樁型對凍土樁基凍脹特性的影響研究*

陳明偉，陳航杰

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)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(chǔ)在寒區(qū)工程的應(yīng)用中有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)與施工優(yōu)勢。隨著我國西部地區(qū)工程建設(shè)的逐漸發(fā)展，同時(shí)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(chǎn)生的原因是切向凍脹力過大。當(dāng)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(jìn)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(shí)驗(yàn)、理論、工程應(yīng)用等方面總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果，根據(jù)樁型的特點(diǎn)嘗試提出改進(jìn)思路，同時(shí)還提出目前樁的抗拔實(shí)驗(yàn)的不足之處。

1 樁的抗拔實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

樁的抗拔實(shí)驗(yàn)是對樁基礎(chǔ)凍脹特性研究的重要且常用的研究途徑。其中實(shí)驗(yàn)設(shè)備及配套測試技術(shù)是樁型抗拔研究的先決條件?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的結(jié)果準(zhǔn)確，但消耗的資源較多且耗時(shí)長。相較于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果雖然有一定的局限性，但可重復(fù)性高，可以控制一些次要影響因素而對主要影響因素進(jìn)行重點(diǎn)研究，因此具有較強(qiáng)的說服力。

螺旋樁是目前在寒區(qū)應(yīng)用較為普遍的一種樁型，已有大量實(shí)驗(yàn)對其抗拔特性進(jìn)行研究，以模型實(shí)驗(yàn)為主，由北京交通大學(xué)自主研發(fā)的多功能模型實(shí)驗(yàn)箱是目前實(shí)驗(yàn)效果較好且應(yīng)用較為普遍的模型實(shí)驗(yàn)設(shè)備（圖1）。多功能模型實(shí)驗(yàn)箱工作時(shí)與冷浴循環(huán)機(jī)相連，并在箱體外側(cè)覆蓋隔熱材料，使箱體中溫度保持恒定。

圖1 多功能模型實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)圖

錐形樁具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，抗凍拔能力強(qiáng)，能從根本上削減受到的切向凍脹力，該樁基礎(chǔ)在青藏鐵路輸電線等寒區(qū)工程中廣泛應(yīng)用。室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)所需常見設(shè)備和裝置有模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)、凍結(jié)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(yàn)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(jìn)行了16次原型樁抗拔試驗(yàn)，對單樁的上拔荷載以及位移值進(jìn)行了測量，得到了3種樁型的U-Z曲線，并得到3點(diǎn)結(jié)論：①單樁上拔破壞荷載受首層葉片埋深的影響，由試驗(yàn)結(jié)果可知，單樁上拔荷載在達(dá)到最大值之前，隨著首層葉片的埋深增大而增大，達(dá)到最大值之后，隨著首層葉片的埋深增大而減??；②抗拔螺旋樁極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(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，對比之后得出3點(diǎn)結(jié)論：①對于不同樁型的抗拔能力，以模型樁的凍拔位移時(shí)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(qiáng)；②通過模型實(shí)驗(yàn)，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(shí)，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(dá)麟等[6]對通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對61根螺旋樁進(jìn)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(dāng)樁間距與樁直徑比值小于3時(shí)，單樁抗拔極限承載力隨著葉片間距的增大而增大，當(dāng)樁間距與樁直徑比值大于4時(shí)，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(dāng)葉片埋深與樁直徑的比值小于4時(shí)，單樁抗拔極限承載力隨著葉片埋深的增大而增大；當(dāng)樁間距與樁直徑比值大于5時(shí)，單樁抗拔極限承載力隨著葉片埋深的增大而減小。當(dāng)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(shí)抗拔承載力最大，并對螺旋樁抗拔機(jī)理進(jìn)行分析。

螺旋樁相較于普通樁型，其結(jié)構(gòu)復(fù)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(jìn)行了室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，對各種樁的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)，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(cè)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(guān)。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(jìn)一步探索螺旋樁抗拔機(jī)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?yàn)樗紤]的樁體較短，樁體基本位于凍層之上，部分學(xué)者認(rèn)為錐形樁基礎(chǔ)的錐角僅有2°～9°即可滿足抗拔要求的觀點(diǎn)，對于基礎(chǔ)埋設(shè)在凍層之內(nèi)的淺基礎(chǔ)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(dá)成統(tǒng)一的觀點(diǎn)。閆曉建[14]通過鋁合金樁體和混凝土樁體的室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，分析得出了這2種樁體的抗拔能力與錐角的關(guān)系，如圖2所示。隨著錐角的增大，切向凍脹力逐漸減小，當(dāng)錐角大于7°后，切向凍脹力的減小速率變小。所以當(dāng)錐角達(dá)到7°的時(shí)候錐形樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢能夠充分發(fā)揮出來，基礎(chǔ)可以保持穩(wěn)定。

圖2 鋁合金樁體切向凍脹力與錐角的關(guān)系

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

圖3 錐角-凍拔量關(guān)系曲線

綜合上述研究可知，錐角小于7°時(shí)，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(shí)，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(guān)系，為工程施工做出更合理的指導(dǎo)。

2 抗拔機(jī)理研究

與普通樁型相比，螺旋樁增加了螺旋結(jié)構(gòu)，使用少量材料讓樁體的抗拔能力大大增強(qiáng)。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(qiáng)，兩者緊密咬合，凍脹力也因此被克服，樁體具有較強(qiáng)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(jī)理，以樁體所受到凍脹力分解為主。目前主要有2種機(jī)理。

機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，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(chǔ)所受的豎直向上、向下合力為：

圖4 抗拔機(jī)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(cè)表面積；S柱凍為凍土區(qū)樁基等直徑部分的側(cè)表面積；S柱未凍為未凍土區(qū)樁基等直徑部分的側(cè)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(qiáng)的抗拔能力。

機(jī)理二：該機(jī)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(jī)理二

隨著凍深向下發(fā)展，每層的凍脹力會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)?shù)谝粚觾鼋Y(jié)時(shí)，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(gè)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(gè)方向分解得到切向凍脹力V1cosθ及法向凍脹力V1sinθ。此時(shí)，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(jié)時(shí)錐形樁受力示意圖

V1sinθ與H1cosθ方向相反，兩者會(huì)有部分相互抵消。

凍結(jié)面發(fā)展到第二層時(shí)，樁基向上膨脹受到第一層土體的限制，可以認(rèn)為基礎(chǔ)向上膨脹產(chǎn)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(huì)發(fā)生改變。同時(shí)當(dāng)?shù)诙娱_始凍結(jié)時(shí)，第一層土體溫度降低，第一層產(chǎn)生冷縮，土體的水平凍脹力減小。此時(shí)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(chǔ)向上膨脹產(chǎn)生的作用力的分力；τ22為第二層凍結(jié)時(shí)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(chǔ)向上膨脹產(chǎn)生的作用力的分力；N22為第二層凍結(jié)時(shí)第一層受到的法向凍脹力；N2縮為冷縮作用產(chǎn)生的影響。

第三層土體凍結(jié)時(shí)類似第二層，V3均勻地作用在前三層，第一層再度產(chǎn)生冷縮，土體水平凍脹力再度減小。此時(shí)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(jié)時(shí)對第一層受到的切向凍脹力。

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

以此類推，當(dāng)凍深發(fā)展到第n層時(shí)，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(huì)變?yōu)槔瓚?yīng)力，且拉力會(huì)不斷增大，當(dāng)拉力超過土體與樁體間結(jié)構(gòu)抗拉極限時(shí)，土體與錐形樁之間產(chǎn)生裂縫，切向凍脹力消散。

3 抗拔樁型的工程應(yīng)用

由于光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)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(fēng)荷載及雪荷載等自然因素產(chǎn)生的額外荷載。傳統(tǒng)直線型樁難以滿足光伏發(fā)電項(xiàng)目要求，而螺旋樁具有抗拔能力強(qiáng)、對環(huán)境破壞較小、施工便捷等特點(diǎn)能夠完全滿足項(xiàng)目要求。因此，螺旋樁在光伏發(fā)電項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。

多年凍土區(qū)基礎(chǔ)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(chǔ)受到切向凍脹力產(chǎn)生凍拔破壞。青藏鐵路沿線有大量多年凍土，如果處理不當(dāng)，會(huì)造成運(yùn)行隱患或者經(jīng)濟(jì)損失。減小切向凍脹力能夠從根本上防治凍拔破壞，是經(jīng)濟(jì)有效的防治措施。錐形樁結(jié)構(gòu)獨(dú)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(yīng)用。

4 組合樁型在寒區(qū)工程的應(yīng)用

樁基礎(chǔ)在寒區(qū)使用較為普遍，具有許多的優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)若要保證9°傾角，如果基礎(chǔ)埋深過大會(huì)造成2個(gè)方面的問題：

（1）開挖過程中對環(huán)境的擾動(dòng)增大，同時(shí)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(zhì)量，必須在底部增加鋼筋用量，造成施工難度增大的同時(shí)也延長了施工周期。

胡志義等提出以組合的形式來改進(jìn)樁型，主要包括3種形式：

（1）將錐柱與臺(tái)階進(jìn)行組合，此類基礎(chǔ)自重大，除了結(jié)構(gòu)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(tái)階、底板進(jìn)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(jié)構(gòu)可以抵抗凍拔產(chǎn)生的切向凍脹力。其型式結(jié)合了多種基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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(chǔ)底面界面尺寸較小，進(jìn)行配筋時(shí)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(tái)階進(jìn)行組合。這種組合基礎(chǔ)適用于緩坡地帶能開挖的多年凍土工程，其形式結(jié)合了錐柱和直柱基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念，其優(yōu)點(diǎn)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(jìn)一步優(yōu)化樁型，對寒區(qū)工程的推進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

5 結(jié)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(diǎn)結(jié)論：

（1）對于螺旋樁，其模型實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備以多功能模型實(shí)驗(yàn)箱為主，較為完善。錐形樁的模型實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皼]有完整的體系設(shè)備，需要結(jié)合實(shí)際做進(jìn)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(jìn)一步探索螺旋樁抗拔機(jī)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(dāng)錐角大于9°時(shí)基礎(chǔ)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(dǎo)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(jī)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(shè)規(guī)模的日益擴(kuò)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(jìn)一步改進(jìn)樁型。