的承載力變化規律，建立樁側摩阻力發揮范圍和荷載-位移的計算公式，提出托底抗拔樁承載力計算模型，并與普通抗拔樁性能進行對比。結果表明，相比于傳統抗拔樁，托底抗拔樁改善樁體受荷狀態，有效提高承載力、降低樁頂位移，具有較好的應用效果。該文研究成果為托底抗拔樁的應用提供理論基礎。

關鍵詞：托底抗拔樁；側摩阻力；發揮機理；計算模型；有效應力法

中圖分類號：TU473.1" " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：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

隨著中國基礎建設的快速發展，復雜地質條件下的建筑物越來越多，工程建設面臨的問題也越來越多，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。樁基礎由于獨特的結構形式，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定和持久[1]。同時，樁基礎還解決了由于地下水位上升而導致建筑物受到上浮力作用的問題，這種樁型即抗拔樁。傳統抗拔樁與上部承臺相連，在地下水的作用下，承臺受到上浮力作用，即等同于樁頂受到上拔荷載，樁土間的相對位移對樁身產生了側摩阻力[2-5]。如何有效改善抗拔樁的抗拔性能，提高建筑物的穩定和安全性是建筑工程設計者的主要研究方向之一。托底抗拔樁是通過無黏結鋼絞線將上拔力作用點轉移至樁底，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，學者們從理論分析、現場試驗、室內模型試驗及數值模擬等方面，開展了一系列的研究。從現場實測的結果分析，托底抗拔樁側摩阻力的發揮是由下至上的荷載傳遞方式，樁身下部的側摩阻力得到充分發揮，因此，托底抗拔樁顯著提升了樁側摩阻力發揮的程度[7]。邵光輝等[2]基于室內模型試驗，深入研究了傳統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算方法，并驗證了該方法的合理性。隨后，聶永江等[6]在分析樁-土體系剪切狀態發展過程的基礎上，建立了樁-土多段線性荷載傳遞函數。推導了樁-土在不同狀態下樁身內力與位移的解析表達式。陳楊等[8]以樁周土特性為研究重點，發現松砂與密砂中抗拔樁的承載特性有顯著差異。包彥冉等[9]開展室內模型試驗，定性研究了樁型、樁周土性質和上部荷載特點對樁側摩阻力的影響，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摩阻力分布等特性的差異。

本文基于有效應力法確定樁側極限摩阻力分布范圍，采用雙折線荷載傳遞函數模擬樁側摩阻力發揮特性，對比托底抗拔裝與傳統抗拔樁的差異性和優越性，分析樁側摩阻力發揮的工況條件，以及樁端土體塑性區邊界范圍，建立樁側摩阻力發揮范圍和荷載-位移的計算公式，以現有文獻中的室內模型試驗數據為基準，驗證了本模型的合理性和有效性，為托底抗拔樁的設計提供理論參考。

1" 樁側極限摩阻力計算法

樁側摩阻力產生的主要原因是樁土之間的相對位移，托底抗拔樁由樁端受壓，假設樁周土無位移和變形，樁身受壓的過程中，產生向上的移動趨勢，樁側產生向下的摩阻力，即為抗拔樁承載力。為保證在上浮荷載的作用下，建筑物不產生上浮位移，必須嚴格控制抗拔樁樁頂位移，理想狀態為樁頂無位移。托底抗拔樁通過鋼絞線將上浮荷載傳遞至樁底，樁體呈現出受壓狀態，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，樁長為l，樁周長為C，樁截面積為A。

傳統抗拔樁頂部受拉力作用，樁體整體為受拉狀態，樁徑有縮小的趨勢，樁-土接觸面的間隙會增大，根據樁側摩阻力發揮的影響因素分析，樁土間的極限摩阻力會有所降低。根據土體和樁體的工程性質特點，在受壓荷載作用下，假設樁體為彈性材料，土體為彈塑性材料。分析托底抗拔樁在受荷狀態下的性能發揮機理可知，樁體的壓縮位移由樁底向樁端逐漸減小，在此過程中，樁土間的相對位移產生側摩阻力，用以平衡外部荷載，且由于樁體處于受壓狀態，樁徑會輕微增大，進一步增加樁土接觸壓力，提升樁側摩阻力發揮的極限值，充分發揮樁土體材料的工程性能。

摩阻力的計算研究一直是樁基礎領域學者重點研究的方面，主要研究方法有總應力法、有效應力法、彈性理論法及數值分析法[1]。經現場試驗驗證，有效應力法計算結果與現場實測數據較吻合，能夠較好地反映樁側負摩阻力的實際情況。有效應力法[1]

f=βσv′ ， " " （1）

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

側摩阻力系數β會受到樁的尺寸和樁周土的性質以及時間的影響，經驗公式如下

正常固結土β=（1-sinφ′）tanδ ， （2）

超固結土β=（1-sinφ′）OCR0.5tanδ ， （3）

式中：φ′-樁周土有效內摩擦角；δ-樁土接觸面摩擦角。

根據現場試驗[1]，黏土、粉土、砂土的摩阻力系數的β取值分別為0.2～0.25、0.25～0.35、0.25～0.5。顯然，摩阻力系數與土質成分有顯著關系，經分析認為，摩阻力的發揮主要與土顆粒的大小有關，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，而小顆粒的土體間嵌鎖效果不明顯。根據有效應力原理，土顆粒之間的荷載為有效應力，更適合用于分析土體內荷載傳遞的規律，因此，本文在計算樁側摩阻力時采用的理論為有效應力法，根據以上內容可得，單位樁極限側摩阻力的表達公式如下

f=βσv′=βγ′z ， " （4）

式中：γ′-樁周土有效重度；z-沿樁深度。

試驗結果顯示，樁側摩阻力的發揮與樁土相對位移有著密切關系，樁體受到上浮力的作用，產生上移趨勢，樁周土對樁體產生側摩阻力作用，本文利用理想彈塑性模型計算樁側摩阻力f，土體受壓產生的應力應變模型假設為理想彈塑性模型，如圖2所示，圖2中k為樁土界面摩擦系數，k=tanδ，fm為極限摩阻力，Sp為樁土相對位移，樁側摩阻力達到極限值時的樁土相對沉降值Sm的取值一般為5 mm[11]。

2" 托底抗拔樁側摩阻力計算模型

根據前文所述，均質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，樁側摩阻力未達到極限值；②樁身位移較大，樁身摩阻力達到極限值。根據式（4）可知，樁側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，當樁身位移小于Sm時，樁側摩阻力未達到極限摩阻力，如圖3中三角形區域。

為簡化計算，對計算模型的建立進行以下假設：①假設摩阻力發揮的范圍與極限摩阻力范圍為相似三角形；②樁周土層為均質土；③樁土接觸面摩擦系數k為常數。

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，樁側摩阻力發揮范圍為距樁端d深度內，樁端側摩阻力發揮最大，樁頂上浮荷載為F，對應關系為

經求解，可得樁頂荷載F與樁側摩阻力發揮范圍d之間的關系

由計算模型分析前的假設可知，當d=0時，樁體側摩阻力未發揮；當d=l時，樁頂出現位移，其附近側摩阻力開始發揮。當極限側摩阻力發揮時，由式（4）可知，隨著位移的增大，樁體側摩阻力完全發揮，當樁端位移達到Sm，抗拔樁達到極限承載力

樁側極限摩阻力全部發揮時，樁體處于極限臨界狀態，且樁頂的位移一般較大，很難滿足規范要求，因此，在實際工程中，抗拔樁的承載力按照極限承載力的0.8倍計算，儲備一定的安全系數，符合實際要求。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、樁-土接觸面摩阻系數、樁周土有效重度和樁長的關系，參數易于確定，相比較復雜的樁側摩阻力計算模型，該模型通俗易懂，計算過程簡單，便于在實際工程中推廣應用。

3" 算例驗證

根據文獻[9]的室內模型試驗，人造地基中一單樁，樁身及樁周土相關工程參數如下：樁長l=1.1 m，樁外徑D=50 mm，內徑d=34 mm，樁土側摩阻力系數k=10 560 kPa/m，在上拔荷載作用下，樁端向上產生上移趨勢，通過位移計測量樁端位移，樁身應變片記錄樁體變形，用于計算樁側摩阻力發揮程度。

圖4為上浮荷載0.8、1.2 kN對應的托底抗拔側摩阻力數學模型計算值與試驗值對比曲線。可以看出計算值與試驗值在樁側摩阻力分布上呈現高度一致性，本文所提出的托底抗拔樁承載力計算數學模型是可行的和有效的。

由圖4可見試驗值與計算值并不完全一致，樁端側摩阻力的試驗值有明顯的減小現象，經分析認為，這是由于樁體在上浮荷載作用下向上移動，樁端下部出現空洞，樁端土體進入應力松弛階段，樁土接觸面的摩擦性能顯著降低，樁土相對側摩阻力系數顯著減小，因而出現側摩阻力迅速減小的現象。而理論計算模型不考慮土體松弛現象，樁土接觸面的性質一直保持穩定不變，因此，在樁體上移過程中，樁端土體并不會發生坍塌和松散現象，即忽略了樁端側摩阻力系數的變化。

綜上所述，托底抗拔樁樁-土相對位移下部大、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算模型，僅需確定樁端承載力即可確定樁側摩阻力發揮范圍，計算過程簡便。本研究基于單樁分析獲得了托底抗拔樁的承載力變化規律，樁體側摩阻力發揮形成的塑性區與極限側摩阻力的塑性區關系，尚需作進一步研究。

4" 結論

高地下水位地區建筑物的抗浮設計是有效保證建筑物穩定和安全的重要一環，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，受到了較多工程師的青睞?？拱螛秱饶ψ枇τ行С休d了地下水對建筑物產生的上浮荷載，普通抗拔樁以樁頂為受荷點，樁體為受拉形態，樁土間的相對位移趨勢引起側摩阻力的發揮，而托底抗拔樁通過鋼絞線將上浮荷載傳至樁端，樁體為受壓狀態，可以較好地發揮混凝土樁體的抗壓性能，且樁徑的擴大趨勢增大了樁土接觸面的摩擦性能，提高樁側極限摩阻力。經過理論分析和計算模型推導，本文對比了傳統抗拔樁和托底抗拔樁的承載性能差異，并基于試驗結果對比驗證了計算模型的準確性和可行性，主要研究成果總結如下。

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，樁截面受壓有擴徑趨勢，增大樁土接觸面積，樁側極限摩阻力增大。

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

3）樁端側摩阻力發揮所形成的三角區間與極限摩阻力三角區間的關系，本文采用相似三角形的假設進行計算模型推導，實際的情況還有待進一步的研究，可采用可視化試驗，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工程應用提供了承載力計算參考。

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