桩型对冻土桩基冻胀特性的影响研究*

陈明伟，陈航杰

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070）

我国是世界上多年冻土分布最多的国家之一，桩基础在寒区工程的应用中有其独特的设计与施工优势。随着我国西部地区工程建设的逐渐发展，同时也暴露出很多问题，桩基冻拔破坏是最为普遍的问题之一。已有研究[1-2]指出冻拔破坏产生的原因是切向冻胀力过大。当前对于冻拔破坏的防治措施以隔离切向冻胀力和使用具有抗拔特性的桩体为主。前者是在桩体和管套间的环腔中加入润滑物来减少摩擦以及用处理过的土或非冻胀敏感土进行回填，而后者，目前常用的抗滑桩型是螺旋桩和锥形桩。本研究从桩型这一角度出发，从实验、理论、工程应用等方面总结国内外现有研究成果，根据桩型的特点尝试提出改进思路，同时还提出目前桩的抗拔实验的不足之处。

1 桩的抗拔实验研究

1.1 实验设备

桩的抗拔实验是对桩基础冻胀特性研究的重要且常用的研究途径。其中实验设备及配套测试技术是桩型抗拔研究的先决条件。现场实验的结果准确，但消耗的资源较多且耗时长。相较于现场实验，模型实验的结果虽然有一定的局限性，但可重复性高，可以控制一些次要影响因素而对主要影响因素进行重点研究，因此具有较强的说服力。

螺旋桩是目前在寒区应用较为普遍的一种桩型，已有大量实验对其抗拔特性进行研究，以模型实验为主，由北京交通大学自主研发的多功能模型实验箱是目前实验效果较好且应用较为普遍的模型实验设备（图1）。多功能模型实验箱工作时与冷浴循环机相连，并在箱体外侧覆盖隔热材料，使箱体中温度保持恒定。

图1 多功能模型实验箱结构图

锥形桩具有独特的结构形式，抗冻拔能力强，能从根本上削减受到的切向冻胀力，该桩基础在青藏铁路输电线等寒区工程中广泛应用。室内模型实验所需常见设备和装置有模型实验台、冻结系统、加载系统、温度控制系统（常用的有高低温冻融环境试验箱）、数据采集与处理系统[3]。

1.2 桩型的抗拔特性影响因素

现有研究对于螺旋桩的抗拔稳定性主要考虑螺旋桩的形式、桩体参数、桩与土的相互作用等因素。

对于不同桩型螺旋桩，其抗拔特性和破坏模式有所差异。董天文等[4]考虑螺旋桩的桩体埋深、首层叶片埋置深度、叶片宽距比等因素，进行了16次原型桩抗拔试验，对单桩的上拔荷载以及位移值进行了测量，得到了3种桩型的U-Z曲线，并得到3点结论：①单桩上拔破坏荷载受首层叶片埋深的影响，由试验结果可知，单桩上拔荷载在达到最大值之前，随着首层叶片的埋深增大而增大，达到最大值之后，随着首层叶片的埋深增大而减小；②抗拔螺旋桩极限荷载的端阻比例随着桩体埋深增加而增大；③叶片宽距比影响单位位移量。王腾飞等[5]对4种螺旋桩以及1种光滑桩进行模型实验，对比之后得出3点结论：①对于不同桩型的抗拔能力，以模型桩的冻拔位移时程曲线以及平均冻拔率来评估，半螺旋大叶片桩的抗冻拔能力最强；②通过模型实验，揭示了轴向上拔力在上拔过程中的发展规律；③提出在选用螺旋桩来防治冻拔破坏时，可以适度增加叶片数量，增大叶片宽度，提高螺旋桩抗拔能力。王达麟等[6]对通过现场实验对61根螺旋桩进行了测量，分析测量数据得到螺旋钢桩的Q-S曲线。发现当桩间距与桩直径比值小于3时，单桩抗拔极限承载力随着叶片间距的增大而增大，当桩间距与桩直径比值大于4时，单桩抗拔极限承载力随着叶片间距的增大而减小。叶片埋深对单桩抗拔极限承载力的影响与桩间距的影响类似，当叶片埋深与桩直径的比值小于4时，单桩抗拔极限承载力随着叶片埋深的增大而增大；当桩间距与桩直径比值大于5时，单桩抗拔极限承载力随着叶片埋深的增大而减小。当桩的桩长与叶片直径增大，桩的抗拔极限承载力增大。钱建固等[7]通过数值模拟6种桩（距径比为0，0.5，1，2，3，4），桩土接触模型采用Coulomb接触模型，发现螺纹桩的抗拔承载力随着距径比的增大，呈现出先增后减的趋势，距径比为1时抗拔承载力最大，并对螺旋桩抗拔机理进行分析。

螺旋桩相较于普通桩型，其结构复杂，因此其抗拔特性的影响因素也更多。张永钊[8]对直线型桩、不同螺纹间距的螺纹桩进行了室内模型实验，对各种桩的实验数据进行了分析和对比，发现在抗拔承载力方面，螺纹桩大于普通直线型桩，在一定范围内，螺距小的螺旋桩比螺距大的螺旋桩的抗拔承载力大。

由现有研究可知，螺旋桩由于螺旋叶片的存在，改变了桩-土作用方式，通过与桩周土体的咬合作用，使得桩周土体在上拔过程中发生很大的塑形变形，桩侧摩阻力有很大的提高，从而增大桩体的抗拔承载力。对于螺旋桩自身而言，其抗拔能力与许多因素有关。首先是不同桩型的螺旋桩其抗拔能力相差较大，由目前已有研究可以得出5种桩型中半螺旋大叶片桩抗拔能力最大，其次是半螺旋小叶片桩，再次是双螺旋桩。上述3种桩型抗拔能力均大于光滑桩，而全螺旋桩的抗拔能力小于光滑桩。螺旋桩的桩体参数对抗拔特性影响巨大，已往的研究主要考虑了螺旋的形式、桩与土的相互作用，但对螺旋角度、叶片厚度等桩体参数的研究较少，后续可从这些方面进一步探索螺旋桩抗拔机理。

目前，对于锥形桩抗拔性能的研究主要是从锥角的大小这一角度出发，表1汇总了部分研究成果。

表1 锥形桩研究汇总

因为所考虑的桩体较短，桩体基本位于冻层之上，部分学者认为锥形桩基础的锥角仅有2°～9°即可满足抗拔要求的观点，对于基础埋设在冻层之内的浅基础而言具有较大的局限性。目前对于锥形桩抗拔的最优锐角并未达成统一的观点。闫晓建[14]通过铝合金桩体和混凝土桩体的室内模型实验，分析得出了这2种桩体的抗拔能力与锥角的关系，如图2所示。随着锥角的增大，切向冻胀力逐渐减小，当锥角大于7°后，切向冻胀力的减小速率变小。所以当锥角达到7°的时候锥形桩基础的结构优势能够充分发挥出来，基础可以保持稳定。

图2 铝合金桩体切向冻胀力与锥角的关系

王力生等在斜面基础防切向冻胀力的受力分析中，指出经多组锥形桩基础的多年观测得到图3所示的锥角-冻拔量关系曲线。从关系曲线中可以清楚地看到当锥角大于等于9°时，基础冻拔量最小，桩体抗拔能力最强，基础最为稳定。

图3 锥角-冻拔量关系曲线

综合上述研究可知，锥角小于7°时，增大锥角锥形桩抗拔能力提高明显，锥角大于7°但小于9°时，随着锥角的增大桩体的抗拔能力依旧增大，但其增长速率明显减小。后续可以研究更多角度锥形桩的抗拔能力，以完善锥角与锥形桩抗拔能力之间的关系，为工程施工做出更合理的指导。

2 抗拔机理研究

与普通桩型相比，螺旋桩增加了螺旋结构，使用少量材料让桩体的抗拔能力大大增强。由现有研究可知，由于叶片的存在，桩体和土体的整体性更强，两者紧密咬合，冻胀力也因此被克服，桩体具有较强的抗冻拔能力。

随着对锥形桩抗拔特性的研究越来越多，现有的抗拔理论已摒弃了锥形桩锚固机理，以桩体所受到冻胀力分解为主。目前主要有2种机理。

机理一：把桩体受到的冻胀力分解到水平和竖直方向，将桩在竖直方向受到的合力大小作为标准，来判断桩体能否保持平衡，受力分析图如图4所示。斜面上的切向冻胀力与法向冻胀力分别沿着垂直与水平方向分解，则基础所受的竖直向上、向下合力为：

图4 抗拔机理一

式中：P为外荷载；G为桩基自重；τ为切向冻胀力；θ为法向冻胀力；f为未冻区摩擦阻力；S锥为桩基锥形部分的侧表面积；S柱冻为冻土区桩基等直径部分的侧表面积；S柱未冻为未冻土区桩基等直径部分的侧表面积。

由式（1）可知，由于锥角的存在，相较于直柱桩、锥形桩的上部表面积较小，故锥形桩向上的合力小于直柱桩的合力。由式（2）可知，锥形桩受到向下的合力较大。因此，锥形桩具有较强的抗拔能力。

机理二：该机理除了考虑冻胀力力外，还考虑了冷缩作用，其受力分解如图5所示。

图5 抗拔机理二

随着冻深向下发展，每层的冻胀力会发生变化。当第一层冻结时，土体发生膨胀，但由于底部第二层的限制，只能向垂直和水平两个方向膨胀，因此存在水平作用力H1和铅直作用力V1，如图6所示。H1沿着锥形桩斜面的方向分解得到切向冻胀力，H1sinθ沿着斜面法向分解得到法向冻胀力H1cosθ，V1同样沿着两个方向分解得到切向冻胀力V1cosθ及法向冻胀力V1sinθ。此时，第一层切向冻胀力法向冻胀力如式（3）、（4）所示。切向冻胀力、法向冻胀力分别为：

图6 第一层土体冻结时锥形桩受力示意图

V1sinθ与H1cosθ方向相反，两者会有部分相互抵消。

冻结面发展到第二层时，桩基向上膨胀受到第一层土体的限制，可以认为基础向上膨胀产生的作用力均匀地作用在第一层和第二层。因此，第一层的受力会发生改变。同时当第二层开始冻结时，第一层土体温度降低，第一层产生冷缩，土体的水平冻胀力减小。此时第一层的切向冻胀力如式（5）所示：

式中：τ11为第一层水平冻胀力的分力；τ12为基础向上膨胀产生的作用力的分力；τ22为第二层冻结时第一层受到的切向冻胀力。

法向冻胀力如式（6）所示：

式中：N11为第一层水平冻胀力的分力；N12为基础向上膨胀产生的作用力的分力；N22为第二层冻结时第一层受到的法向冻胀力；N2缩为冷缩作用产生的影响。

第三层土体冻结时类似第二层，V3均匀地作用在前三层，第一层再度产生冷缩，土体水平冻胀力再度减小。此时第一层的切向冻胀力和法向冻胀力如式（7）、（8）所示：

式中：τ32为第三层冻结时对第一层受到的切向冻胀力。

式中：N32为第三层冻胀时第一层受到的法向冻胀力，N3缩为冷缩作用产生的影响。

以此类推，当冻深发展到第n层时，第一层的切向冻胀力为：

法向冻胀力为：

由（9）、（10）两式分析可知，随着冻深不断发展，法向冻胀力最终会变为拉应力，且拉力会不断增大，当拉力超过土体与桩体间结构抗拉极限时，土体与锥形桩之间产生裂缝，切向冻胀力消散。

3 抗拔桩型的工程应用

由于光伏发电项目建设在高原地区，光伏支架不但要承受自身荷载，而且还要承受风荷载及雪荷载等自然因素产生的额外荷载。传统直线型桩难以满足光伏发电项目要求，而螺旋桩具有抗拔能力强、对环境破坏较小、施工便捷等特点能够完全满足项目要求。因此，螺旋桩在光伏发电项目中得到广泛应用。

多年冻土区基础的破坏主要是由于冻土具有冻胀和融沉特性。冻土发生冻胀，使桩基础受到切向冻胀力产生冻拔破坏。青藏铁路沿线有大量多年冻土，如果处理不当，会造成运行隐患或者经济损失。减小切向冻胀力能够从根本上防治冻拔破坏，是经济有效的防治措施。锥形桩结构独特，能够削减切向冻胀力，因此在青藏输电线等寒区工程中广泛应用。

4 组合桩型在寒区工程的应用

桩基础在寒区使用较为普遍，具有许多的优点，但随着对寒区开发程度的加大，也逐渐在施工方面暴露出一些弊端。

胡志义等[15]指出对于锥形桩基础若要保证9°倾角，如果基础埋深过大会造成2个方面的问题：

（1）开挖过程中对环境的扰动增大，同时混凝土用量明显增加。

（2）立柱底部截面尺寸过大，为确保工程质量，必须在底部增加钢筋用量，造成施工难度增大的同时也延长了施工周期。

胡志义等提出以组合的形式来改进桩型，主要包括3种形式：

（1）将锥柱与台阶进行组合，此类基础自重大，除了结构上的抗拔优势外，其自重对冻拔也有防治作用。

（2）将锥柱、台阶、底板进行组合。对于埋深较大的工程，其桩体较长，可以满足需求；对于冻深较浅的工程，其上部结构可以抵抗冻拔产生的切向冻胀力。其型式结合了多种基础的设计理念，具有以下优点：

①能从根本上有效防治冻拔破坏；②用量少，投资成本低；③基础底面界面尺寸较小，进行配筋时更容易满足施工规范要求；④适用范围广。

（3）将直柱、锥柱、台阶进行组合。这种组合基础适用于缓坡地带能开挖的多年冻土工程，其形式结合了锥柱和直柱基础的设计理念，其优点为：

①节省了材料量；②有利于立柱钢筋的配置和主筋间距的控制。

组合形式桩的思路，可以从施工方面进一步优化桩型，对寒区工程的推进具有一定的意义，后续研究可以沿着该思路对寒区桩基进行改进与优化。

5 结论

本研究通过对螺旋桩和锥形桩2种抗拔桩型研究成果和现状的综合分析，得到以下几点结论：

（1）对于螺旋桩，其模型实验用到的设备以多功能模型实验箱为主，较为完善。锥形桩的模型实验目前没有完整的体系设备，需要结合实际做进一步的研制工作。

（2）螺旋桩抗拔特性的影响因素较多，对于不同桩型的螺旋桩其抗拔能力相差较大，由目前已有研究可以得出5种桩型中半螺旋大叶片桩抗拔能力最大，全螺旋桩其抗拔能力最小。现有的研究对于螺旋的形式、桩与土的相互作用考虑得较为全面，但对螺旋角度、叶片厚度等桩体参数的研究较少，后续可从这些方面继续研究，进一步探索螺旋桩抗拔机理。对于锥形桩，其抗拔特性的研究大多从锥角这一角度出发，由目前研究可知，当锥角大于9°时基础是稳定的，后续研究可以探索更多角度锥形桩的抗拔稳定性，以便更好地指导施工。

（3）螺旋桩由于叶片的存在改变了桩土作用方式，从而使螺旋桩具有抗拔能力。锥形桩的抗拔机理主要考虑对冻胀力的分解以及冷缩作用的影响。

（4）随着寒区工程建设规模的日益扩大，螺旋桩和锥形桩等抗拔桩型在施工方面逐渐暴露出如材料用量等一些问题，可采用桩型组合的方式来进一步改进桩型。