陳明偉，陳航杰

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070）

我國是世界上多年凍土分布最多的國家之一，樁基礎在寒區(qū)工程的應用中有其獨特的設計與施工優(yōu)勢。隨著我國西部地區(qū)工程建設的逐漸發(fā)展，同時也暴露出很多問題，樁基凍拔破壞是最為普遍的問題之一。已有研究[1-2]指出凍拔破壞產生的原因是切向凍脹力過大。當前對于凍拔破壞的防治措施以隔離切向凍脹力和使用具有抗拔特性的樁體為主。前者是在樁體和管套間的環(huán)腔中加入潤滑物來減少摩擦以及用處理過的土或非凍脹敏感土進行回填，而后者，目前常用的抗滑樁型是螺旋樁和錐形樁。本研究從樁型這一角度出發(fā)，從實驗、理論、工程應用等方面總結國內外現(xiàn)有研究成果，根據(jù)樁型的特點嘗試提出改進思路，同時還提出目前樁的抗拔實驗的不足之處。

1 樁的抗拔實驗研究

1.1 實驗設備

樁的抗拔實驗是對樁基礎凍脹特性研究的重要且常用的研究途徑。其中實驗設備及配套測試技術是樁型抗拔研究的先決條件?，F(xiàn)場實驗的結果準確，但消耗的資源較多且耗時長。相較于現(xiàn)場實驗，模型實驗的結果雖然有一定的局限性，但可重復性高，可以控制一些次要影響因素而對主要影響因素進行重點研究，因此具有較強的說服力。

螺旋樁是目前在寒區(qū)應用較為普遍的一種樁型，已有大量實驗對其抗拔特性進行研究，以模型實驗為主，由北京交通大學自主研發(fā)的多功能模型實驗箱是目前實驗效果較好且應用較為普遍的模型實驗設備（圖1）。多功能模型實驗箱工作時與冷浴循環(huán)機相連，并在箱體外側覆蓋隔熱材料，使箱體中溫度保持恒定。

圖1 多功能模型實驗箱結構圖

錐形樁具有獨特的結構形式，抗凍拔能力強，能從根本上削減受到的切向凍脹力，該樁基礎在青藏鐵路輸電線等寒區(qū)工程中廣泛應用。室內模型實驗所需常見設備和裝置有模型實驗臺、凍結系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)（常用的有高低溫凍融環(huán)境試驗箱）、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[3]。

1.2 樁型的抗拔特性影響因素

現(xiàn)有研究對于螺旋樁的抗拔穩(wěn)定性主要考慮螺旋樁的形式、樁體參數(shù)、樁與土的相互作用等因素。

對于不同樁型螺旋樁，其抗拔特性和破壞模式有所差異。董天文等[4]考慮螺旋樁的樁體埋深、首層葉片埋置深度、葉片寬距比等因素，進行了16次原型樁抗拔試驗，對單樁的上拔荷載以及位移值進行了測量，得到了3種樁型的U-Z曲線，并得到3點結論：①單樁上拔破壞荷載受首層葉片埋深的影響，由試驗結果可知，單樁上拔荷載在達到最大值之前，隨著首層葉片的埋深增大而增大，達到最大值之后，隨著首層葉片的埋深增大而減?。虎诳拱温菪龢稑O限荷載的端阻比例隨著樁體埋深增加而增大；③葉片寬距比影響單位位移量。王騰飛等[5]對4種螺旋樁以及1種光滑樁進行模型實驗，對比之后得出3點結論：①對于不同樁型的抗拔能力，以模型樁的凍拔位移時程曲線以及平均凍拔率來評估，半螺旋大葉片樁的抗凍拔能力最強；②通過模型實驗，揭示了軸向上拔力在上拔過程中的發(fā)展規(guī)律；③提出在選用螺旋樁來防治凍拔破壞時，可以適度增加葉片數(shù)量，增大葉片寬度，提高螺旋樁抗拔能力。王達麟等[6]對通過現(xiàn)場實驗對61根螺旋樁進行了測量，分析測量數(shù)據(jù)得到螺旋鋼樁的Q-S曲線。發(fā)現(xiàn)當樁間距與樁直徑比值小于3時，單樁抗拔極限承載力隨著葉片間距的增大而增大，當樁間距與樁直徑比值大于4時，單樁抗拔極限承載力隨著葉片間距的增大而減小。葉片埋深對單樁抗拔極限承載力的影響與樁間距的影響類似，當葉片埋深與樁直徑的比值小于4時，單樁抗拔極限承載力隨著葉片埋深的增大而增大；當樁間距與樁直徑比值大于5時，單樁抗拔極限承載力隨著葉片埋深的增大而減小。當樁的樁長與葉片直徑增大，樁的抗拔極限承載力增大。錢建固等[7]通過數(shù)值模擬6種樁（距徑比為0，0.5，1，2，3，4），樁土接觸模型采用Coulomb接觸模型，發(fā)現(xiàn)螺紋樁的抗拔承載力隨著距徑比的增大，呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，距徑比為1時抗拔承載力最大，并對螺旋樁抗拔機理進行分析。

螺旋樁相較于普通樁型，其結構復雜，因此其抗拔特性的影響因素也更多。張永釗[8]對直線型樁、不同螺紋間距的螺紋樁進行了室內模型實驗，對各種樁的實驗數(shù)據(jù)進行了分析和對比，發(fā)現(xiàn)在抗拔承載力方面，螺紋樁大于普通直線型樁，在一定范圍內，螺距小的螺旋樁比螺距大的螺旋樁的抗拔承載力大。

由現(xiàn)有研究可知，螺旋樁由于螺旋葉片的存在，改變了樁-土作用方式，通過與樁周土體的咬合作用，使得樁周土體在上拔過程中發(fā)生很大的塑形變形，樁側摩阻力有很大的提高，從而增大樁體的抗拔承載力。對于螺旋樁自身而言，其抗拔能力與許多因素有關。首先是不同樁型的螺旋樁其抗拔能力相差較大，由目前已有研究可以得出5種樁型中半螺旋大葉片樁抗拔能力最大，其次是半螺旋小葉片樁，再次是雙螺旋樁。上述3種樁型抗拔能力均大于光滑樁，而全螺旋樁的抗拔能力小于光滑樁。螺旋樁的樁體參數(shù)對抗拔特性影響巨大，已往的研究主要考慮了螺旋的形式、樁與土的相互作用，但對螺旋角度、葉片厚度等樁體參數(shù)的研究較少，后續(xù)可從這些方面進一步探索螺旋樁抗拔機理。

目前，對于錐形樁抗拔性能的研究主要是從錐角的大小這一角度出發(fā)，表1匯總了部分研究成果。

表1 錐形樁研究匯總

因為所考慮的樁體較短，樁體基本位于凍層之上，部分學者認為錐形樁基礎的錐角僅有2°～9°即可滿足抗拔要求的觀點，對于基礎埋設在凍層之內的淺基礎而言具有較大的局限性。目前對于錐形樁抗拔的最優(yōu)銳角并未達成統(tǒng)一的觀點。閆曉建[14]通過鋁合金樁體和混凝土樁體的室內模型實驗，分析得出了這2種樁體的抗拔能力與錐角的關系，如圖2所示。隨著錐角的增大，切向凍脹力逐漸減小，當錐角大于7°后，切向凍脹力的減小速率變小。所以當錐角達到7°的時候錐形樁基礎的結構優(yōu)勢能夠充分發(fā)揮出來，基礎可以保持穩(wěn)定。

圖2 鋁合金樁體切向凍脹力與錐角的關系

王力生等在斜面基礎防切向凍脹力的受力分析中，指出經多組錐形樁基礎的多年觀測得到圖3所示的錐角-凍拔量關系曲線。從關系曲線中可以清楚地看到當錐角大于等于9°時，基礎凍拔量最小，樁體抗拔能力最強，基礎最為穩(wěn)定。

圖3 錐角-凍拔量關系曲線

綜合上述研究可知，錐角小于7°時，增大錐角錐形樁抗拔能力提高明顯，錐角大于7°但小于9°時，隨著錐角的增大樁體的抗拔能力依舊增大，但其增長速率明顯減小。后續(xù)可以研究更多角度錐形樁的抗拔能力，以完善錐角與錐形樁抗拔能力之間的關系，為工程施工做出更合理的指導。

2 抗拔機理研究

與普通樁型相比，螺旋樁增加了螺旋結構，使用少量材料讓樁體的抗拔能力大大增強。由現(xiàn)有研究可知，由于葉片的存在，樁體和土體的整體性更強，兩者緊密咬合，凍脹力也因此被克服，樁體具有較強的抗凍拔能力。

隨著對錐形樁抗拔特性的研究越來越多，現(xiàn)有的抗拔理論已摒棄了錐形樁錨固機理，以樁體所受到凍脹力分解為主。目前主要有2種機理。

機理一：把樁體受到的凍脹力分解到水平和豎直方向，將樁在豎直方向受到的合力大小作為標準，來判斷樁體能否保持平衡，受力分析圖如圖4所示。斜面上的切向凍脹力與法向凍脹力分別沿著垂直與水平方向分解，則基礎所受的豎直向上、向下合力為：

圖4 抗拔機理一

式中：P為外荷載；G為樁基自重；τ為切向凍脹力；θ為法向凍脹力；f為未凍區(qū)摩擦阻力；S錐為樁基錐形部分的側表面積；S柱凍為凍土區(qū)樁基等直徑部分的側表面積；S柱未凍為未凍土區(qū)樁基等直徑部分的側表面積。

由式（1）可知，由于錐角的存在，相較于直柱樁、錐形樁的上部表面積較小，故錐形樁向上的合力小于直柱樁的合力。由式（2）可知，錐形樁受到向下的合力較大。因此，錐形樁具有較強的抗拔能力。

機理二：該機理除了考慮凍脹力力外，還考慮了冷縮作用，其受力分解如圖5所示。

圖5 抗拔機理二

隨著凍深向下發(fā)展，每層的凍脹力會發(fā)生變化。當?shù)谝粚觾鼋Y時，土體發(fā)生膨脹，但由于底部第二層的限制，只能向垂直和水平兩個方向膨脹，因此存在水平作用力H1和鉛直作用力V1，如圖6所示。H1沿著錐形樁斜面的方向分解得到切向凍脹力，H1sinθ沿著斜面法向分解得到法向凍脹力H1cosθ，V1同樣沿著兩個方向分解得到切向凍脹力V1cosθ及法向凍脹力V1sinθ。此時，第一層切向凍脹力法向凍脹力如式（3）、（4）所示。切向凍脹力、法向凍脹力分別為：

圖6 第一層土體凍結時錐形樁受力示意圖

V1sinθ與H1cosθ方向相反，兩者會有部分相互抵消。

凍結面發(fā)展到第二層時，樁基向上膨脹受到第一層土體的限制，可以認為基礎向上膨脹產生的作用力均勻地作用在第一層和第二層。因此，第一層的受力會發(fā)生改變。同時當?shù)诙娱_始凍結時，第一層土體溫度降低，第一層產生冷縮，土體的水平凍脹力減小。此時第一層的切向凍脹力如式（5）所示：

式中：τ11為第一層水平凍脹力的分力；τ12為基礎向上膨脹產生的作用力的分力；τ22為第二層凍結時第一層受到的切向凍脹力。

法向凍脹力如式（6）所示：

式中：N11為第一層水平凍脹力的分力；N12為基礎向上膨脹產生的作用力的分力；N22為第二層凍結時第一層受到的法向凍脹力；N2縮為冷縮作用產生的影響。

第三層土體凍結時類似第二層，V3均勻地作用在前三層，第一層再度產生冷縮，土體水平凍脹力再度減小。此時第一層的切向凍脹力和法向凍脹力如式（7）、（8）所示：

式中：τ32為第三層凍結時對第一層受到的切向凍脹力。

式中：N32為第三層凍脹時第一層受到的法向凍脹力，N3縮為冷縮作用產生的影響。

以此類推，當凍深發(fā)展到第n層時，第一層的切向凍脹力為：

法向凍脹力為：

由（9）、（10）兩式分析可知，隨著凍深不斷發(fā)展，法向凍脹力最終會變?yōu)槔瓚?，且拉力會不斷增大，當拉力超過土體與樁體間結構抗拉極限時，土體與錐形樁之間產生裂縫，切向凍脹力消散。

3 抗拔樁型的工程應用

由于光伏發(fā)電項目建設在高原地區(qū)，光伏支架不但要承受自身荷載，而且還要承受風荷載及雪荷載等自然因素產生的額外荷載。傳統(tǒng)直線型樁難以滿足光伏發(fā)電項目要求，而螺旋樁具有抗拔能力強、對環(huán)境破壞較小、施工便捷等特點能夠完全滿足項目要求。因此，螺旋樁在光伏發(fā)電項目中得到廣泛應用。

多年凍土區(qū)基礎的破壞主要是由于凍土具有凍脹和融沉特性。凍土發(fā)生凍脹，使樁基礎受到切向凍脹力產生凍拔破壞。青藏鐵路沿線有大量多年凍土，如果處理不當，會造成運行隱患或者經濟損失。減小切向凍脹力能夠從根本上防治凍拔破壞，是經濟有效的防治措施。錐形樁結構獨特，能夠削減切向凍脹力，因此在青藏輸電線等寒區(qū)工程中廣泛應用。

4 組合樁型在寒區(qū)工程的應用

樁基礎在寒區(qū)使用較為普遍，具有許多的優(yōu)點，但隨著對寒區(qū)開發(fā)程度的加大，也逐漸在施工方面暴露出一些弊端。

胡志義等[15]指出對于錐形樁基礎若要保證9°傾角，如果基礎埋深過大會造成2個方面的問題：

（1）開挖過程中對環(huán)境的擾動增大，同時混凝土用量明顯增加。

（2）立柱底部截面尺寸過大，為確保工程質量，必須在底部增加鋼筋用量，造成施工難度增大的同時也延長了施工周期。

胡志義等提出以組合的形式來改進樁型，主要包括3種形式：

（1）將錐柱與臺階進行組合，此類基礎自重大，除了結構上的抗拔優(yōu)勢外，其自重對凍拔也有防治作用。

（2）將錐柱、臺階、底板進行組合。對于埋深較大的工程，其樁體較長，可以滿足需求；對于凍深較淺的工程，其上部結構可以抵抗凍拔產生的切向凍脹力。其型式結合了多種基礎的設計理念，具有以下優(yōu)點：

①能從根本上有效防治凍拔破壞；②用量少，投資成本低；③基礎底面界面尺寸較小，進行配筋時更容易滿足施工規(guī)范要求；④適用范圍廣。

（3）將直柱、錐柱、臺階進行組合。這種組合基礎適用于緩坡地帶能開挖的多年凍土工程，其形式結合了錐柱和直柱基礎的設計理念，其優(yōu)點為：

①節(jié)省了材料量；②有利于立柱鋼筋的配置和主筋間距的控制。

組合形式樁的思路，可以從施工方面進一步優(yōu)化樁型，對寒區(qū)工程的推進具有一定的意義，后續(xù)研究可以沿著該思路對寒區(qū)樁基進行改進與優(yōu)化。

5 結論

本研究通過對螺旋樁和錐形樁2種抗拔樁型研究成果和現(xiàn)狀的綜合分析，得到以下幾點結論：

（1）對于螺旋樁，其模型實驗用到的設備以多功能模型實驗箱為主，較為完善。錐形樁的模型實驗目前沒有完整的體系設備，需要結合實際做進一步的研制工作。

（2）螺旋樁抗拔特性的影響因素較多，對于不同樁型的螺旋樁其抗拔能力相差較大，由目前已有研究可以得出5種樁型中半螺旋大葉片樁抗拔能力最大，全螺旋樁其抗拔能力最小?，F(xiàn)有的研究對于螺旋的形式、樁與土的相互作用考慮得較為全面，但對螺旋角度、葉片厚度等樁體參數(shù)的研究較少，后續(xù)可從這些方面繼續(xù)研究，進一步探索螺旋樁抗拔機理。對于錐形樁，其抗拔特性的研究大多從錐角這一角度出發(fā)，由目前研究可知，當錐角大于9°時基礎是穩(wěn)定的，后續(xù)研究可以探索更多角度錐形樁的抗拔穩(wěn)定性，以便更好地指導施工。

（3）螺旋樁由于葉片的存在改變了樁土作用方式，從而使螺旋樁具有抗拔能力。錐形樁的抗拔機理主要考慮對凍脹力的分解以及冷縮作用的影響。

（4）隨著寒區(qū)工程建設規(guī)模的日益擴大，螺旋樁和錐形樁等抗拔樁型在施工方面逐漸暴露出如材料用量等一些問題，可采用樁型組合的方式來進一步改進樁型。