負(fù)摩阻力作用下透明土中管樁中性點(diǎn)位置模型試驗(yàn)

孔綱強(qiáng)，曹兆虎，孫學(xué)謹(jǐn)，趙紅華

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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；3. 大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連 116024)

負(fù)摩阻力作用下透明土中管樁中性點(diǎn)位置模型試驗(yàn)

孔綱強(qiáng)1, 2，曹兆虎1, 2，孫學(xué)謹(jǐn)1, 2，趙紅華3

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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；3. 大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連 116024)

摘要:中性點(diǎn)位置的確定是負(fù)摩阻力作用下樁基下拽力與下拽位移，以及整體樁基承載力設(shè)計(jì)與計(jì)算的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一；已有規(guī)范給定的中性點(diǎn)位置確定經(jīng)驗(yàn)方法往往與實(shí)際存在一定的出入?；谌斯ず铣赏该魍敛牧?，采用非插入式測(cè)試方法開展負(fù)摩阻力作用下管樁中性點(diǎn)位置測(cè)定模型試驗(yàn)，測(cè)得樁體和樁周土體的沉降規(guī)律，續(xù)而分析樁-土相對(duì)位移、確定中性點(diǎn)位置；為了對(duì)比分析，同時(shí)進(jìn)行負(fù)摩阻力作用下不同直徑管樁中性點(diǎn)位置測(cè)定的模型試驗(yàn)，對(duì)比分析其中性點(diǎn)位置與地面堆載等級(jí)的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文試驗(yàn)條件下，管樁的中性點(diǎn)位置位于0.7 H-0.9 H(H為樁長(zhǎng))范圍內(nèi)，略低于建筑樁基規(guī)范中給出的砂性土中基樁建議參考值(0.7 H-0.8 H)；樁頂下拽位移近似隨地面堆載等級(jí)呈線性增長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：管樁；負(fù)摩阻力；中性點(diǎn)；模型試驗(yàn)；透明土

地面堆載、地下水位下降等因素會(huì)造成樁周土體的沉降大于樁體沉降；當(dāng)樁周土體的沉降值大于樁體的沉降值時(shí)，樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力；負(fù)摩阻力作用引起的樁身下拽力和下拽位移對(duì)樁基承載力非但無用、反而有害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成樁端地基的屈服或破壞、樁身破壞、結(jié)構(gòu)物不均勻沉降等[1]。樁側(cè)負(fù)摩阻力與正摩阻力轉(zhuǎn)換點(diǎn)，即樁體位移與樁周土體位移值一致(樁-土相對(duì)位移為0)處、樁身軸力最大值處，為樁基中性點(diǎn)位置[2]。中性點(diǎn)位置的確定是負(fù)摩阻力作用下樁基下拽力與下拽位移，以及整體樁基承載力設(shè)計(jì)與計(jì)算的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，樁基中性點(diǎn)位置的確定，往往是通過預(yù)埋在樁體內(nèi)的應(yīng)力計(jì)讀數(shù)轉(zhuǎn)換成樁身軸力值，然后比較相鄰兩個(gè)軸力值之間大?。粯渡磔S力值最大點(diǎn)，即為中性點(diǎn)位置[3-5]。常規(guī)模型試驗(yàn)或者離心機(jī)模型試驗(yàn)過程中，中性點(diǎn)位置的確定，往往是通過在樁周土體中分層預(yù)埋沉降標(biāo)，根據(jù)分層沉降標(biāo)的讀數(shù)繪制土體沉降，樁體位移與樁周土體位移值相等處，即為中性點(diǎn)位置[6-8]；采用半模試驗(yàn)手段和數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過在半模試驗(yàn)側(cè)壁預(yù)埋示蹤點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可視化樁-土相對(duì)位移的測(cè)試[9]；研究結(jié)果表明，數(shù)字圖像處理技術(shù)可以有效運(yùn)用到負(fù)摩阻力作用下樁基中性點(diǎn)位置確定研究中，半模試驗(yàn)過程中荷載的施加限制、樁側(cè)壁摩阻力等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性存在一定的影響[10]。綜上可知，已有研究中針對(duì)中性點(diǎn)位置確定方法的研究相對(duì)較少且負(fù)摩阻力問題研究主要是針對(duì)實(shí)心樁，而針對(duì)管樁負(fù)摩阻力及中性點(diǎn)位置的研究相對(duì)較少；隨著預(yù)應(yīng)力管樁、現(xiàn)澆管樁等在工程中的大量應(yīng)用，針對(duì)管樁的負(fù)摩阻力作用及中性點(diǎn)位置確定的研究顯得尤為迫切。隨著人工合成透明土材料的發(fā)展，相關(guān)研究人員通過制配折射率相同的透明固體顆粒和孔隙液體，提出了利用無定形硅膠、熔融石英砂或烘烤石英砂等固體顆粒材料與相同折射率的溴化鈣溶液或混合油配制飽和透明土的技術(shù)方法，研究結(jié)果表明，配制成的透明土物理力學(xué)特性與天然砂土相近[11-13]；相關(guān)研究人員，利用透明土材料，通過追蹤示蹤點(diǎn)和散斑場(chǎng)的位移來測(cè)量樁周土體的位移場(chǎng)[14]；針對(duì)等截面樁的沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)分析[15]；研究結(jié)果表明，基于透明土材料的非接觸式測(cè)試方法，可以有效分析土體內(nèi)部變形場(chǎng)和滲流場(chǎng)。人工合成透明土材料的順利應(yīng)用，為可視化研究負(fù)摩阻力作用下樁基中性點(diǎn)位置提供了技術(shù)保障。因此，本文基于透明土材料，采用非插入式測(cè)試方法開展負(fù)摩阻力作用下管樁中性點(diǎn)位置的模型試驗(yàn)，測(cè)得樁體和樁周土體的沉降規(guī)律，續(xù)而分析樁-土相對(duì)位移、確定中性點(diǎn)位置；同時(shí)進(jìn)行負(fù)摩阻力作用下不同直徑管樁中性點(diǎn)位置測(cè)定的模型試驗(yàn)作為對(duì)比分析；為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1模型試驗(yàn)概況

1.1人工合成透明土材料制配飽和砂土

本文利用徐州新沂萬和礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的烘烤石英砂(又稱玻璃砂，粒徑為0.5～1.0 mm)模擬飽和砂土的固體顆粒，利用15#白油和正12烷混合(按1∶4質(zhì)量比)調(diào)制而成的混合油模擬砂土中的孔隙液體。由于烘烤石英砂固體顆粒和混合油的折射率均為1.458 5；因此，配制而成的飽和“砂土”具有良好的透明度。烘烤石英砂最大干密度為1.274 g/cm3，最小干密度0.970 g/cm3，比重為2.186；制樣時(shí)，采用先在模型槽中加入混合油，然后用裝有干樣的量杯放在孔隙液體內(nèi)靜置5 min，待量杯中的干樣全部浸泡、且氣泡排出后，將量杯中的固體顆粒倒入模型槽中(傾倒過程中固體顆粒不露出孔隙液體表面)；制配過程中，在模型試驗(yàn)樁兩側(cè)、沿樁基深度方向(本文試驗(yàn)布置7層)對(duì)稱布置熒光砂(以土表面為零點(diǎn)、垂直向下為坐標(biāo)軸方向；熒光砂的布置深度分別為：1.84，3.99，5.83，7.98，9.82，11.35和13.5 cm)，以增強(qiáng)土體沉降量的測(cè)讀；計(jì)算每層土體沉降量時(shí)，在該層附近，隨機(jī)選取6點(diǎn)，計(jì)算各點(diǎn)的荷載前后的位移差，并取平均值作為該層在該荷載等級(jí)作用下的位移量。配制成的飽和“砂土”相對(duì)密實(shí)度約為49%，土樣上層和下層密實(shí)度存在一定的差異；直剪試驗(yàn)所獲得的干樣內(nèi)摩擦角為37.3o、油樣內(nèi)摩擦角為38.3o；詳細(xì)透明土試樣物理、力學(xué)性質(zhì)參考文獻(xiàn)[12]相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。烘烤石英砂顆粒和制配完成的透明土實(shí)物圖如1所示。

(a) 烘烤石英砂顆粒;(b) 制配成的透明土圖1　人工合成透明土實(shí)物圖Fig.1 Physical diagram of synthetic transparent soil

1.2模型樁的制作

利用透明有機(jī)玻璃管材料模擬模型試驗(yàn)樁；有機(jī)玻璃管外側(cè)通過設(shè)置螺紋以增強(qiáng)管壁外側(cè)與土體之間的摩擦力。模型管樁的外徑分別為10，15和20 mm，壁厚為3 mm；管樁埋土深度為135 mm，相應(yīng)的管樁長(zhǎng)徑比分別為13.5，9.0和6.8；模型樁外壁粗糙、內(nèi)壁光滑。試驗(yàn)前，先將模型樁預(yù)埋在試驗(yàn)土樣內(nèi)至設(shè)計(jì)深度。

1.3模型試驗(yàn)裝置

采用的模型試驗(yàn)裝置包括模型槽、地面堆載加載系統(tǒng)以及高清數(shù)碼相機(jī)等幾部分。模型槽為170 mm × 170 mm × 400 mm(長(zhǎng)×寬×高)、壁厚8 mm，上部開口的長(zhǎng)方體透明有機(jī)玻璃槽。地面堆載加載系統(tǒng)包括加載儀和加載板兩部分，加載儀除了荷載施加裝置之外，還可同時(shí)測(cè)讀荷載值和加載點(diǎn)位移量；加載板為125 mm × 125 mm × 15 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的有機(jī)玻璃板、板上布置2根鋼條肋以避免加載過程中有機(jī)玻璃板的變形，加載板正中間預(yù)留略大于樁徑的孔洞，以避免樁周土堆載時(shí)對(duì)樁頂直接產(chǎn)生力，加載板四周布置細(xì)小孔洞，供加載過程中，飽和“砂土”的排水之用。

試驗(yàn)前通過調(diào)節(jié)數(shù)碼相機(jī)位置及焦距以獲得較好的視場(chǎng)，并在加載前拍攝初始參考面；在試驗(yàn)過程中，待每一節(jié)加載穩(wěn)定后拍攝一張圖像，直至最后一節(jié)加載完成。通過比較加載前后所獲得圖像中預(yù)埋在透明土體中的標(biāo)示點(diǎn)(熒光砂)位置變化來反映相應(yīng)土層土體的位移，同時(shí)為了提高精度，量測(cè)精度，每級(jí)荷載下，對(duì)于每層土體，選取15-18個(gè)標(biāo)示點(diǎn)進(jìn)行沉降量統(tǒng)計(jì)，然后取平均值；試驗(yàn)過程中熒光砂分層布置示意圖如圖2所示。整個(gè)試驗(yàn)過程中保持?jǐn)?shù)碼相機(jī)的相對(duì)位置固定以及相機(jī)視場(chǎng)的固定。

圖2　熒光砂分層布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of layered fluorescent sand layout

1.4模型試驗(yàn)工況

為了對(duì)比分析不同樁徑條件下管樁中性點(diǎn)位置特性，本文針對(duì)3個(gè)不同樁徑、5種地面堆載等級(jí)情況開展試驗(yàn)研究；具體模型試驗(yàn)工況見表1所示。

表1　模型試驗(yàn)工況

2模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1樁徑對(duì)中性點(diǎn)位置的影響規(guī)律分析

以地面堆載等級(jí)(S.L.)為41.5 kPa和58.8 kPa為例，樁徑為10，15和20 mm3種情況的樁體沉降和土體分層沉降規(guī)律曲線分別如圖3(a)和3(b)所示。由圖3可知，沿樁的深度方向，樁體沉降近似為線性(即樁頂沉降量基本與樁底沉降量一致)，由此說明，在地面堆載作用下，樁體本身壓縮變形近似為0；當(dāng)樁徑為15 mm時(shí)，樁體位移和樁周土體位移均比另外2種樁徑(10 mm和20 mm)情況下的樁體和樁周土體位移量要略小一些、中性點(diǎn)位置略高一些；本文試驗(yàn)條件下，樁體和樁周土體沉降量、中性點(diǎn)位置與樁徑大小之間并未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律；換言之，試驗(yàn)本身的誤差因素(如土體密實(shí)度等)對(duì)沉降(包括樁體和土體)和中性點(diǎn)位置的影響超過樁徑對(duì)沉降和中性點(diǎn)位置的影響。

(a)S.L.=41.5 KPa;(a)S.L.=58.8 KPa圖3　不同堆載條件下樁體和土體分層沉降沿樁深的分布規(guī)律Fig.3 The distribution of pile and soil settlement along pile depth under different surcharge load

2.2地面堆載等級(jí)與中性點(diǎn)位置規(guī)律分析

不同地面堆載等級(jí)下，樁徑為10，15和20 mm的模型管樁，歸一化后樁體、土體沉降沿樁深方向的分布規(guī)律分別如圖4(a)，4(b)和4(c)所示。由圖4可知，樁體和樁周土體沉降隨著地面堆載等級(jí)的增加而增大，土體沉降沿著樁深方向逐漸減少。由圖4(a)可見，樁體沉降與樁周土體沉降值相同點(diǎn)，基本發(fā)生在0.85H-0.92H(H為樁長(zhǎng))范圍內(nèi)；即基樁的中性點(diǎn)位置發(fā)生在0.85H-0.92H范圍內(nèi)；由圖4(b)可見，基樁的中性點(diǎn)位置發(fā)生在0.71H-0.83H范圍內(nèi)；由圖4(c)可見，基樁的中性點(diǎn)位置發(fā)生在0.75H-0.85H范圍內(nèi)；整體而言，樁體沉降與樁周土體沉降值相同點(diǎn)，基本發(fā)生在0.7H-0.9H范圍內(nèi)；即基樁的中性點(diǎn)位置發(fā)生在0.7H-0.9H范圍內(nèi)。

(a)樁徑10 mm；(b)樁徑15 mm；(c)樁徑20 mm圖4　不同樁徑情況下歸一化樁體、土體沿樁深方向沉降規(guī)律Fig.4 Normalized distribution of pile and soil settlement along pile depth with different pile diameters

本文試驗(yàn)所測(cè)得中性點(diǎn)位置與地面堆載等級(jí)關(guān)系，及已有文獻(xiàn)資料所得中性點(diǎn)位置與地面堆載等級(jí)關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，本文試驗(yàn)所測(cè)得中性點(diǎn)位置隨著荷載等級(jí)的變化也略有波動(dòng)；不過，整體中性點(diǎn)位置均在0.7H-0.9H范圍內(nèi)；參考文獻(xiàn)[16]現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)所得中性點(diǎn)位置位于0.852H，參考文獻(xiàn)[6]常規(guī)模型試驗(yàn)所測(cè)得中性點(diǎn)位置位于0.90H，參考文獻(xiàn)[8]離心機(jī)模型試驗(yàn)所測(cè)得中性點(diǎn)位置位于0.813H；由此可見，已有研究成果表明，絕大多數(shù)中性點(diǎn)位置也在0.7H-0.9H范圍內(nèi)。

圖5　中性點(diǎn)位置與地面堆載等級(jí)關(guān)系曲線Fig.5 Curves on neutral point position versus surcharge loads

2.3下拽位移與地面堆載等級(jí)的關(guān)系曲線

不同樁徑情況下，樁頂下拽位移與地面堆載等級(jí)之間的關(guān)系曲線如圖8所示。本文試驗(yàn)荷載條件下，樁頂下拽位移近似隨地面堆載等級(jí)呈線性增長(zhǎng)；20 mm樁徑情況下，在40 kPa地面堆載后，樁頂下拽位移增速增大；由此說明，隨著地面堆載量的增大，樁基會(huì)由于負(fù)摩阻力作用產(chǎn)生的過大樁頂下拽位移而喪失使用功能。

圖6　下拽位移與地面堆載等級(jí)關(guān)系曲線Fig.6 Curves on downdrag of pile versus surcharge loads

2.4試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范估算方法的對(duì)比分析

中國(guó)建筑樁基規(guī)范(JGJ94-2008)[17]中規(guī)定：中性點(diǎn)深度應(yīng)按樁周土層沉降與樁沉降相等的條件計(jì)算確定，當(dāng)條件不具備時(shí)，可參照表2確定。

表2　中性點(diǎn)位置參考值

注：ln、l0分別為中性點(diǎn)深度和樁周土層下限深度；樁穿越自重濕陷性黃土層時(shí)，ln按表列值增大10 %(持力層為基巖除外)。

參考文獻(xiàn)由[12]可知，本文試驗(yàn)條件所制配成的透明土具備砂性土的物理、力學(xué)特性；規(guī)范所給出的中性點(diǎn)位置參考建議值為0.7 H-0.8 H范圍內(nèi)，本文試驗(yàn)所得管樁的中性點(diǎn)位置在0.7 H-0.9 H范圍內(nèi)。由此可知，目前建筑樁基規(guī)范對(duì)中性點(diǎn)位置的建議值基本滿足負(fù)摩阻力作用下中性點(diǎn)位置的取值，不過，根據(jù)本文試驗(yàn)所得結(jié)果，建議可以適當(dāng)放寬砂性土的中性點(diǎn)取值范圍。

3結(jié)論

1)本文試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)結(jié)果表明，管樁的中性點(diǎn)位置位于0.7H-0.9H(H為樁長(zhǎng))范圍內(nèi)，略低于建筑樁基規(guī)范中給出的砂性土中基樁建議參考值(0.7H-0.8H)；建議可以適當(dāng)放寬砂性土的中性點(diǎn)取值范圍。試驗(yàn)結(jié)果也表明，樁頂下拽位移近似隨地面堆載等級(jí)呈線性增長(zhǎng)。

2)本文所采用的人工合成透明土材料，由于受透明度等因素制約，模型尺寸相對(duì)較小。因此，模型試驗(yàn)中，針對(duì)模型的尺寸效應(yīng)、邊界條件和光照強(qiáng)度等因素對(duì)測(cè)量精度的影響，還需要通過離心機(jī)試驗(yàn)等進(jìn)一步研究得出。

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Experimental study on neutral point position of pipe pile embedded in Transparent sand under negative skin friction

KONG Gangqiang1, 2, CAO Zhaohu1, 2, SUN Xuejin1, 2, ZHAO Honghua3

(1. Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering (Hohai University), Ministry of Education, Nanjing 210098, China;2. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;3. Department of Engineering Mechanics, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract：The determination of neutral point position is one of the most important aspects in dragload, downdrag, and total bearing capacity of pile foundation design and calculation, in which pile foundation is influenced by negative skin friction. The empirical methods for determining neutral position specified by current design codes often result in values different than practical ones. Visual model tests on neutral point position of pipe pile under negative skin friction using non-intrusive testing methods were carried out on transparent soil. The displacements of pile and soil were measured, and the relative displacement of pile-soil and the position of neutral point were analyzed and discussed. In order to make a comparative analysis, model tests on pipe pile with different diameters under negative skin friction were also performed. The curves of neutral point position versus surcharge between pipe piles with different diameters were analyzed. The test results show that, in this model test condition, the neutral point of pipe piles located approximately at 0.7 H-0.9 H(where H is the pile length), slightly lower than the values suggested by the Chinese Code (0.7 H-0.8 H), and that the downdrag of pile is nearly increases linearly with increasing surcharge load.

Key words：pipe pile; negative skin friction; neutral point; model test; transparent soil

收稿日期：2015-08-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278170，51478165)

通訊作者：孔綱強(qiáng)(1982-)，男，浙江磐安人，教授，博士，從事樁-土相互作用及能量樁技術(shù)方面的教學(xué)與科研; E-mail: gqkong1@163.com

中圖分類號(hào)：473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)05-0821-06