符羽佳，杜 鹏，张仰福，李光范，曹志远，刘显阳

(1.中国电建集团海南电力设计研究院有限公司，海口 571100； 2.海口经济学院 雅和人居工程学院，海口 571127； 3.长沙理工大学 土木工程学院，长沙 410114； 4.海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228)

1 研究背景

桩基抗拔水平是制约建(构)筑工程向更高、更深、更广方向安全发展的关键组成部分，抗拔桩区分于抗压桩，没有端阻，其承载水平完全由侧摩阻力决定[1]。传统的管桩已不能满足大型工程的需求，由此推动了异型桩的研究发展[2-6]。鉴于异型桩的现场原位试验耗资大、环境因素影响大、重复性低等不足，而模型试验具有成本低、可重复性高等优点，部分学者以室内模型试验来研究非等截面桩的承载作用机理。邵光辉等[7]针对托底抗拔桩的承载特性进行了模型试验研究。钱建固等[8]、王斌等[9]通过模型试验对比等截面圆桩及注浆螺纹抗拔桩，分析研究后者的作用机理。陈仁朋等[10]通过采用大比例尺模型研究扩底桩在饱和及非饱和粉土中的极限上拔承载力问题。雍君等[11]利用自行研发的试验装置对X形混凝土桩的抗拔特性开展模型试验研究。陈新[12]针对支桩的抗压、抗拔等承载性能开展了一系列模型试验研究。

齿桩是利用牙齿咬合加固的仿生学原理，在传统管桩的侧表面增加素混凝土的凸起结构，根据工程需要的不同，其形状可以是螺纹状、水平环状(本文针对的形状)、水平零星状等。齿桩可利用专业可控液压技术通过旋压方式进行灌注施工[13]，一方面可解决由大量沉渣或桩侧泥皮引起承载力折减的问题，另一方面可减少甚至避免泥浆污染等环境问题。齿桩齿部结构设置灵活、施工环保便捷，适用条件较广，是对桩基础的一次技术创新，可丰富小改截面桩领域的研究。

目前针对齿桩的相关研究极少，符羽佳等[14]设计模型试验对齿桩的竖向抗压承载性状进行了研究，鲜有针对齿桩抗拔承载力的研究。基于此，本文采用模型试验方式，灵活设置不同变量，开展齿桩抗拔试验研究，以期为开展齿桩更深入的理论研究与工程实践提供借鉴。

2 试验内容

2.1 试验装置

试验装置由试验箱、加载装置和测量装置3部分组成，如图1所示。试验箱的尺寸为2 000 mm(长) × 2 000 mm(宽) × 1 500 mm(高)，试验箱骨架用角钢焊接而成，试验箱的顶部设置可移动反力架，在此试验中其可用于放置位移百分表。测量装置包括荷载和位移测量系统两部分，荷载由每个标重的砝码组成，位移测量系统由2个百分表组成，用于测量桩顶上拔位移。加载装置主要由吊环装置、吊钩、拉线、滑轮、砝码盘组成。其中拉线具有一定刚度且无弹性，保证荷载作用精确传到模型桩；吊环装置与模型桩是螺纹安接的，不易脱落；螺栓扣将吊钩与拉线连成一体，保证不脱落；水平板与吊环装置通过密封胶粘合，用于水平放置2个百分表。

图1 试验装置Fig.1 Diagram of the test device

2.2 试验材料

模型桩采用外径32 mm、壁厚2 mm的铝合金管制作而成，模型桩内径28 mm，桩长1 000 mm，试验埋置深度960 mm，齿部结构(钢材)与桩身通过密封胶粘合，粘贴区域距桩顶55 mm、距桩端15 mm，粘合24 h以上确认牢固后投入试验。齿桩桩体的结构尺寸见图2，针对齿桩的特点，给出各大变截面桩的直肋径比，见表1。模型桩的变量组合情况见表2，其中齿部结构的齿距成倍减小，下文中出现的65齿是在齿层数为33的情况下预测的。模型桩的基本参数见表3。试验前，在桩端嵌入并粘合直径约28 mm、厚2 mm的圆柱木块，以此避免试验砂进入桩端而影响模型桩真实受力的模拟。

图2 桩体示意图Fig.2 Schematic of pile

表1 直肋径比Table 1 Ratio of straight rib to diameter

表2 模型桩变量组合参数Table 2 Parameter combinations of model pile variables

表3 模型桩及试验用砂的基本参数Table 3 Basic parameters of model piles and test sand

选取海南南渡江的河砂并作大颗粒处理来作为试验土，主要考虑到其属于天然散粒，能较大程度地确保试验条件的稳定性，从而较好地反映模型桩受力特点，其物理参数见表3。

2.3 试验方案

本次试验主要通过控制齿长及齿距进行拉拔试验，试验分组见表4。共设置11组试验，每组试验至少操作3次，选取位于3组次试验值的中间试验桩数据作为该组的对照数据进行对比分析。

表4 试验内容分组详情Table 4 Details of test groups

2.4 试验步骤

试验埋置模型桩前，采用密封胶粘合齿部结构与模型管桩，并自然放置24 h以上。埋置模型桩时，先引孔，保证模型桩铅直下放并填埋砂土至砂箱顶面，其间利用细铁丝在齿部附近穿插捣实并少量加水，模拟多齿桩齿部结构旋压形成时对齿部周围的挤密，埋置好后静置12 h以上，以较好地模拟地基中的砂土挤密程度。为缓解边界效应的影响，模型桩埋置在试验砂箱的中部，埋桩时桩中心距砂箱侧壁最短距离为10D(D为模型桩外径)。试验前测定试验砂的含水率w，并保持在w=31%的上下波动的小误差范围内。非试验时间，通过采取叠加铺设保鲜布与彩布的措施减少含水率的变化。

试验采用等重砝码加载，加载前记录加载装置的自重给模型桩带来的初始荷载。每一级加载后待沉降稳定，根据规范[18]上的时间间隔记录位移百分表上的读数。达到试验终止条件后停止加载，开始逐级卸载，试验结束后取出模型桩并检查确认模型桩的完整情况。根据规范[18]确定出现下列情况之一时，视为满足试验终止条件：①当载荷沉降曲线上有可判定极限承载力的陡降段，上拔量达到上一级荷载最终上拔量的2倍；②当载荷沉降曲线呈缓变形时，桩顶总上拔量>4 mm；③桩身发生断裂。

3 试验结果及其分析

由于模型桩拉拔试验没有桩端阻力，故依据基桩竖向承载力的经验公式(1)，可得基桩侧摩阻力等同于竖向承载力。

Q=Qs+Qp。

(1)

式中：Q为基桩抗拔承载力；Qs为基桩抗拔侧摩阻力；Qp为基桩抗拔桩端阻力，数值为0。

3.1 荷载-沉降规律分析

图3表示1型桩和3型桩的抗拔Q-s曲线。其中，各型桩的Q-s曲线分别有6条，是光面桩与各齿距模型桩的Q-s曲线。可以看出，加载初期，桩顶抗拔位移变化较小，后期逐步增大。齿距大小与齿桩的抗拉拔性能呈现正相关。以3型桩为例，当模型桩的桩顶位移达到6 mm时，光面桩的拉拔荷载为163.9 N，齿距464 mm模型桩的拉拔荷载为201.4 N，拉拔承载力增加22.9%，而且随着齿距减小到29 mm，模型桩的拉拔荷载为848.5 N，相对光面桩拉拔承载力增加417.7%。同时，在光面桩拉拔荷载为155 N时，光面桩已经濒临其抗拔极限(以桩顶上拔位移6 mm为标准)，而其它齿距的模型桩上拔位移较小，齿桩模型表现出更优异的抗拉拔性能。该现象同样发生在1型桩中。

图3 1型桩和3型桩的抗拔Q-s曲线Fig.3 Q-s curves of tooth model piles

不同齿距模型桩抗拔Q-s曲线见图4，对比得出，齿长大小与齿桩的抗拉拔性能呈现正相关。其中，齿距为464 mm时，在桩顶位移为6 mm的条件下，1型桩拉拔荷载为174.9 N，3型桩拉拔荷载为201.4 N，拉拔承载力增加15.2%；齿距为29 mm时，在桩顶位移为6 mm的条件下，1型桩拉拔荷载为477.4 N，3型桩拉拔荷载为848.5 N，拉拔承载力增加77.7%。可见，3型桩比1型桩具有更大的抗拉拔承载力。

图4 不同齿距模型桩抗拔Q-s曲线Fig.4 Uplift Q-s curves of model piles with varied tooth pitch

3.2 齿长及齿层数对桩抗拔承载力的影响

根据上述Q-s曲线，选取各模型桩抗拔承载力(以桩顶上拔位移6 mm作为标准)，汇总模型桩的试验结果如表5所示，承载力与齿长、齿层数的关系见图5(a)。增加齿部结构后，模型桩的抗拔承载力明显提高。在图5中，随着齿距的减小、齿层数的增加，线段斜率逐步增大，意味着3型桩的抗拔承载力高于1型桩。在图5(b)中，对各齿距的模型桩承载力数据点拟合，1型桩拟合的方差为0.983 42，得式(2)；3型桩的拟合方差为0.941 65，得式(3)。

表5 沉降4 mm的模型桩试验结果Table 5 Test results of model piles with a settlement of 4 mm

图5 承载力与齿长、齿层数的关系Fig.5 Relations of bearing capacity against tooth length and number of teeth

可见，拟合相关性都较高，模型桩的抗拔承载力在此阶段随着齿层数的增加呈线性增大。

y=9.65x+161.44 ，

(2)

y=21.65x+188.72 。

(3)

式中：y为承载力；x为齿层数。由式(3)预测齿层数为65齿时，3型桩的抗拔承载力为1 595.97 N(按式(4)预测值为1 205.9 N)，其值远超于光面桩的抗拔承载力。

3.3 齿长及齿层数互相耦合作用影响分析

针对齿层数与齿长与齿桩抗拔承载力作用大小的相关性，作承载力与齿长及齿层数的关系见图6。平面拟合方差为0.854 5，拟合效果良好，得式(4),即

z=56.85+75.35x+14.2y。

(4)

式中：z为承载力；x为齿长；y为齿层数。由式(4)可知相比于齿层数，齿长对模型桩的抗拔承载力具有较明显的影响，这对于工程抗拔桩设计而言，当选用齿桩桩型时，可控制一定的齿层数量，增大齿长有利于基桩抗拔承载力的有效提高。当齿长固定时，可得承载力与齿层数的关系公式见表6；当齿层数固定时，可得承载力与齿长的关系公式见表7。

图6 抗拔承载力-齿长-齿层数的关系Fig.6 Relations among uplift bearing capacity, tooth length, and number of teeth

表6 承载力与齿层数的关系公式Table 6 Equations of the relation between number of teeth and bearing capacity

表7 承载力与齿长的关系公式Table 7 Equations of the relation between length of teeth and bearing capacity

3.4 力学性状分析

结合表5，根据文献[14]知式(5)可以表征齿桩的桩身表面粗糙度η。其中，Q侧为桩侧阻值，Q光为等截面桩侧阻值，0≤η<1。

(5)

作1型桩和3型桩的粗糙度与齿层数的关系，见图7，得随着齿层数上升，齿桩的粗糙度逐渐增大，并且同等齿层数条件下的3型桩粗糙度大于1型桩，说明3型抗拔桩的桩土界面强度更大，其齿部结构与桩周土的咬合作用强于1型桩。从工程角度来讲，当齿层数达到15层左右时，桩体本身的粗糙度增加幅度呈现下降趋势，这与抗压齿桩表现出的特征基本一致，此时的工程经济性达到了峰值。在工程运用中，若从经济角度考虑，大约15齿的齿桩(齿间距为66 mm左右)表现出的抗拔性能的性价比最优。

图7 粗糙度与齿层数的关系Fig.7 Relationship between roughness and number of teeth

在桩长及桩径一定的条件下，光面桩的抗拔承载力主要取决于桩侧摩阻力，而齿桩依靠桩身侧摩阻力和齿部结构的阻力来共同承担上部荷载，可以理解为齿桩新增的齿部结构阻力可以更多地分担上部拉拔荷载，试验过程中齿部结构对抗拔桩的直接贡献是增加桩-土界面的接触面积，进而提高桩-土界面的强度。区别于抗压齿桩[14]，抗拔齿桩使桩周土体竖向有效应力减少，其表现出的桩周土体受力性状也不同，其桩侧摩阻力发挥机理存在差异，故数值也不同。在荷载作用下，模型桩受到拉伸作用产生相对于土的向上位移，对应的桩侧表面有向下的摩阻力和齿阻力。桩身上拔荷载通过摩阻力和齿阻力传递到桩周土层中，进而扩散桩身的集中应力，致使模型桩的拉伸位移减小。

齿桩受拉与受压时，荷载传递性能不同构成了两者承载力的差异，即抗拔承载力远小于抗压承载力。即使如此，由于齿桩桩身多处有规律地设置了齿部，齿部在上拔荷载作用下，对其上端土体产生压应力，土阻力明显增加，同时，模拟的齿部挤压时所产生的挤密效应也使土阻力趋于增加，从而使齿桩的抗拔力比其它的等截面桩要大得多。由于齿部阻力的存在，可以“延缓”桩土相对位移增加的速率，进而改良桩的侧阻软化性，具有较好的抗拉拔性能。

4 结 论

设计了11组不同变量的齿桩抗拔试验，并进行多次试验总结分析，所得主要的结论如下：

(1)相比光面桩，齿桩的抗拉拔性能更优异。试验结果表明，在齿层数为3层的前提下，3齿1型桩的抗拔承载力比光面桩提高了15.2%。

(2)齿距、齿长与模型桩的抗拉拔承载力都呈现正相关。其中，在一定的弹性承载阶段，模型桩的抗拔承载力随着齿层数的增加呈线性增大。

(3)针对齿长与齿层数的耦合作用对模型桩抗拔承载力的影响，建立三维平面公式并得出，相比于齿层数，齿长对模型桩的抗拔承载力具有较明显的影响；同样，相比于齿层数，齿长对模型桩的抗拔侧摩阻力也具有较明显的影响。

试验将结合齿部结构的应力作齿桩的抗剪能力等方面的进一步深入研究。