抗拔桩在抗浮工程中的研究进展

白晓宇， 秘金卫， 王雪岭， 张广亮， 乔永胜， 许绍帅， 张明义

(1.青岛理工大学土木工程学院， 青岛 266033； 2.中铁建恒诚实业有限公司， 珠海 519030； 3.上海同是科技股份有限公司， 上海 201203； 4.青岛中建联合集团有限公司， 青岛 266100； 5.甘肃铁道综合工程勘察院有限公司， 兰州 730000)

近10年，中国工程建设发展如火如荼。由于城市人口持续增长，人类活动日益频繁，地下空间相比于地上空间有更好的发展前景，21世纪被誉为城市地下空间开发利用的年代。但开发利用地下空间的同时，必须考虑地下水浮力的影响。地下水位的取值在抗浮工程中起到关键性的作用，不同地区的抗浮工程，地下水位的取值方式也有一定的差异[1]。若地下水位取值不当，将导致建筑物因浮力发生破坏而影响使用，甚至造成结构失稳等问题[2-3]。地下抗浮方式主要有以下3种：配重抗浮、锚固抗浮、摩擦抗浮。抗拔桩是利用桩体自重和桩侧摩阻力来提供抗拔(浮)力，与其他抗浮措施相比，具有抗拔力高、对桩周土体扰动小、能够充分发挥原状土的强度、免开挖基坑、施工便捷以及性价比高等特点，在地下抗浮工程中的利用率越来越高[4-7]。黄俊光等[8]对多种抗浮方案的优缺点做了简要对比，结果表明主被动组合抗浮法(抗拔桩+降低水位)与其他抗浮措施相比不仅节约了成本，而且保证了基坑工程的安全度。

随着如今大型工程的基础埋深不断扩展，地下工程抗浮问题日益突出，传统抗浮技术措施如压重法、降排地下水等已不能满足工程所需，而且从环境和成本上难以管控。抗拔桩作为一种抗浮措施，包括等截面抗拔桩、扩底抗拔桩、微型抗拔桩等，能够满足各类复杂工程的抗浮要求。在微风化及中风化花岗岩地层中，抗拔桩施工工艺类似于抗浮锚杆，但其抗拔力大于抗浮锚杆，证明了在某些地层中使用抗拔桩抗浮的优越性[9-11]。在深基坑工程中，由于地层条件的限制，工程施工进度的加快，同时要求提高基坑的稳定性，抗拔桩往往在深基坑开挖之前就预先施工[12-14]。许多新型施工技术的研发大大提高了施工效率，对抗浮工程也有一定的积极影响[15-17]。现将对抗拔桩在抗浮工程中的研究进展进行论述。

1 抗拔桩作用机制

中国众多学者和工程技术人员在近10年对抗拔桩应用在地下工程抗浮中的研究开展了一定的工作，但并没有完全掌握影响抗拔桩承载力的规律，对抗拔桩的研究大多停留在经验上，系统和深入的研究相对较少，还没有趋于完善的理论研究成果。国内外的专家学者主要将目光集中在抗拔桩的应力传递规律、抗拔桩桩顶荷载与受荷后桩体位移间关系(U-s曲线)、破坏形态及其机理等方面，并对此开展了大量的研究工作。

抗拔桩在受到地下水浮力的作用时，依靠桩体的自重及桩与周边土体的摩阻力提供抗拔力。抗拔桩与桩周土共同组成桩-土系统内相互作用共同完成荷载传递过程。随着桩顶荷载的增加，桩体逐渐上移，带动桩周土体上移，进而带动外围土体向上移动，这样桩周土体间就会发生剪切变形。等截面抗拔桩抗拔时，主要以桩侧摩阻力提供抗拔力，而变截面(扩底)抗拔桩的抗拔力大部分由扩大头来提供，在桩侧摩阻力达到极限值时，扩大头还远远未达到极限值。有研究表明[18]，当抗拔桩加载较小时，抗拔桩内力分布和计算可以通过传统计算理论得到，而当加载量达到一定量级时，钢筋和混凝土不再满足变形协调条件，也就不再适用于抗拔桩的内力计算。探究抗拔桩的应力分布特性对研究抗拔桩在抗浮工程中的应用普及有着举足轻重的意义。

不同的地质环境下可选择不同类型的抗拔桩，而随着桩顶荷载的增加，不同类型的抗拔桩的轴力变化也不尽相同。陈杨等[19]对钙质砂中铝管桩桩身轴力的分布规律进行了模型试验研究，试验发现：模型桩桩顶处轴力最大，大小基本与所受的荷载一致，桩身的轴力随深度增加而减小，并且减小的速率在逐渐增大，桩底处的轴力基本为0。杨柏等[20]对砂岩地质下某一工程的扩底抗拔桩进行了现场极限载荷试验，桩身轴力的分布曲线同样满足上述规律，并提出此时桩身轴力由钢筋轴力和混凝土轴力组成，利用钢筋计测得的不同断面下的钢筋应力来计算。桩身相邻两断面的侧摩阻力合力值由两个断面的轴力差所决定。吴江斌等[21]采用双套管技术分离桩身与周边土体，对桩侧注浆抗拔桩和扩底抗拔桩的桩身轴力进行了试验，研究表明，扩底抗拔桩由于扩大头的存在，随着桩顶试桩荷载的增大，扩底抗拔桩距桩端附近的桩身轴力增长幅度较大，而桩侧注浆抗拔桩的桩身轴力增长有限。

虽然抗拔桩在工程界已经被认为是一种可靠的抗浮措施，但是目前国内外尚未有一套成熟的抗拔桩应力传递机制，极大地限制了抗拔桩在岩土工程中的应用。

2 等截面抗拔桩破坏形式

根据已有的研究表明，等截面单桩抗拔破坏形式主要有以下3种[22-26]：沿桩-土接触界面的剪破；与桩长等高倒圆锥台剪破；复合剪切面剪破。如图1所示。

图1(a)所示破坏形式较为常见，其他两种破坏形式只有在特定情况下才会出现。例如，只有在桩周土体为软岩，并且桩体为粗短的灌注桩时，才会发生第二种倒锥体破坏。在硬黏土中的钻孔灌注桩中则较多出现复合剪切面破坏，这是因为钻孔灌注桩的侧面非常粗糙，使得桩土能够很好地黏结在一起，当倒锥体土重不小于该界面桩-土之间的黏着力时，就会形成图1(c)的破裂面。

图1 等截面单桩抗拔破坏形式[22-26]Fig.1 Failure modes of uplift single piles[22-26]

3 抗拔桩承载力的研究

3.1 荷载-位移曲线

在桩基设计和工程实践中，确定抗拔桩的极限承载力是非常重要的，目前，研究人员通过现场试验得到的荷载-位移曲线，根据失效判定准则来确定极限承载力较为常用。杨碧莲等[27]提出了一种顶拉抗拔桩在轴向荷载作用下的荷载-位移曲线拟合方法，并通过两个工程实例的实测数据证明这一方法是合理有效的。杨柏等[28]在西南山区某一场地对两根不同桩长的抗拔桩进行拉拔试验，探究抗拔桩嵌岩段抗拔承载特性，得出的荷载-位移曲线如图2所示(其中TP1试桩桩径0.8 m，嵌入中风化砂岩2.4 m，TP2试桩桩径0.8 m，嵌入中风化砂岩4.1 m)，从图2可明显看出：两根桩的荷载-位移曲线整体上相似，初始加载，桩顶位移随着桩顶荷载增加而缓慢增加，基本呈线性增大，在达到最大荷载之后，桩顶位移急剧增加，可判断桩已破坏。TP2与TP1相比，TP2所能承受的最大荷载约是TP1的1.8倍，而桩顶位移相差并不是特别大。上述研究表明，抗拔桩增加桩长可以明显地增加其抗拔承载力，而对桩顶位移的影响则是有限的。

图2 桩顶上拔荷载与桩顶位移关系曲线[28]Fig.2 Relation curve between pile top pulling load and pile top displacement[28]

扩底抗拔桩通过增加少量的混凝土，对抗拔桩承载力的提高非常明显，被广泛应用于地下抗浮工程[29-30]。为研究扩底抗拔桩的变形能力和受力机理，许多专家学者对此进行了大量现场试验[31-34]。唐黔等[35]对某国家电网项目进行现场扩底抗拔桩实测荷载-位移曲线，并采用不同数学函数进行拟合，发现采用归一化荷载-位移曲线双曲线模型得到的极限承载力安全系数高达95%。姜伟[36]认为当桩长达到一定长度后，桩顶荷载很难传递到扩大头，扩大头的作用很难发挥，所以扩大头不适合应用在超长桩中。吴江斌等[21]开展了有效桩长19 m的桩侧注浆抗拔桩和扩底抗拔桩的极限载荷试验，分析了桩侧注浆抗拔桩及扩底抗拔桩在受到荷载变化时，桩顶位移随荷载水平的变化规律，如图3所示，BSBZ1为扩底抗拔桩，BSBZ2为桩侧注浆抗拔桩，BSBZ1和BSBZ2的桩长和桩径均相同。研究表明，两种抗拔桩的荷载-位移曲线的总体发展趋势比较类似，随着桩顶荷载的增加，在相同桩顶荷载作用下，桩侧注浆抗拔桩桩顶位移大于扩底抗拔桩桩顶位移，说明扩底抗拔桩具有更好的控制变形能力。

图3 两种桩型桩顶的荷载位移曲线[21]Fig.3 Load-displacement curves of two types test piles[21]

抗拔载体桩[37]是一种抗拔承载力比较高的抗拔桩，与扩底抗拔桩的主要区别在于承载力提高的原因不同。扩底抗拔桩承载力大是由于桩侧摩阻力随着桩身直径增大而显著增加和扩大段上部端承力等两个部分。而抗拔载体桩承载力高的原因在于一是在成孔时桩侧土受到挤压，提高了桩侧摩阻力，二是由于载体的锚固作用。

3.2 极限承载力研究

图4 抗拔试验装置示意图[40]Fig.4 Schematic diagram of pull-out test device[40]

研究抗拔桩承载力时效性的发挥，对实际工程具有十分重大的意义[38-39]。张明义等[40]在青岛东部沿海地区，采用慢速荷载法，利用自行设计的抗拔试验装置(图4)对砂土-风化岩地基中钻孔灌注桩进行现场静荷载抗拔试验，研究钻孔灌注桩的承载力随休止期的变化。符合现行《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2018)[41]和《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[42]的有关规定，试验结果表明，抗拔承载力在休止期较短时，远小于设计水平，当休止期超过76 d后，抗拔承载力超过设计承载力约30%。研究结果与黄锋等[43]研究的饱和黏性土地基中钻孔灌注桩的承载力提高30%以上相吻合，由此猜测钻孔灌注桩在两种地基中均具有显著的时效性。同时文献[40]还比较了不同休止期抗拔桩的平均侧摩阻力，发现抗拔桩的侧摩阻力随着休止期延长而增加，且后期增长低于前期。

针对抗拔桩极限承载力的理论研究，还没有一套成熟的设计计算理论，大多停留在经验性的基础上。穆锐等[44]在静力平衡原理的基础上结合数值模拟，假设抗拔桩破坏模型是组合圆锥-复合型破坏模型，考虑了土岩组合地基中嵌岩端岩石风化程度、岩石性质、嵌岩深度等因素对抗拔桩极限承载力的影响，提出了一种土岩组合地层中抗拔桩极限承载力计算方法，该方法考虑了不同桩长、不同土层厚度、不同嵌岩深度对抗拔桩极限承载力的影响。

穆锐模型桩极限承载力计算式为

(1)

抗拔桩的抗拔力依赖于桩侧摩阻力的发挥，扩底抗拔桩往往比等截面抗拔桩更晚达到极限摩阻力。杨柏等[20]依据常林越等[45]的试验研究得出扩头段自重、扩头段侧摩阻力竖向分量与扩头段法向应力竖向分量之和即为扩底抗拔桩扩头段的抗拔力的结论，结合现场试验，建立了扩底抗拔桩基桩受力模式，如图5所示。

图5 扩底桩受力示意[20]Fig.5 The schematic diagram of forces on belled piles[20]

根据力的平衡原理得到了一种扩底抗拔桩极限承载力的计算式为

Pu=PS+PB+WC=∑πDiLifsi+AfB+γCV

(2)

式(2)中：PS为等截面桩身提供的抗拔力；PB为扩大头段提供的抗拔力；WC为扩底抗拔桩的自重；Di为等截面桩身的桩径；Li为第i层岩土层厚度；fsi为等截面某第i岩土层极限侧阻力值；A为扩大头圆锥台侧表面积；fB为锥形圆台桩身竖向极限侧阻力值；γC为桩身重度；V为桩身体积。式中fsi和fB通过Mohr-Coulomb强度理论计算。

张继红等[46]提出了一种抗拔桩桩侧阻力的极限平衡方程，建立该方程的原理是将侧阻力分成两部分，一是摩擦力，二是桩-土黏结强度。以此方程为基础，计算了东海风电场某一抗拔桩的桩侧阻力，与按照上海市《地基基础设计规范》[47]和《港口工程桩基规范》[48]两种规范的计算结果相比更接近于实测值，很大程度上提高了计算精度。周同和等[49]为研究下部扩大段复合桩抗拔承载力，建立了图6的破坏模型假定，认为当扩大段桩径与非扩大段桩径比值较大时，可以忽略非扩大段的摩阻力，基于此建立了单桩抗拔承载力计算公式，并通过现场试验验证了公式的合理性，正是由于扩大段由于上端阻力的存在，增强了扩大段摩阻力的发挥，减弱了非扩大段摩阻力的发挥。

θ为假定锚杆上部滑裂面与竖向的夹角图6 下部扩大段复合桩破坏模型假定[49]Fig.6 Hypothesis of failure model for composite piles with enlarged section at lower part[49]

影响抗拔桩承载能力的因素有很多[50]，国内外学者和工程技术人员从桩桩身材料、桩长、长径比等方面开展了大量的研究。Emirler等[51]通过分析理论计算的结果，得出了桩的长径比、桩身材料和砂土的相对密实度等因素对抗拔桩承载性能的影响规律。在此之前，Kranthikumar等[52]采用相同的方法，得出了锚杆桩的长径比对其抗拔性能的影响规律。Gaaver[53]为探究桩长对抗拔桩承载力的影响，进行了抗拔荷载作用下的模型试验，试验结果证明，随着桩身埋深的增加，抗拔桩的承载力显著增加。陈杨等[19]进行了钙质砂中单桩竖向的抗拔模型试验，试验数据证实了Gaaver模型试验得出的结论，并指出抗拔桩是摩擦桩，随着埋深的增加，增加了桩和土的接触面积，提供了更大的桩侧摩阻力，从而使抗拔桩的承载力显著增加。在实际抗浮工程中，部分抗拔桩不仅受到轴向荷载的作用，水平荷载也不可忽视，两者的合力属于倾斜荷载，徐海龙等[54]对在倾斜荷载作用下的抗拔桩的受力和变形特性进行了总结，指出了存在的问题及未来研究的重点。

4 数值模拟研究进展

岩土体具有变异性、不连续性和多相性，模型的边界条件、参数选用有一定的模糊性。数值模拟以其不可比拟的优势，极大地丰富了岩土工程问题的处理方法。通过数值模拟的手段可以更全面更深入研究抗拔桩的变形性能和承载机制，部分学者依托实际工程进行了数值模拟，得到一些对工程有参考价值的结论[55-58]。陈旭等[59]结合工程实例和现场试验，运用FLAC3D软件对嵌岩抗拔桩的极限承载力进行数值模拟，分析了施加第一级荷载到最后一级荷载的模拟结果。周鹏等[60]运用FLAC3D有限差分软件，对普通抗拔桩和扩底抗拔桩在桩身轴力及桩侧摩阻力的分布差异进行了数值模拟，发现由于两者荷载作用点不同，桩身轴力沿深度分布规律相反，且前者受拉后者受压，这一结果验证了文献[61]得出的结论。杜明芳等[62]针对郑州某一工程，通过分析ABAQUS有限元软件建立的原桩土模型和注浆后的桩土模型，发现桩端桩侧复式后注浆可弥补抗拔桩承载力不足的问题。徐亚萍等[63]为研究自锚试桩荷载-位移曲线向传统试桩荷载-位移曲线的转换，将室内模型试验的结果与数值模拟结果相互验证，得到了两者之间的转换公式。于丹等[64]通过对抗拔桩进行加载模拟发现，得到的荷载传递特性符合现场试验得到的结果。

陈亚东等[65]研究了桩径、桩土截面摩擦角、桩顶加载速度以及土体孔隙率等因素对抗拔桩承载力的影响规律，根据室内模型试验的结果，基于离散单元法构建数值分析模型，经过分析得到如下结论。

(1)抗拔桩承载力随着桩径增大而显著增加，这是由于增加了桩土接触面积，桩侧摩阻力变大。

(2)抗拔桩承载力与桩土摩擦特性呈近线性关系。

(3)存在一个最优桩顶加载速度，使得桩侧摩阻力可充分发挥。

(4)处于松砂中的抗拔桩承载力要小于密砂。

王斌等[66]利用有限元分析软件研究了不同距径比对注浆成型螺纹桩的抗拔性能和变形的影响，图7是在桩顶位移为50 mm时，不同距径比螺纹桩桩周土的塑性应变云图。

图7 桩顶位移为50 mm时土体塑性应变云图[66]Fig.7 Plastic strain nephogram of soil when pile fop (displacement of 50 mm)[66]

通过对以上3个具有代表性的应变云图分析，当距径比为0.5时，桩周土的塑性区主要集中在螺纹附近，没有向四周开展或开展很小；当距径比为1.0时，桩周土的塑性区呈现拱形并向四周扩展，且相邻两个螺纹的塑性区相连通，桩侧摩阻力得以提高，致使螺纹桩的抗拔承载力大幅提高；当距径比为3.0时，桩周土塑性区开展范围更大，但由于相邻螺纹相距较远，塑性区难以连通，而且桩长一定时，螺纹数量相对较少，螺纹附近桩周土塑性变形量减小，单桩抗拔承载力降低。

5 结论

抗拔桩作为一种重要的基础形式，以其经济和技术上的优势、出色的力学性能、适用性广、施工方便、高性价比等优点在中国抗浮工程中日益受到重视，被广泛采用。对抗拔桩在国内外抗浮工程中的应用研究进行了以下总结。

(1)回顾了国内外抗拔桩在抗浮工程中的作用机制、破坏形式等方面的试验进展，并根据当前存在的不足和行业现状提出了相应的改进措施。

(2)归纳分析了抗拔桩的荷载-位移变化特征，以及不同截面形式的抗拔桩在考虑桩身和围岩条件下承载力的计算公式，总结了桩长、桩径、围岩性质、施工工艺等因素对抗拔桩承载力的影响规律。

(3)梳理了抗拔桩在抗浮工程中的数值模拟研究进展，通过数值分析方法结合室内模型试验和现场试验结果，能够对不同地质条件下的抗拔桩的受力特性和位移特征进行精细化分析，推动抗拔桩在抗浮工程乃至整个岩土工程中的产业化应用。

6 研究展望

将抗拔桩应用于地下室抗浮、构筑物抗浮以及海上平台抗浮等工程中，不仅可以充分发挥原状土的强度和变形特征，而且抗拔桩可同时起到抗拔和抗压的作用。在经济和技术上考虑，虽然抗拔桩在增加有限造价的情况下，被认为是一种可靠的抗浮措施，但是中国针对抗拔桩在抗浮工程中的研究起步相对较晚，研究还不够全面，仍然存在如下待完善之处。

(1)对于抗拔桩的研究，没有成熟的设计计算理论，大多都是根据经验或借助抗压桩来计算，应继续完善或修改《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2018)中抗拔桩在抗浮工程中的相关规定。

(2)在实际工程中因现场围岩性质、桩本身的参数及施工要求，桩土相互作用效果也存在差异，所以不同工程的抗拔桩其极限承载力应采用不同的计算方式，应对抗拔桩承载力计算公式进行相应的修订。

(3)目前国内外学者对抗拔桩的研究主要集中在其破坏形态上，尤其是嵌岩桩，还无法系统深入地揭示抗拔桩的荷载传递机理。

(4)对抗拔桩在抗浮工程中服役期的变形研究还远远不够，应考虑抗拔桩在长期地下水的浮力(长期循环荷载)作用下，出现的桩身开裂、钢筋在侵蚀介质作用下发生锈蚀以及桩身力学性能演化特性等问题。

考虑到中国未来对城市地下空间开发利用中结构抗浮的必要性、施工技术的发展以及实际工程中抗浮的具体需求，结合以往发生的抗浮工程事故，对抗拔桩在抗浮工程中的应用提出以下几点思考。

(1)研发异形抗拔桩。例如扩底抗拔桩，相比于等截面抗拔桩，扩底抗拔桩由于扩大头的存在会显著提高抗拔桩的极限承载力，开发出更合理的截面形式，完善补充扩底抗拔桩的设计计算理论。

(2)结合围岩性质调整桩身构造、桩土接触面形式，从而增加桩土接触面积，增大桩侧摩阻力，探究抗拔桩与桩周岩土体的最佳接触状态。

(3)结合最新的数值模拟方法以及渗流理论，按力学参数划分围岩土层，进而计算抗拔桩的极限抗拔承载力，揭示抗拔桩在不同地质条件下的力学性能及荷载传递规律。

(4)结合先进的应力应变测试技术，对服役期的抗拔桩进行跟踪测试，完善抗拔桩的应力演化机制，确保抗拔桩使用过程中的安全性。

(5)创新抗浮工程中的单一抗浮措施，开发新的抗浮技术，如用纤维增强复合材料筋代替钢筋，一方面解决永久性工程中钢筋的锈蚀问题，另一方面纤维增强复合材料属于绿色材料、低碳环保、从而推动绿色发展，实现双碳目标。