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(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，海上建筑物和高層、超高層的建筑物不斷增多，社會(huì)對(duì)于建筑物的安全性經(jīng)濟(jì)性要求不斷提高，而樁基礎(chǔ)是關(guān)乎建筑物安全的重中之重，因此對(duì)樁基礎(chǔ)的要求也不斷提高。樁是樁基礎(chǔ)中的重要組成部分，樁底、樁側(cè)接觸土體，樁頂連接承臺(tái)，起到了至關(guān)重要的傳遞與承受荷載的作用。其中又以抗拔樁應(yīng)用的較為廣泛地運(yùn)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(kù)、較高的塔式建筑物、大型石油平臺(tái)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(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮其受到豎向荷載，但是，在實(shí)際工程中，抗拔樁不僅受到豎向荷載，而且會(huì)受到地震荷載、風(fēng)荷載和水的水平?jīng)_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(zhǔn)確的，應(yīng)該考慮豎向荷載與水平荷載的組合荷載，即傾斜荷載?；诖?，本文將從模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬兩個(gè)方面對(duì)近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于傾斜荷載下抗拔樁的相關(guān)研究進(jìn)行歸納闡述，從而為日后學(xué)者進(jìn)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(yàn)研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多種傾斜荷載下抗拔樁的模型試驗(yàn)研究，國(guó)外的學(xué)者在這方面起步較早。早于1976年，Das等[1]就對(duì)砂中的剛性樁施加與鉛錘面呈0?！?0。夾角的傾斜荷載，得出了相關(guān)結(jié)論：當(dāng)荷載角度小于30。時(shí)，抗拔樁會(huì)發(fā)生突然失穩(wěn)的情況；當(dāng)荷載角度大于30。時(shí)，只要增加小量荷載，樁頂就會(huì)發(fā)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(guān)系式。其后，Ismael等[2]在中密砂中進(jìn)行了傾斜荷載下模型樁足尺試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬，得出了傾斜荷載的豎向分力對(duì)水平分力影響很小的結(jié)論。shin等[3]在飽和粘性土中進(jìn)行了傾斜受荷抗拔樁極限承載力的模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)豎向受荷的抗拔樁，樁土界面的粘著系數(shù)和粘性土的不排水粘著力呈現(xiàn)出雙曲線關(guān)系，此外還提出了傾斜受荷抗拔樁極限承載力的計(jì)算公式。Krishna等[4]進(jìn)行了干砂中樁頂壓力對(duì)于傾斜受荷抗拔樁承載力的影響試驗(yàn)，試驗(yàn)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(jīng)驗(yàn)公式，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。同年，Nihar等[5]進(jìn)行了群樁在中密干砂中受傾斜荷載作用的室內(nèi)模型試驗(yàn)，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(xù)函數(shù)。Ayothiraman等[6]進(jìn)行了松散砂土中樁在組合荷載下響應(yīng)的模型試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用不同長(zhǎng)徑比的鋁模樁，實(shí)驗(yàn)表明與獨(dú)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(guó)內(nèi)在傾斜荷載下抗拔樁的研究相比于國(guó)外起步較晚，近幾年，趙明華[7]分別在均質(zhì)地基與雙層地基中進(jìn)行了傾斜荷載作用下模型樁的受力分析，測(cè)量、整理得出了樁身?yè)锨冃闻c樁內(nèi)部受力情況，并且提出了可以用于指導(dǎo)工程實(shí)踐的樁身受力特性，綜合大量模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，提出了樁基極限荷載計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。楊學(xué)文等[8]進(jìn)行了抗拔樁室內(nèi)模型承載對(duì)比試驗(yàn)，得出了傾斜荷載下抗拔樁的承載特性，傾斜受荷樁的一側(cè)受壓，另一側(cè)受拉。到達(dá)極限荷載時(shí)，傾斜受荷樁樁周一定深度的土體會(huì)發(fā)生破壞，破壞區(qū)域在地表近似呈現(xiàn)為扇形分布，其范圍隨著荷載傾角的增大而增大。同時(shí)，抗拔樁的極限承載力也隨著荷載傾角的增大而增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jì)算公式，且計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(jī)理。

3 傾斜荷載下抗拔樁的數(shù)值模擬研究

在40余年的研究過(guò)程中，傾斜荷載下抗拔樁研究一般以模型試驗(yàn)為主，數(shù)值模擬成果相對(duì)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(guān)于軸向荷載下抗拔樁的研究成果也能在一定程度上指導(dǎo)傾斜受荷抗拔樁的數(shù)值模擬研究。為了研究軸向受荷的等直徑樁與擴(kuò)底樁的承載特性，魏建華等[9]對(duì)等樁側(cè)后注漿抗拔樁、直徑抗拔樁以及擴(kuò)底抗拔樁的承載特性進(jìn)行了數(shù)值分析，分析結(jié)果表明：樁側(cè)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(shí)才會(huì)發(fā)生突變，而在相同荷載作用下，擴(kuò)底抗拔樁的荷載-位移曲線沒(méi)有發(fā)生突變，依然可以繼續(xù)加載。李偉偉、錢建固等[10]通過(guò)離心試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)抗拔單樁的承載變形特性進(jìn)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(zhǎng)而線性增長(zhǎng)，隨上拔位移進(jìn)一步增大，抗拔力開始非線性增長(zhǎng)，到達(dá)分界點(diǎn)時(shí)，上拔位移迅速增大，抗拔承載力達(dá)到極限。Madhav[11]將樁側(cè)極限抗拔摩阻力的折減考慮在內(nèi)，采用邊界元法對(duì)抗拔群樁之間的相互作用，運(yùn)用疊加法考慮群樁中某個(gè)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(jié)得出抗拔群樁效率系數(shù)的理論計(jì)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(zhǎng)、樁徑在以及樁身彈性模量對(duì)承載機(jī)理的影響，得出如下結(jié)論：樁長(zhǎng)、樁徑一定范圍內(nèi)對(duì)承載變形性狀有顯著的影響，而樁身彈性模量對(duì)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(jì)算抗拔樁的荷載，與實(shí)際值較為貼合，說(shuō)明了雙曲線荷載傳遞法能夠較為準(zhǔn)確地反映抗拔樁的荷載傳遞過(guò)程。

在軸向受荷抗拔樁數(shù)值模擬研究成果的基礎(chǔ)上，Karthigeyan等[13]進(jìn)行豎向荷載對(duì)樁側(cè)響應(yīng)影響的數(shù)值模擬研究，研究表明了豎向荷載對(duì)樁側(cè)向響應(yīng)的影響是顯著增加沙質(zhì)土壤的承載能力，并使粘性土的承載能力略有下降；同時(shí)樁的水平荷載設(shè)計(jì)彎矩也取決于樁的豎向荷載的大小。Martin[14]利用數(shù)值模擬軟件，模擬了非粘性土中的抗拔樁和抗壓樁在同時(shí)承受水平力與豎向力情況下的抗拔與抗壓性狀。結(jié)果表明因?yàn)樨Q向荷載產(chǎn)生的樁側(cè)摩阻力和水平荷載產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力會(huì)同時(shí)發(fā)生移動(dòng)，所以豎向荷載會(huì)與水平荷載產(chǎn)生復(fù)雜的相互影響。由于樁側(cè)摩阻力在被動(dòng)土壓力移動(dòng)中的負(fù)面效應(yīng)，從而會(huì)導(dǎo)致豎向和橫向系統(tǒng)剛度減小，換而言之就是樁側(cè)摩阻力會(huì)隨著被動(dòng)土壓力的移動(dòng)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(chǎn)生的正應(yīng)力就會(huì)導(dǎo)致豎向極限承載力的提高。付玉芬等[15]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了傾斜受荷擴(kuò)底樁的荷載-位移曲線，采用有限元分析軟件FLAC3D對(duì)擴(kuò)底樁進(jìn)行了數(shù)值分析，在數(shù)值分析所得結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究了傾斜受荷擴(kuò)底樁的工作狀況，并將其與等截面樁進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明：擴(kuò)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(kuò)底樁身水平位移第一零點(diǎn)下降，樁身豎向位移出現(xiàn)了分布不均勻的情況，同時(shí)，樁身應(yīng)力分布情況較為復(fù)雜。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)從模型試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究?jī)蓚€(gè)方面對(duì)傾斜荷載下抗拔樁的研究進(jìn)行了綜述，目前對(duì)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(duì)于抗拔樁承載力以及抗拔樁位移的影響方面，諸多學(xué)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(duì)等直徑抗拔樁的研究，對(duì)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(shù)值模擬方面的研究也很缺乏，需要加強(qiáng)這方面的研究。