負(fù)摩阻力作用下樁基中性點位置、下拽力及下拽位移與時間的關(guān)系

孔綱強(qiáng)，周楊，彭懷風(fēng)

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負(fù)摩阻力作用下樁基中性點位置、下拽力及下拽位移與時間的關(guān)系

孔綱強(qiáng)1, 2，周楊1, 2，彭懷風(fēng)1, 2

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京，210098；2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京，210098)

介紹樁基負(fù)摩阻力產(chǎn)生及發(fā)展過程；針對中性點位置、下拽力及下拽位移與時間之間的關(guān)系，提出關(guān)系擬合預(yù)測曲線模型，并與現(xiàn)場工程實測結(jié)果進(jìn)行對比分析，探討曲線模型參數(shù)的物理意義。研究結(jié)果表明：提出的曲線模型計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合良好，從而驗證該模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為進(jìn)一步研究樁基負(fù)摩阻力特性及其設(shè)計和計算提供參考依據(jù)。

樁基；負(fù)摩阻力；中性點位置；下拽力；下拽位移；時間效應(yīng)

樁基負(fù)摩阻力問題及負(fù)摩阻力作用引起的樁基下拽力、下拽位移問題，近幾十年來一直被廣大工程技術(shù)人員所關(guān)注與重視[1?2]。相關(guān)研究人員對地面堆載或樁周土體固結(jié)引起沉降，從而導(dǎo)致樁基下拽力和下拽位移的問題開展了現(xiàn)場試驗研究，部分研究人員實測了下拽力、下拽位移或中性點位置與時間的關(guān)系，研究結(jié)果表明，隨著土體固結(jié)時間的增加，樁身下拽力最大值、樁頂下拽位移以及中性點位置等均隨著時間而變化[3?6]。近年來，相關(guān)研究人員基于室內(nèi)模型試驗，開展了群樁中基樁下拽力和下拽位移與時間的關(guān)系的試驗研究，并初步分析了其相互關(guān)系，但是，由于室內(nèi)模型試驗縮尺的天然缺陷，所得結(jié)果僅能作為定性分析之用[7?8]。基于離心機(jī)模型試驗方法，開展了群樁負(fù)摩阻力特性與時間的關(guān)系試驗，研究結(jié)果表明，群樁中基樁樁身下拽力、樁頂下拽位移與時間關(guān)系規(guī)律與單樁情況相似[9?10]。綜上所述，負(fù)摩阻力作用引起的樁基中性點位置、下拽力和下拽位移均隨時間而變化。然而，已有研究中針對中性點位置、下拽力及下拽位移與時間之間關(guān)系的歸納分析相對較少。肖俊華等[11]基于現(xiàn)場試驗實測數(shù)據(jù)，提出采用雙曲線擬合下拽力與時間的關(guān)系，是針對下拽力與時間關(guān)系歸納分析的嘗試，也為進(jìn)一步研究下拽力的時間效應(yīng)提供了參考。但是，該研究僅針對下拽力與時間的關(guān)系進(jìn)行了分析，中性點位置、下拽位移、群樁中基樁下拽力、中性點位置以及下拽位移與時間的關(guān)系研究尚未開展。因此，本文作者簡要介紹樁基負(fù)摩阻力產(chǎn)生及發(fā)展過程，針對中性點位置、下拽力及下拽位移與時間之間的關(guān)系，提出擬合預(yù)測曲線模型，并與現(xiàn)場工程實測結(jié)果進(jìn)行對比分析；最后針對曲線模型參數(shù)的物理意義進(jìn)行探討，以便為樁基負(fù)摩阻力的設(shè)計和計算提供參考依據(jù)。

1 負(fù)摩阻力與時間的關(guān)系研究

地面堆載、濕陷性黃土遇水沉降、樁周軟土固結(jié)沉降及地下水位下降等因素，均可能引起樁周土體的沉降量大于樁體的沉降量，此時樁側(cè)土體非但不能提供起支撐作用的正摩阻力，反而產(chǎn)生不利于樁基承載力的負(fù)摩阻力(NSF)。負(fù)摩阻力作用下樁基存在下拽力(d)和下拽位移(d)；樁周土體位移量與樁體位移一致的位置即定義為中性點(NP)位置；同時，中性點也是負(fù)摩阻力與正摩阻力轉(zhuǎn)折點、樁身累計下拽力最大值點；負(fù)摩阻力作用下樁基下拽力、中性點位置及下拽位移示意圖如圖1所示。

樁?土接觸面剪切摩擦力一開始隨著樁?土相對位移的增加而增大；當(dāng)樁?土相對位移達(dá)到一定值(1~ 5 mm[1])時，剪切摩擦力趨于1個穩(wěn)定值。負(fù)摩阻力的發(fā)展可以分為2個階段：第1個階段，荷載作用瞬間，負(fù)摩阻力作用引起的下拽力、下拽位移及中性點位置初始值形成，這個階段的時間為幾小時或幾十小時；第2個階段，初始負(fù)摩阻力隨時間(該階段沉降由土體固結(jié)等因素引起)的發(fā)展變化，這個階段的時間延續(xù)幾年甚至十幾年。針對影響負(fù)摩阻力的樁?土接觸面剪切模型，相關(guān)研究人員最早采用線彈性模型，續(xù)而采用雙曲線模型或者考慮初始模量的雙曲線模 型[12?13]。這些模型可以較好地反映地面堆載等初期加載情況下負(fù)摩阻力的發(fā)展過程；但是針對軟土固結(jié)等情況下負(fù)摩阻力隨土體固結(jié)時間的變化過程無法有效地進(jìn)行預(yù)測與計算。

圖1 負(fù)摩阻力作用下樁基下拽力、中性點位置及下拽位移示意圖

2 中性點位置、下拽力及下拽位移與時間的關(guān)系研究

已有現(xiàn)場試驗測試結(jié)果表明，無論是中性點位置還是下拽力及下拽位移，均與長期時間(即本文以上所述的負(fù)摩阻力發(fā)展第2個階段)有關(guān)；中性點的位置在試驗剛開始階段位置較高，后隨時間的發(fā)展逐漸變低并趨于穩(wěn)定；下拽力和下拽位移均隨著時間的增加而逐漸增大、不過增加幅度逐漸減少，最終趨于穩(wěn) 定[14?16]。建立中性點位置、下拽力及下拽位移與時間的關(guān)系曲線，不僅可以根據(jù)有限的監(jiān)測結(jié)果預(yù)測最終中性點位置、最大下拽力及下拽位移，而且當(dāng)根據(jù)有效應(yīng)力法、總應(yīng)力法等理論方法計算獲得最大下拽力或下拽位移時，可以根據(jù)預(yù)測曲線估算得到達(dá)到最大值所需要的時間。肖俊華等[11]提出采用雙曲線擬合下拽力與時間的關(guān)系，該擬合曲線對于擬合下拽力與時間的關(guān)系基本能夠滿足精度要求，但是模型中尚未區(qū)分負(fù)摩阻力產(chǎn)生與發(fā)展的2個階段(即加載瞬間和長期固結(jié)時間變化)。而在實際工程中，加載瞬間(幾小時相比于幾年)，下拽力、下拽位移及中性點位置都是瞬時達(dá)到一個較大值；因此，雙曲線模型對于下拽 力、下拽位移及中性點位置的初期值的預(yù)測值存在一定的差異。

在堆載固結(jié)、地下水位下降等情況下，樁周土可能產(chǎn)生大于樁體的豎向位移，產(chǎn)生樁側(cè)負(fù)摩阻力從而導(dǎo)致產(chǎn)生樁身下拽力，在下拽力作用下樁產(chǎn)生下拽位移，而中性點位置同時受土體位移和樁體位移的影響。由于固結(jié)需要一個過程，因而樁側(cè)負(fù)摩阻力的產(chǎn)生發(fā)展具有時間效應(yīng)，而負(fù)摩阻力的發(fā)展又影響樁身下拽力、下拽位移及中性點變化，故提出三者時間效應(yīng)用相同的數(shù)學(xué)模型。通過對典型實測數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，本文提出采用一階指數(shù)函數(shù)來描述(文獻(xiàn)[3, 9, 14?16])中性點位置、下拽力以及下拽位移與時間之間的關(guān)系：

式中：，和1為待定系數(shù)；為時間(d)；為中性點位置NP()/、下拽力d()或下拽位移d()。

以時間為橫坐標(biāo)，中性點位置NP()/、下拽力d()或下拽位移d()為縱坐標(biāo)，中性點位置、下拽力以及下拽位移與時間之間的一階指數(shù)函數(shù)關(guān)系示意圖如圖2所示。()?關(guān)系曲線、截距以及漸進(jìn)線等物理表達(dá)意義見表1。

3 工程實例驗證與分析

3.1 中性點位置與時間的關(guān)系分析

根據(jù)本文所提出的方法，提取參考文獻(xiàn)[3, 14?16]中式例有關(guān)中性點位置數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證與分析。本文目的在于提供中性點位置與時間關(guān)系的普遍公式，因此，盡管工程實例分屬于不同地區(qū)、不同工程情況、不同試驗方式、不同樁的長度及土性質(zhì)，但是，擬合曲線均可以通過式(1)中的待定系數(shù)來調(diào)整使其與實際結(jié)果相近。各實例所適用的參數(shù)見表2。已有參考文獻(xiàn)所得實測中性點位置和式(1)所得計算位置如圖3所示；各計算曲線的待定系數(shù)，，1及其表達(dá)式見表2。

圖2 中性點位置、下拽力及下拽位移與時間關(guān)系

由圖3和表2可知：本文提出的一階指數(shù)函數(shù)式可以較好地反映中性點位置與時間的關(guān)系規(guī)律；各實例的計算函數(shù)式中待定系數(shù)各不相同，由此說明了該公式在預(yù)測中性點位置與時間關(guān)系的可行性和可靠性。

圖3 中性點位置與時間的關(guān)系

表1 y(t)?t關(guān)系匯總

3.2 下拽力最大值與時間的關(guān)系分析

由本文所提出的方法(式(1))，提取參考文獻(xiàn) [3, 9, 14?16]實例中的下拽力最大值進(jìn)行驗證與分析。同樣，本文目的在于提供下拽力最大值與時間關(guān)系的普遍公式，因此，盡管工程實例分屬于不同地區(qū)、不同工程情況、不同試驗方式、不同樁的長度及不同土體性質(zhì)，但是，擬合曲線均可以通過式(1)中的待定系數(shù)來調(diào)整使其與實際結(jié)果相近。各實例所適用的參數(shù)見表3。

結(jié)合參考文獻(xiàn)[3]和[14]所得實測結(jié)果，針對利用本文提出的一階指數(shù)函數(shù)計算方法與肖俊華等[11]提出的雙曲線計算方法進(jìn)行對比分析，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比曲線如圖4所示，各計算曲線的待定系數(shù)，，1及其表達(dá)式見表3。由圖4和表3可知：本文提出的一階指數(shù)函數(shù)計算方法與肖俊華等[11]提出的雙曲線計算方法所得結(jié)果均能較好地與實測結(jié)果吻合；不過，這2種計算方法在縱坐標(biāo)上的截距(即初始荷載下下拽力)不同(本文計算所得初始下拽力分別為666 kN和365 kN，而肖俊華等[11]提出的雙曲線計算所得初始下拽力均為0 kN)。根據(jù)前面對負(fù)摩阻力產(chǎn)生與發(fā)展的2個階段分類的描述，本文計算結(jié)果與該分類描述及結(jié)果一致。

已有文獻(xiàn)所得實測下拽力最大值和式(1)所得計算曲線對比結(jié)果如圖5所示，各計算曲線的待定系數(shù)，，1及其表達(dá)式見表3。由圖5和表3可知本文提出的一階指數(shù)函數(shù)式可以較好地反映下拽力最大值與時間的關(guān)系規(guī)律，由此說明了該公式在預(yù)測下拽力最大值與時間關(guān)系的可行性和可靠性。

圖4 下拽力與時間關(guān)系預(yù)測結(jié)果對比曲線

表2 中性點位置與時間關(guān)系匯總

表3 下拽力與時間關(guān)系匯總

圖5 下拽力與時間的關(guān)系

3.3 下拽位移與時間的關(guān)系分析

根據(jù)本文所提出的方法(式(1))，提取參考文獻(xiàn)[15]實例中的下拽位移進(jìn)行驗證與分析。各實例所適用的參數(shù)見表4。已有參考文獻(xiàn)[15]所得實測下拽位移和式(1)所得計算曲線對比結(jié)果如圖6所示，各計算曲線的待定系數(shù)，，1及其表達(dá)式如表4所示。由圖6和表4可知：本文提出的一階指數(shù)函數(shù)式可以較好地反映下拽位移與時間的關(guān)系規(guī)律。由此說明了該公式在預(yù)測下拽位移與時間關(guān)系的可行性和可靠性。

圖6 下拽位移與時間的關(guān)系

4 參數(shù)分析與數(shù)學(xué)模型

工程實例中中性點位置、下拽力最大值及下拽位移隨時間的變化曲線大體可以分為快速增長階段和緩慢增長階段且最終趨于穩(wěn)定階段；在數(shù)學(xué)模型中，有2個關(guān)鍵性參數(shù)：一個為截距(當(dāng)=0時，()=)，反映中性點位置、下拽力最大值及下拽位移在初始荷載下的數(shù)值；另一個為漸進(jìn)最大值(當(dāng)→∞時，()=)，反映中性點位置、下拽力最大值及下拽位移隨時間變化的最大值。

1) 在同一場地、其他條件基本相近情況下，鋼管樁的中性點位置較混凝土樁的中性點位置要略低(即略大)；鋼管樁的下拽力最大值和下拽位移較混凝土樁的下拽力最大值和下拽位移略大(即略大)。

2) 在同一場地、同一樁型等因素相近情況下，樁基表面瀝青涂層對中性點位置、下拽力及下拽位移的影響規(guī)律有：涂層樁相對于未涂層樁而言，中性點位置略有所上升(即略有降低)，下拽力最大值有明顯降低(即有較大幅度的降低)；中性點位置起始值有所下降(即+有一定的降低)，下拽力起始值變小(即+有一定降低)。

表4 下拽位移與時間關(guān)系匯總

5 結(jié)論

1) 負(fù)摩阻力的發(fā)展可以分為2個階段：第1個階段，荷載作用瞬間，負(fù)摩阻力作用引起的下拽力、下拽位移及中性點位置初始值形成，這個階段時間可能為幾小時或幾十小時；第2個階段，初始負(fù)摩阻力值隨時間(該階段沉降由土體固結(jié)等因素引起)的發(fā)展變化，這個階段時間可能延續(xù)幾年甚至十幾年；本文預(yù)測模型計算結(jié)果與該負(fù)摩阻力發(fā)展分段結(jié)果一致。

2) 提出的中性點位置、下拽力及下拽位移預(yù)測模型計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合良好，從而驗證了該模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為進(jìn)一步研究樁基負(fù)摩阻力特性及其設(shè)計和計算提供參考依據(jù)。

3) 在相同場地情況下，鋼管樁的中性點位置較混凝土樁的中性點位置要略低，鋼管樁的下拽力最大值和下拽位移較混凝土樁的下拽力最大值和下拽位移略大；涂層樁相對于未涂層樁而言，中性點位置略有所上升，下拽力最大值明顯降低；中性點位置起始值有所下降，下拽力起始值變小。

4) 有必要結(jié)合某一特定地區(qū)的中性點位置、下拽力及下拽位移情況進(jìn)行研究，確定符合該地區(qū)的待定系數(shù)，和1，以便為工程設(shè)計與計算提供參考依據(jù)。

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(編輯 陳愛華)

Relationship of neutral point position, dragload or downdrag of pile versus time under negative skin friction

KONG Gangqiang1, 2, ZHOU Yang1, 2, PENG Huaifeng1, 2

(1. Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

The develop process of negative skin friction of pile was briefly introduced. The relationship curves models for neutral point position versus time, dragload versus time, and downdrag versus time were developed. The curve model results were comparatively analyzed with field test results; and the physical meanings of parameters were discussed and analyzed. The results show that the results obtained by curves models fit well with those of field test results, which verifies the accuracy and reliability of curves models developed in this paper. The results also provide a reference for further study of the characteristics of negative skin friction and its design and calculation.

pile foundation; negative skin friction; neutral point position; dragload; downdrag; time effect

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.035

TU375.4

A

1672?7207(2016)11?3884?06

2016?01?19；

2016?05?05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278170，51478165) (Projects(51278170, 51478165) supported by the National Natural Science Foundation of China)

孔綱強(qiáng)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事樁?土相互作用及能量樁技術(shù)研究；E-mail: gqkong1@163.com