倾斜荷载下抗拔桩研究综述

徐海龙，魏松，王智超，陈磊，何家明

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

随着经济高速发展，海上建筑物和高层、超高层的建筑物不断增多，社会对于建筑物的安全性经济性要求不断提高，而桩基础是关乎建筑物安全的重中之重，因此对桩基础的要求也不断提高。桩是桩基础中的重要组成部分，桩底、桩侧接触土体，桩顶连接承台，起到了至关重要的传递与承受荷载的作用。其中又以抗拔桩应用的较为广泛地运用于各种建筑物中，如本身受上部荷载较小并且受较大地下水托浮力的地下车库、较高的塔式建筑物、大型石油平台以及各种斜拉桥和悬索桥等，这些建筑物的基桩中受竖向上拔荷载的较多。

抗拔桩的设计过程中主要考虑其受到竖向荷载，但是，在实际工程中，抗拔桩不仅受到竖向荷载，而且会受到地震荷载、风荷载和水的水平冲击荷载等水平荷载，所以单一考虑竖向荷载或者水平荷载都是不够准确的，应该考虑竖向荷载与水平荷载的组合荷载，即倾斜荷载。基于此，本文将从模型试验、数值模拟两个方面对近些年来国内外关于倾斜荷载下抗拔桩的相关研究进行归纳阐述，从而为日后学者进行此类研究提供一定的参考。

2 倾斜荷载下抗拔桩的模型试验研究

国内外学者进行了多种倾斜荷载下抗拔桩的模型试验研究，国外的学者在这方面起步较早。早于1976年，Das等[1]就对砂中的刚性桩施加与铅锤面呈0。～90。夹角的倾斜荷载，得出了相关结论：当荷载角度小于30。时，抗拔桩会发生突然失稳的情况；当荷载角度大于30。时，只要增加小量荷载，桩顶就会发生较大的位移；并且得出了作用在抗拔桩上倾斜荷载的水平分力和竖向分力的关系式。其后，Ismael等[2]在中密砂中进行了倾斜荷载下模型桩足尺试验，结合数值模拟，得出了倾斜荷载的竖向分力对水平分力影响很小的结论。shin等[3]在饱和粘性土中进行了倾斜受荷抗拔桩极限承载力的模型试验研究，试验结果表明：对竖向受荷的抗拔桩，桩土界面的粘着系数和粘性土的不排水粘着力呈现出双曲线关系，此外还提出了倾斜受荷抗拔桩极限承载力的计算公式。Krishna等[4]进行了干砂中桩顶压力对于倾斜受荷抗拔桩承载力的影响试验，试验表明了抗拔桩在倾斜荷载作用下，其净抗拔承载能力随着桩顶压力所占百分比的增大而减少；并且提出了基于桩顶压力确定桩倾斜抗拔能力的半经验公式，其预测结果与实验结果相吻合。同年，Nihar等[5]进行了群桩在中密干砂中受倾斜荷载作用的室内模型试验，得出了倾斜荷载作用下抗拔群桩的极限承载力与荷载的倾斜角度是连续函数。Ayothiraman等[6]进行了松散砂土中桩在组合荷载下响应的模型试验，实验采用不同长径比的铝模桩，实验表明与独立加载相比，组合荷载下桩头挠度性能及极限横向承载力存在显著变化。

国内在倾斜荷载下抗拔桩的研究相比于国外起步较晚，近几年，赵明华[7]分别在均质地基与双层地基中进行了倾斜荷载作用下模型桩的受力分析，测量、整理得出了桩身挠曲变形与桩内部受力情况，并且提出了可以用于指导工程实践的桩身受力特性，综合大量模型试验的数据，提出了桩基极限荷载计算经验公式。杨学文等[8]进行了抗拔桩室内模型承载对比试验，得出了倾斜荷载下抗拔桩的承载特性，倾斜受荷桩的一侧受压，另一侧受拉。到达极限荷载时，倾斜受荷桩桩周一定深度的土体会发生破坏，破坏区域在地表近似呈现为扇形分布，其范围随着荷载倾角的增大而增大。同时，抗拔桩的极限承载力也随着荷载倾角的增大而增大。根据实验结果，采用最小二乘拟合法得出抗拔桩桩周土的破裂面方程；利用单元平衡法得出抗拔桩极限承载力计算公式，且计算值与实测值吻合度较高；最后利用有限元分析软件ABAQUS模拟倾斜荷载下抗拔桩的承载机理。

3 倾斜荷载下抗拔桩的数值模拟研究

在40余年的研究过程中，倾斜荷载下抗拔桩研究一般以模型试验为主，数值模拟成果相对较少，但是倾斜荷载下抗拔桩的分析方法与轴向荷载下抗拔桩的分析方法相似，并且关于轴向荷载下抗拔桩的研究成果也能在一定程度上指导倾斜受荷抗拔桩的数值模拟研究。为了研究轴向受荷的等直径桩与扩底桩的承载特性，魏建华等[9]对等桩侧后注浆抗拔桩、直径抗拔桩以及扩底抗拔桩的承载特性进行了数值分析，分析结果表明：桩侧后注浆，抗拔桩的荷载-位移曲线在承受比等直径抗拔桩更大的荷载时才会发生突变，而在相同荷载作用下，扩底抗拔桩的荷载-位移曲线没有发生突变，依然可以继续加载。李伟伟、钱建固等[10]通过离心试验和数值模拟的方法对抗拔单桩的承载变形特性进行了研究，综合这两种方法得出：在开始阶段，抗拔力随着上拔位移的增长而线性增长，随上拔位移进一步增大，抗拔力开始非线性增长，到达分界点时，上拔位移迅速增大，抗拔承载力达到极限。Madhav[11]将桩侧极限抗拔摩阻力的折减考虑在内，采用边界元法对抗拔群桩之间的相互作用，运用叠加法考虑群桩中某个单桩受其他桩的影响，在合理考虑群桩间相互作用的前提下，总结得出抗拔群桩效率系数的理论计算方法。罗宁[12]利用有限元软件模拟桩土共同作用，探究桩长、桩径在以及桩身弹性模量对承载机理的影响，得出如下结论：桩长、桩径一定范围内对承载变形性状有显著的影响，而桩身弹性模量对承载和变形性状影响不大。并且利用双曲线荷载传递法模拟计算抗拔桩的荷载，与实际值较为贴合，说明了双曲线荷载传递法能够较为准确地反映抗拔桩的荷载传递过程。

在轴向受荷抗拔桩数值模拟研究成果的基础上，Karthigeyan等[13]进行竖向荷载对桩侧响应影响的数值模拟研究，研究表明了竖向荷载对桩侧向响应的影响是显著增加沙质土壤的承载能力，并使粘性土的承载能力略有下降；同时桩的水平荷载设计弯矩也取决于桩的竖向荷载的大小。Martin[14]利用数值模拟软件，模拟了非粘性土中的抗拔桩和抗压桩在同时承受水平力与竖向力情况下的抗拔与抗压性状。结果表明因为竖向荷载产生的桩侧摩阻力和水平荷载产生的被动土压力会同时发生移动，所以竖向荷载会与水平荷载产生复杂的相互影响。由于桩侧摩阻力在被动土压力移动中的负面效应，从而会导致竖向和横向系统刚度减小，换而言之就是桩侧摩阻力会随着被动土压力的移动而增大；另一方面，如果水平荷载小于竖向荷载，桩身上由水平荷载产生的正应力就会导致竖向极限承载力的提高。付玉芬等[15]通过室内模型试验，分析了倾斜受荷扩底桩的荷载-位移曲线，采用有限元分析软件FLAC3D对扩底桩进行了数值分析，在数值分析所得结果的基础上，研究了倾斜受荷扩底桩的工作状况，并将其与等截面桩进行了对比。研究结果表明：扩底桩的竖向位移与水平位移随着倾斜载荷的增大而增大；在倾斜荷载作用下扩底桩身水平位移第一零点下降，桩身竖向位移出现了分布不均匀的情况，同时，桩身应力分布情况较为复杂。

4 结语

本文重点从模型试验研究与数值模拟研究两个方面对倾斜荷载下抗拔桩的研究进行了综述，目前对于倾斜荷载下抗拔桩的研究已有一定成果，尤其在倾斜荷载对于抗拔桩承载力以及抗拔桩位移的影响方面，诸多学者的研究成果丰富了抗拔桩的研究体系。但是目前为止的研究多停留在对等直径抗拔桩的研究，对于变直径抗拔桩的研究方面还尚未完善，且在倾斜受荷抗拔桩的数值模拟方面的研究也很缺乏，需要加强这方面的研究。