扩径桩抗拔承载特性模型试验研究

郑言东，郑荣跃，刘干斌，齐昌广

(宁波大学 岩土工程研究所,宁波315211)

高耸建(构)筑物的抗风、港口边坡稳定的治理[1]、海上平台的锚固抗拔、悬索桥的锚桩基础以及工程中静载试桩的锚桩等常常采用抗拔桩。灌注桩在码头岸坡变形加固中有广泛应用[2]，而扩径(底)抗拔桩较纯摩擦型的等径桩而言，能发挥出扩大头的抗拔阻力，提高桩基抗拔承载力，具有良好的经济和社会效益，应用前景广泛。扩径(底)桩是一种变截面桩，受荷后桩底扩大头附近的荷载传递机理较为复杂，亟需通过设计合理的试验测得荷载传递规律。

已有学者[3-6]根据现场试验研究扩底桩得到一些规律和理论方法，但这些原位试验大多基于软土地质情况，也有学者[7]研究粉土中扩底桩受上拔作用时的承载规律，而对砂土中的扩径(底)桩抗拔试验研究较为少见。

还有学者[8-9]通过数值模拟的方法来对扩底桩的承载特性进行研究，并与实测数据进行对比分析。但数值模拟是在人为给定的理想条件下进行分析，与实际情况仍有一定差距。

而室内模型试验具有试验条件可控、测量数据较为精确可靠以及可以重复多次试验的优点[10]，对扩径桩承载特性规律的认识和研究能得到相对准确可靠的结论，是研究扩径桩荷载传递规律的重要手段。本文对砂土中的模型等径桩、扩底桩和扩径加扩底桩(以下简称扩径桩)进行抗拔静载试验，通过量测桩顶位移和桩身不同断面处应变，研究桩的承载性状和桩身荷载传递规律。

1 试验概况

1.1 模型箱及加载方案的设计

室内模型箱尺寸：长×宽×高分别为2.0 m×2.0 m ×1.3 m，模型箱采用工字钢、厚钢板以螺栓、焊接的方式组合而成，除上表面其余5个面焊接成一体。箱体四周沿高度方向均布3道加劲梁以圈梁形式箍住整个箱体，使之成为一个牢固的整体(图1～图2)。

图1 抗拔试验装置 图2 抗拔静载试验 Fig.1 Experimental equipment Fig.2 Static load test

抗拔桩的上拔力提供方式有多种[11]，常规拔桩过程中由于反力装置下压土体，提高了土的刚度，常常造成抗拔承载力的高估，而理想条件下的上拔试验是只在桩顶施加上拉荷载，更符合实际工况下桩基的服役环境。故本文根据理想条件下的加载方式，抗拔桩采用杠杠形式进行加载：模型箱周围设立4根工字钢立柱，两立柱之间固定一根工字钢横梁，并在钢梁顶部设置杠杠及支点，桩头处打孔横穿螺栓并用螺帽固定，杠杠一端采用钢绳和钢钩牢固连接到螺栓上，另一端采用砝码分级加载提供上拔力。

通过已有的土性参数用有限元数值模拟估算出等径桩、扩底桩和扩径桩达到40 mm位移时的桩顶荷载分别为2 000 N、 3 000 N和4 000 N，具体加载试验过程参考《建筑基桩检测技术规范JGJ 106-2014》。加载采用杠杠形式进行分级加载，每次施加预估极限承载力的1/10～1/15，第一级加载量可取分级荷载的2倍。每级荷载维持时间不小于1 h，且当本级荷载作用下，桩顶沉降速率达到相对稳定时，再施加下一级荷载。出现下列情况之一则终止加载：(1)桩顶位移在某级荷载下急剧增加且没有收敛的趋势；(2)桩顶总上拔量超过40 mm。

1.2 模型桩及数据量测方案的设计

图3 模型桩测点布设及桩体参数图 图4 模型桩实际图 Fig.3 Distribution of measuring points Fig.4 Model piles and parameters of piles

为了准确地测出模型桩桩身轴力(应变)，试验选取受力后弹性变形较大的空心薄壁铝管作为桩身的主要材料，桩长1 m，外直径80 mm，壁厚2 mm。扩大头(桩底封闭)采用不锈钢焊接成圆台形，并用螺栓和环氧树脂将扩大头与桩身牢固连接。扩底处直径为120 mm，圆台高度为120 mm。桩身参数如图3所示。

为了分析桩身在上拔荷载作用下的变形特性，得到分级加载过程中桩身各处轴力及桩侧摩阻力分布规律，在沿桩身长度方向对称布置两组应变片(图4)。采用502强力胶将应变片粘贴到桩身预定位置，涂抹702胶水防水，再用AB胶覆盖固定保护。导线沿着铝管外壁沿直线向桩顶布置，并用702胶和环氧树脂将导线和管壁胶结固定。应变数据采用DH3816N静态应变测试系统连接电子计算机采集，具有良好的精度及自动化程度，为保障数据的可靠性提供支持。

为了量测桩顶位移随着荷载增大的变化规律，绘制Q-s曲线，采用2个量程为50 mm，精度为 0.01 mm的百分表竖直对称布置在桩顶处量测桩顶的竖向上拔量，桩顶处用AB胶沿直径方向在桩身对称粘结2个L型的钢板，百分表的触头顶在与土面平行的钢板上，并将表身通过磁性支座固定。

1.3 模型试验填筑用土

模型试验用土采用宁波某地的砂土，对土样进行筛分试验后得到土样的粒径级配曲线如图5所示，计算得到不均匀系数Cu=d60/d10=1.32/0.14=9.43>5且Cc=d302/(d60×d10)=0.592/(1.32×0.14)=1.88=1～3，分类为级配良好。模型箱中砂土分层填筑，每层虚铺250 mm厚度，用砝码压实至150 mm，直到填土总高为1 200 mm。取填筑完毕后的土样经过室内土工试验得到土性的基本参数：湿重度19.3 kN/m3，含水率为17.8%，内摩擦角为28.1°。

图5 模型用土粒径级配曲线Fig.5 Soil particle size gradation curve

模型桩采用预埋形式，桩身入土950 mm，首先根据加载作用点位置，在埋置模型桩之前先定出模型桩底面外圆的位置，并在模型箱顶面布置若干组相互平行的细绳，采用重锤悬挂法来控制模型桩的垂直度，保证模型桩的准确竖直定位。

2 试验结果与分析

2.1 各试验桩荷载-位移曲线分析

图6为三桩的桩顶上拔荷载-桩顶位移曲线。等径桩、扩底桩和扩径桩的Q-s曲线在荷载较小时均呈现出近似线性变化，随着上拔荷载的增大，3条曲线的斜率开始变大，且等径桩的斜率变化最为剧烈，当上桩顶上拔量超过15 mm后，3条曲线近似呈直线下落，且等径桩的斜率最大，等径桩最后一级加载时位移出现急剧增加以致于无法测量，桩体短时间内被拔出土体，破坏显示出突变性，故等径抗拔桩设计时要留有足够的安全储备。各级荷载作用下桩顶上拔位移增量也不断增大。结合三桩Q-s曲线的变化特征及桩侧摩阻力发挥所需要的位移情况，根据文献[12]中砂性土发挥极限侧阻的位移为8～15 mm，取桩顶上拔量为15 mm时对应的荷载为各桩的极限承载力，而等径桩和扩底桩重量分别为15 N、30 N和45 N，则等径桩和扩底桩的抗拔极限承载力分别为1 389 N、1 965 N和2 710 N，扩底桩较等径桩提高1.41倍，扩径桩较等径桩提高1.95倍，说明扩大头对桩抗拔承载能力具有很大贡献。当桩顶荷载不太大时，3种桩型的桩顶位移均较小且相差不明显，说明加载初期三桩桩侧摩阻力发挥程度相当，扩大头阻力在土相对位移较小时发挥较少。而随着加载量的不断增大，在相同荷载作用时，扩底桩和扩径桩的上拔量明显小于等径桩，如桩顶荷载为1 440 N时，等径桩上拔量为15.09 mm，而扩底桩只有其37.8%，为5.71 mm，扩径桩仅为2.76 mm，说明扩大头具有能够大幅减少桩顶位移的作用。所以扩底桩既可以用于对抗拔承载力要求较高的基础，也可用于对上拔位移要求较为严格的抗拔基础。

图6 模型桩的Q-s曲线Fig.6 Q-s curves of model piles

2.2 各试验桩的桩身轴力分析

三桩在试验结束后挖出观察为发现桩身无明显破坏迹象，桩顶螺栓连接处桩壁亦无屈服痕迹，说明桩身材料选取较为合理，三抗拔桩系土体破坏，而实际工程中的超长抗拔灌注桩可能会由于桩身混凝土屈服拉裂出现破坏。由于桩底轴力无法量测，而等径抗拔桩在各级荷载作用时桩端处轴力变化较小且趋向于0，表现为纯摩擦桩，符合等径抗拔桩荷载由桩侧阻完全承担的原理，假定等径桩桩端轴力始终为0，故取三桩最靠近桩底的相同位置处的桩身轴力作为桩端荷载进行分析。图7为三桩桩身不同深度处的轴力分布，由图可以看出：3根抗拔桩在上拔荷载作用下桩身轴力沿深度方向递减。对于等径桩和扩底桩而言，在荷载较小时，轴力沿桩身深度方向衰减较为均匀，随着荷载的增加，曲线斜率开始逐渐增大，且桩身下部曲线斜率变化比上部更大。相邻两级荷载的轴力增量沿着深度方向递减，说明抗拔桩桩侧摩阻力沿着桩身自上而下逐步发挥，上部桩侧摩阻力较小且率先到达极限值，荷载增量逐步下移由下部土体承担。桩身各处轴力随着荷载增大而增大。而扩径桩轴力在中部扩径处出现“台阶型”突变，说明扩径对桩身轴力分布有重要影响。扩径处等截面段的由于桩侧摩阻力作用，轴力沿着桩身深度方向递减，而轴力经过扩径段后急剧减小，主要是因为扩径段的荷载是通过扩径阻力向下传递，而扩径阻力远大于桩侧摩阻力，所以扩径处的轴力出现迅速衰减的现象。中部扩径处的扩径阻力逐渐开始承受很大比例的桩顶荷载，整个加载过程中扩径阻力承担的荷载占桩顶荷载30%以上，扩径段成为承受上拔荷载的主要途径之一。

由于扩大头的存在，扩底桩端部轴力相较于等径桩有较大差异。扩底桩端部处曲线斜率随着荷载增加逐渐增大，到加载后期，端部轴力几乎无衰减地传递，说明此时桩侧摩阻力发挥很小。扩底桩的桩端阻力在加载初期就有所体现，说明扩大头处上覆土体填筑时较为密实，有利于扩大头端阻的发挥[13]。

7-a 等径桩 7-b 扩底桩 7-c 扩径加扩底桩图7 桩身轴力沿桩身深度分布曲线Fig.7 Axial force distribution curves along piles

2.3 扩底桩桩端阻力分析

图8 扩底桩桩端阻力变化曲线Fig.8 Variation curve of pile tip resistance of expanded-base pile

图8为扩底桩桩端阻力随荷载增加的变化曲线，由图可以看出：桩端阻力随着荷载的增加而逐渐发挥，加载前期和中期桩端阻力随荷载增加呈线性增长，加载中期的增长速率略大，当桩顶荷载为2 160 N时，桩端阻力增幅明显加大，说明桩侧摩阻力达到极限侧阻，此时荷载增量几乎全由桩底扩大头承担。当达到极限荷载时，桩端阻力占总荷载的31.9%，此时桩顶位移为15 mm，而达到最大加载量时，桩端阻力占总荷载的45.9%，对应桩顶位移为42.21 mm，显示出扩大头在上拔位移量较大时更能充分发挥出其抗拔承载潜能，即呈现出所谓的“有后劲”现象。

扩底抗拔桩端阻其实由两个部分组成：一方面是扩大头斜面与土体之间的摩擦作用，另一方面是扩大头挤压其上覆土体而产生的“嵌固力”[6]，这种嵌固力使桩端既能带动更大范围的土体产生剪切变形，又能增大斜面的摩擦作用，在一定位移范围内，产生更大的抗拔阻力。

图9 桩侧摩阻力沿桩身深度分布曲线Fig.9 Lateral friction distribution curves along piles

2.4 各试验桩桩侧摩阻力分析

桩侧摩阻力采用桩身相邻位置的轴力差除以对应的侧表面积得到平均侧摩阻力，其中中部扩径处的扩径阻力也处理成侧摩阻力的形式。图9-a、9-b和9-c分别为等径桩、扩底桩和扩径桩在各级荷载作用下桩侧摩阻力沿桩身深度方向的分布图，由图可以看出：等径桩桩身各处的侧摩阻力随着荷载增大而增大，桩侧摩阻力沿桩身深度方向逐渐增大，在桩身中下部达到极大值，在桩端处开始回落。桩身上部的侧摩阻力先于中下部达到极限值，而且在试验最后三级加载时，桩上部侧摩阻力出现减小的现象，主要原因是桩土之间产生较大滑移破坏，侧摩阻力发挥程度变小。桩端处的桩侧摩阻力较其上部侧阻出现降低的现象。主要原因如下：在上拔荷载作用下，桩周土体有上移趋势，桩端向上位移出现空穴区，使原本桩端附近压实的土体出现应力松弛。空穴区随着上拔位移增大而增大，桩端土体水平应力明显下降，故侧阻发挥程度低于桩端上部桩身，表现为桩端处桩侧阻较其上部桩身出现减小的现象。

图10 扩底桩土体表面裂缝Fig.10 Soil surface cracks in expanded-base pile uplift test

荷载较小时，扩底桩桩侧阻力曲线形态和发展规律与等径桩相类似，上部土层桩侧摩阻力发挥较小且较早达到极限值，并在加载后期由于桩周土体出现破裂面(图10)导致侧阻降低。中下部桩侧阻发挥程度较大并随着荷载增大而增加。端部侧阻的增幅明显小于桩身其他部分，且在加载后期出现大幅度降低的趋势。由于扩大头上抬使斜面上覆土体受到挤压，此处桩土位移相对于桩身其他部位而言较小，故其桩侧阻小于端部上部桩身。随着上拔位移的增大，扩大头上端受挤压的土体压缩性不断降低，再加载后桩土相对位移增量较小，表现为端部侧阻的增幅较小。当上拔位移足够大时，受挤压的土体发生剪切破坏，桩土之间出现空隙，表现为桩端侧阻出现大幅降低。

加载前期和中期，扩径桩的桩身各处的桩侧摩阻力随着荷载增加而增大，但扩径处上下附近的侧阻表现较为复杂：与扩底桩端部侧阻表现和原因类似，扩径处上段侧阻发挥程度较小；由于桩体受上拔力的上抬，扩径处下端1倍桩径范围内桩土出现较大空隙，水平应力发生松弛，导致桩侧阻力也发挥不充分。加载后期，由于桩土相对位移过大，桩土之间出现滑移破坏，侧阻均有所降低，荷载增量由扩大头来承担，表现为扩径段侧阻不断增大。扩径处最大侧阻是等径桩相同位置最大侧阻的2.8倍，说明扩径阻力发挥的抗拔作用比桩侧摩阻力大的多，扩大头对于桩基抗拔承载能力的提高效果显著。

3 结论

通过对砂土中的等径桩、扩底桩和扩底加扩径桩进行室内模型抗拔静载试验，分析桩顶上拔荷载-桩顶位移曲线、桩身轴力及桩侧摩阻力分布规律，可以得到以下结论：

(1) 相同上拔荷载作用下，扩底桩的上拔位移小于等径桩。在极限荷载作用下，扩底桩极限承载力是等径桩的1.41倍，扩径桩是等径桩的1.95倍，说明扩大头对桩基抗拔承载能力有极大的提高作用。扩大头充分发挥其端阻能力时需要较大的上拔位移。

(2) 扩底桩由于能利用扩大头上覆更大范围的土体产生抗拔阻力，故比等径桩有更大的抗拔承载潜能。扩底桩端阻力占总荷载比例最大时为45.9%，充分体现出扩大头优越的抗拔承载性能。

(3) 在桩顶上拔荷载作用下，三桩桩身轴力均沿着深度方向呈现递减趋势，桩身各部分轴力随着荷载的增大而增大，扩径桩轴力在扩径处出现突变减少，扩底桩下侧桩身轴力的增幅大于等径桩。

(4) 扩底桩与等径桩的桩侧摩阻力在桩身上部和中部发挥情况相近，而在桩端附近(扩大头上端附近)，两桩均表现出侧阻的减小现象，但二者原因有较大差异：等径桩是由于桩端上抬产生空穴区使桩端附近土体应力水平降低，从而导致侧阻减小；而扩底桩是由于扩大头上覆土体受压缩而无法发挥出较大的桩土位移，从而变现为侧阻发挥程度较低。由于扩大头的存在，扩径桩桩侧摩阻力在扩径段上下附近处无法充分发挥，但桩基抗拔承载能力仍是三桩中最优。

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