符羽佳，杜 鵬，張仰福，李光范，曹志遠(yuǎn)，劉顯陽(yáng)

(1.中國(guó)電建集團(tuán)海南電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，?？?571100； 2.?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院 雅和人居工程學(xué)院，海口 571127； 3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114； 4.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，?？?570228)

1 研究背景

樁基抗拔水平是制約建(構(gòu))筑工程向更高、更深、更廣方向安全發(fā)展的關(guān)鍵組成部分，抗拔樁區(qū)分于抗壓樁，沒有端阻，其承載水平完全由側(cè)摩阻力決定[1]。傳統(tǒng)的管樁已不能滿足大型工程的需求，由此推動(dòng)了異型樁的研究發(fā)展[2-6]。鑒于異型樁的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)耗資大、環(huán)境因素影響大、重復(fù)性低等不足，而模型試驗(yàn)具有成本低、可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，部分學(xué)者以室內(nèi)模型試驗(yàn)來(lái)研究非等截面樁的承載作用機(jī)理。邵光輝等[7]針對(duì)托底抗拔樁的承載特性進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。錢建固等[8]、王斌等[9]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)比等截面圓樁及注漿螺紋抗拔樁，分析研究后者的作用機(jī)理。陳仁朋等[10]通過(guò)采用大比例尺模型研究擴(kuò)底樁在飽和及非飽和粉土中的極限上拔承載力問(wèn)題。雍君等[11]利用自行研發(fā)的試驗(yàn)裝置對(duì)X形混凝土樁的抗拔特性開展模型試驗(yàn)研究。陳新[12]針對(duì)支樁的抗壓、抗拔等承載性能開展了一系列模型試驗(yàn)研究。

齒樁是利用牙齒咬合加固的仿生學(xué)原理，在傳統(tǒng)管樁的側(cè)表面增加素混凝土的凸起結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程需要的不同，其形狀可以是螺紋狀、水平環(huán)狀(本文針對(duì)的形狀)、水平零星狀等。齒樁可利用專業(yè)可控液壓技術(shù)通過(guò)旋壓方式進(jìn)行灌注施工[13]，一方面可解決由大量沉渣或樁側(cè)泥皮引起承載力折減的問(wèn)題，另一方面可減少甚至避免泥漿污染等環(huán)境問(wèn)題。齒樁齒部結(jié)構(gòu)設(shè)置靈活、施工環(huán)保便捷，適用條件較廣，是對(duì)樁基礎(chǔ)的一次技術(shù)創(chuàng)新，可豐富小改截面樁領(lǐng)域的研究。

目前針對(duì)齒樁的相關(guān)研究極少，符羽佳等[14]設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)對(duì)齒樁的豎向抗壓承載性狀進(jìn)行了研究，鮮有針對(duì)齒樁抗拔承載力的研究?；诖耍疚牟捎媚Ｐ驮囼?yàn)方式，靈活設(shè)置不同變量，開展齒樁抗拔試驗(yàn)研究，以期為開展齒樁更深入的理論研究與工程實(shí)踐提供借鑒。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)箱、加載裝置和測(cè)量裝置3部分組成，如圖1所示。試驗(yàn)箱的尺寸為2 000 mm(長(zhǎng)) × 2 000 mm(寬) × 1 500 mm(高)，試驗(yàn)箱骨架用角鋼焊接而成，試驗(yàn)箱的頂部設(shè)置可移動(dòng)反力架，在此試驗(yàn)中其可用于放置位移百分表。測(cè)量裝置包括荷載和位移測(cè)量系統(tǒng)兩部分，荷載由每個(gè)標(biāo)重的砝碼組成，位移測(cè)量系統(tǒng)由2個(gè)百分表組成，用于測(cè)量樁頂上拔位移。加載裝置主要由吊環(huán)裝置、吊鉤、拉線、滑輪、砝碼盤組成。其中拉線具有一定剛度且無(wú)彈性，保證荷載作用精確傳到模型樁；吊環(huán)裝置與模型樁是螺紋安接的，不易脫落；螺栓扣將吊鉤與拉線連成一體，保證不脫落；水平板與吊環(huán)裝置通過(guò)密封膠粘合，用于水平放置2個(gè)百分表。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Diagram of the test device

2.2 試驗(yàn)材料

模型樁采用外徑32 mm、壁厚2 mm的鋁合金管制作而成，模型樁內(nèi)徑28 mm，樁長(zhǎng)1 000 mm，試驗(yàn)埋置深度960 mm，齒部結(jié)構(gòu)(鋼材)與樁身通過(guò)密封膠粘合，粘貼區(qū)域距樁頂55 mm、距樁端15 mm，粘合24 h以上確認(rèn)牢固后投入試驗(yàn)。齒樁樁體的結(jié)構(gòu)尺寸見圖2，針對(duì)齒樁的特點(diǎn)，給出各大變截面樁的直肋徑比，見表1。模型樁的變量組合情況見表2，其中齒部結(jié)構(gòu)的齒距成倍減小，下文中出現(xiàn)的65齒是在齒層數(shù)為33的情況下預(yù)測(cè)的。模型樁的基本參數(shù)見表3。試驗(yàn)前，在樁端嵌入并粘合直徑約28 mm、厚2 mm的圓柱木塊，以此避免試驗(yàn)砂進(jìn)入樁端而影響模型樁真實(shí)受力的模擬。

圖2 樁體示意圖Fig.2 Schematic of pile

表1 直肋徑比Table 1 Ratio of straight rib to diameter

表2 模型樁變量組合參數(shù)Table 2 Parameter combinations of model pile variables

表3 模型樁及試驗(yàn)用砂的基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of model piles and test sand

選取海南南渡江的河砂并作大顆粒處理來(lái)作為試驗(yàn)土，主要考慮到其屬于天然散粒，能較大程度地確保試驗(yàn)條件的穩(wěn)定性，從而較好地反映模型樁受力特點(diǎn)，其物理參數(shù)見表3。

2.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)主要通過(guò)控制齒長(zhǎng)及齒距進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)分組見表4。共設(shè)置11組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)至少操作3次，選取位于3組次試驗(yàn)值的中間試驗(yàn)樁數(shù)據(jù)作為該組的對(duì)照數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

表4 試驗(yàn)內(nèi)容分組詳情Table 4 Details of test groups

2.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)埋置模型樁前，采用密封膠粘合齒部結(jié)構(gòu)與模型管樁，并自然放置24 h以上。埋置模型樁時(shí)，先引孔，保證模型樁鉛直下放并填埋砂土至砂箱頂面，其間利用細(xì)鐵絲在齒部附近穿插搗實(shí)并少量加水，模擬多齒樁齒部結(jié)構(gòu)旋壓形成時(shí)對(duì)齒部周圍的擠密，埋置好后靜置12 h以上，以較好地模擬地基中的砂土擠密程度。為緩解邊界效應(yīng)的影響，模型樁埋置在試驗(yàn)砂箱的中部，埋樁時(shí)樁中心距砂箱側(cè)壁最短距離為10D(D為模型樁外徑)。試驗(yàn)前測(cè)定試驗(yàn)砂的含水率w，并保持在w=31%的上下波動(dòng)的小誤差范圍內(nèi)。非試驗(yàn)時(shí)間，通過(guò)采取疊加鋪設(shè)保鮮布與彩布的措施減少含水率的變化。

試驗(yàn)采用等重砝碼加載，加載前記錄加載裝置的自重給模型樁帶來(lái)的初始荷載。每一級(jí)加載后待沉降穩(wěn)定，根據(jù)規(guī)范[18]上的時(shí)間間隔記錄位移百分表上的讀數(shù)。達(dá)到試驗(yàn)終止條件后停止加載，開始逐級(jí)卸載，試驗(yàn)結(jié)束后取出模型樁并檢查確認(rèn)模型樁的完整情況。根據(jù)規(guī)范[18]確定出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，視為滿足試驗(yàn)終止條件：①當(dāng)載荷沉降曲線上有可判定極限承載力的陡降段，上拔量達(dá)到上一級(jí)荷載最終上拔量的2倍；②當(dāng)載荷沉降曲線呈緩變形時(shí)，樁頂總上拔量>4 mm；③樁身發(fā)生斷裂。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

由于模型樁拉拔試驗(yàn)沒有樁端阻力，故依據(jù)基樁豎向承載力的經(jīng)驗(yàn)公式(1)，可得基樁側(cè)摩阻力等同于豎向承載力。

Q=Qs+Qp。

(1)

式中：Q為基樁抗拔承載力；Qs為基樁抗拔側(cè)摩阻力；Qp為基樁抗拔樁端阻力，數(shù)值為0。

3.1 荷載-沉降規(guī)律分析

圖3表示1型樁和3型樁的抗拔Q-s曲線。其中，各型樁的Q-s曲線分別有6條，是光面樁與各齒距模型樁的Q-s曲線?？梢钥闯?，加載初期，樁頂抗拔位移變化較小，后期逐步增大。齒距大小與齒樁的抗拉拔性能呈現(xiàn)正相關(guān)。以3型樁為例，當(dāng)模型樁的樁頂位移達(dá)到6 mm時(shí)，光面樁的拉拔荷載為163.9 N，齒距464 mm模型樁的拉拔荷載為201.4 N，拉拔承載力增加22.9%，而且隨著齒距減小到29 mm，模型樁的拉拔荷載為848.5 N，相對(duì)光面樁拉拔承載力增加417.7%。同時(shí)，在光面樁拉拔荷載為155 N時(shí)，光面樁已經(jīng)瀕臨其抗拔極限(以樁頂上拔位移6 mm為標(biāo)準(zhǔn))，而其它齒距的模型樁上拔位移較小，齒樁模型表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗拉拔性能。該現(xiàn)象同樣發(fā)生在1型樁中。

圖3 1型樁和3型樁的抗拔Q-s曲線Fig.3 Q-s curves of tooth model piles

不同齒距模型樁抗拔Q-s曲線見圖4，對(duì)比得出，齒長(zhǎng)大小與齒樁的抗拉拔性能呈現(xiàn)正相關(guān)。其中，齒距為464 mm時(shí)，在樁頂位移為6 mm的條件下，1型樁拉拔荷載為174.9 N，3型樁拉拔荷載為201.4 N，拉拔承載力增加15.2%；齒距為29 mm時(shí)，在樁頂位移為6 mm的條件下，1型樁拉拔荷載為477.4 N，3型樁拉拔荷載為848.5 N，拉拔承載力增加77.7%。可見，3型樁比1型樁具有更大的抗拉拔承載力。

圖4 不同齒距模型樁抗拔Q-s曲線Fig.4 Uplift Q-s curves of model piles with varied tooth pitch

3.2 齒長(zhǎng)及齒層數(shù)對(duì)樁抗拔承載力的影響

根據(jù)上述Q-s曲線，選取各模型樁抗拔承載力(以樁頂上拔位移6 mm作為標(biāo)準(zhǔn))，匯總模型樁的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，承載力與齒長(zhǎng)、齒層數(shù)的關(guān)系見圖5(a)。增加齒部結(jié)構(gòu)后，模型樁的抗拔承載力明顯提高。在圖5中，隨著齒距的減小、齒層數(shù)的增加，線段斜率逐步增大，意味著3型樁的抗拔承載力高于1型樁。在圖5(b)中，對(duì)各齒距的模型樁承載力數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合，1型樁擬合的方差為0.983 42，得式(2)；3型樁的擬合方差為0.941 65，得式(3)。

表5 沉降4 mm的模型樁試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of model piles with a settlement of 4 mm

圖5 承載力與齒長(zhǎng)、齒層數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relations of bearing capacity against tooth length and number of teeth

可見，擬合相關(guān)性都較高，模型樁的抗拔承載力在此階段隨著齒層數(shù)的增加呈線性增大。

y=9.65x+161.44 ，

(2)

y=21.65x+188.72 。

(3)

式中：y為承載力；x為齒層數(shù)。由式(3)預(yù)測(cè)齒層數(shù)為65齒時(shí)，3型樁的抗拔承載力為1 595.97 N(按式(4)預(yù)測(cè)值為1 205.9 N)，其值遠(yuǎn)超于光面樁的抗拔承載力。

3.3 齒長(zhǎng)及齒層數(shù)互相耦合作用影響分析

針對(duì)齒層數(shù)與齒長(zhǎng)與齒樁抗拔承載力作用大小的相關(guān)性，作承載力與齒長(zhǎng)及齒層數(shù)的關(guān)系見圖6。平面擬合方差為0.854 5，擬合效果良好，得式(4),即

z=56.85+75.35x+14.2y。

(4)

式中：z為承載力；x為齒長(zhǎng)；y為齒層數(shù)。由式(4)可知相比于齒層數(shù)，齒長(zhǎng)對(duì)模型樁的抗拔承載力具有較明顯的影響，這對(duì)于工程抗拔樁設(shè)計(jì)而言，當(dāng)選用齒樁樁型時(shí)，可控制一定的齒層數(shù)量，增大齒長(zhǎng)有利于基樁抗拔承載力的有效提高。當(dāng)齒長(zhǎng)固定時(shí)，可得承載力與齒層數(shù)的關(guān)系公式見表6；當(dāng)齒層數(shù)固定時(shí)，可得承載力與齒長(zhǎng)的關(guān)系公式見表7。

圖6 抗拔承載力-齒長(zhǎng)-齒層數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relations among uplift bearing capacity, tooth length, and number of teeth

表6 承載力與齒層數(shù)的關(guān)系公式Table 6 Equations of the relation between number of teeth and bearing capacity

表7 承載力與齒長(zhǎng)的關(guān)系公式Table 7 Equations of the relation between length of teeth and bearing capacity

3.4 力學(xué)性狀分析

結(jié)合表5，根據(jù)文獻(xiàn)[14]知式(5)可以表征齒樁的樁身表面粗糙度η。其中，Q側(cè)為樁側(cè)阻值，Q光為等截面樁側(cè)阻值，0≤η<1。

(5)

作1型樁和3型樁的粗糙度與齒層數(shù)的關(guān)系，見圖7，得隨著齒層數(shù)上升，齒樁的粗糙度逐漸增大，并且同等齒層數(shù)條件下的3型樁粗糙度大于1型樁，說(shuō)明3型抗拔樁的樁土界面強(qiáng)度更大，其齒部結(jié)構(gòu)與樁周土的咬合作用強(qiáng)于1型樁。從工程角度來(lái)講，當(dāng)齒層數(shù)達(dá)到15層左右時(shí)，樁體本身的粗糙度增加幅度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與抗壓齒樁表現(xiàn)出的特征基本一致，此時(shí)的工程經(jīng)濟(jì)性達(dá)到了峰值。在工程運(yùn)用中，若從經(jīng)濟(jì)角度考慮，大約15齒的齒樁(齒間距為66 mm左右)表現(xiàn)出的抗拔性能的性價(jià)比最優(yōu)。

圖7 粗糙度與齒層數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between roughness and number of teeth

在樁長(zhǎng)及樁徑一定的條件下，光面樁的抗拔承載力主要取決于樁側(cè)摩阻力，而齒樁依靠樁身側(cè)摩阻力和齒部結(jié)構(gòu)的阻力來(lái)共同承擔(dān)上部荷載，可以理解為齒樁新增的齒部結(jié)構(gòu)阻力可以更多地分擔(dān)上部拉拔荷載，試驗(yàn)過(guò)程中齒部結(jié)構(gòu)對(duì)抗拔樁的直接貢獻(xiàn)是增加樁-土界面的接觸面積，進(jìn)而提高樁-土界面的強(qiáng)度。區(qū)別于抗壓齒樁[14]，抗拔齒樁使樁周土體豎向有效應(yīng)力減少，其表現(xiàn)出的樁周土體受力性狀也不同，其樁側(cè)摩阻力發(fā)揮機(jī)理存在差異，故數(shù)值也不同。在荷載作用下，模型樁受到拉伸作用產(chǎn)生相對(duì)于土的向上位移，對(duì)應(yīng)的樁側(cè)表面有向下的摩阻力和齒阻力。樁身上拔荷載通過(guò)摩阻力和齒阻力傳遞到樁周土層中，進(jìn)而擴(kuò)散樁身的集中應(yīng)力，致使模型樁的拉伸位移減小。

齒樁受拉與受壓時(shí)，荷載傳遞性能不同構(gòu)成了兩者承載力的差異，即抗拔承載力遠(yuǎn)小于抗壓承載力。即使如此，由于齒樁樁身多處有規(guī)律地設(shè)置了齒部，齒部在上拔荷載作用下，對(duì)其上端土體產(chǎn)生壓應(yīng)力，土阻力明顯增加，同時(shí)，模擬的齒部擠壓時(shí)所產(chǎn)生的擠密效應(yīng)也使土阻力趨于增加，從而使齒樁的抗拔力比其它的等截面樁要大得多。由于齒部阻力的存在，可以“延緩”樁土相對(duì)位移增加的速率，進(jìn)而改良樁的側(cè)阻軟化性，具有較好的抗拉拔性能。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了11組不同變量的齒樁抗拔試驗(yàn)，并進(jìn)行多次試驗(yàn)總結(jié)分析，所得主要的結(jié)論如下：

(1)相比光面樁，齒樁的抗拉拔性能更優(yōu)異。試驗(yàn)結(jié)果表明，在齒層數(shù)為3層的前提下，3齒1型樁的抗拔承載力比光面樁提高了15.2%。

(2)齒距、齒長(zhǎng)與模型樁的抗拉拔承載力都呈現(xiàn)正相關(guān)。其中，在一定的彈性承載階段，模型樁的抗拔承載力隨著齒層數(shù)的增加呈線性增大。

(3)針對(duì)齒長(zhǎng)與齒層數(shù)的耦合作用對(duì)模型樁抗拔承載力的影響，建立三維平面公式并得出，相比于齒層數(shù)，齒長(zhǎng)對(duì)模型樁的抗拔承載力具有較明顯的影響；同樣，相比于齒層數(shù)，齒長(zhǎng)對(duì)模型樁的抗拔側(cè)摩阻力也具有較明顯的影響。

試驗(yàn)將結(jié)合齒部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力作齒樁的抗剪能力等方面的進(jìn)一步深入研究。