負摩阻力作用下透明土中管樁中性點位置模型試驗

孔綱強，曹兆虎，孫學謹，趙紅華

(1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2. 河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098；3. 大連理工大學 工程力學系，遼寧 大連 116024)

負摩阻力作用下透明土中管樁中性點位置模型試驗

孔綱強1, 2，曹兆虎1, 2，孫學謹1, 2，趙紅華3

(1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2. 河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098；3. 大連理工大學 工程力學系，遼寧 大連 116024)

摘要:中性點位置的確定是負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計與計算的最關鍵環節之一；已有規范給定的中性點位置確定經驗方法往往與實際存在一定的出入。基于人工合成透明土材料，采用非插入式測試方法開展負摩阻力作用下管樁中性點位置測定模型試驗，測得樁體和樁周土體的沉降規律，續而分析樁-土相對位移、確定中性點位置；為了對比分析，同時進行負摩阻力作用下不同直徑管樁中性點位置測定的模型試驗，對比分析其中性點位置與地面堆載等級的關系。試驗結果表明，本文試驗條件下，管樁的中性點位置位于0.7 H-0.9 H(H為樁長)范圍內，略低于建筑樁基規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呈線性增長。

關鍵詞：管樁；負摩阻力；中性點；模型試驗；透明土

地面堆載、地下水位下降等因素會造成樁周土體的沉降大于樁體沉降；當樁周土體的沉降值大于樁體的沉降值時，樁側產生負摩阻力；負摩阻力作用引起的樁身下拽力和下拽位移對樁基承載力非但無用、反而有害，嚴重時會造成樁端地基的屈服或破壞、樁身破壞、結構物不均勻沉降等[1]。樁側負摩阻力與正摩阻力轉換點，即樁體位移與樁周土體位移值一致(樁-土相對位移為0)處、樁身軸力最大值處，為樁基中性點位置[2]。中性點位置的確定是負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計與計算的最關鍵環節之一。現場試驗過程中，樁基中性點位置的確定，往往是通過預埋在樁體內的應力計讀數轉換成樁身軸力值，然后比較相鄰兩個軸力值之間大小；樁身軸力值最大點，即為中性點位置[3-5]。常規模型試驗或者離心機模型試驗過程中，中性點位置的確定，往往是通過在樁周土體中分層預埋沉降標，根據分層沉降標的讀數繪制土體沉降，樁體位移與樁周土體位移值相等處，即為中性點位置[6-8]；采用半模試驗手段和數字圖像處理技術，通過在半模試驗側壁預埋示蹤點，實現可視化樁-土相對位移的測試[9]；研究結果表明，數字圖像處理技術可以有效運用到負摩阻力作用下樁基中性點位置確定研究中，半模試驗過程中荷載的施加限制、樁側壁摩阻力等因素對試驗結果的準確性存在一定的影響[10]。綜上可知，已有研究中針對中性點位置確定方法的研究相對較少且負摩阻力問題研究主要是針對實心樁，而針對管樁負摩阻力及中性點位置的研究相對較少；隨著預應力管樁、現澆管樁等在工程中的大量應用，針對管樁的負摩阻力作用及中性點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展，相關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方法，研究結果表明，配制成的透明土物理力學特性與天然砂土相近[11-13]；相關研究人員，利用透明土材料，通過追蹤示蹤點和散斑場的位移來測量樁周土體的位移場[14]；針對等截面樁的沉樁擠土效應進行了模型試驗分析[15]；研究結果表明，基于透明土材料的非接觸式測試方法，可以有效分析土體內部變形場和滲流場。人工合成透明土材料的順利應用，為可視化研究負摩阻力作用下樁基中性點位置提供了技術保障。因此，本文基于透明土材料，采用非插入式測試方法開展負摩阻力作用下管樁中性點位置的模型試驗，測得樁體和樁周土體的沉降規律，續而分析樁-土相對位移、確定中性點位置；同時進行負摩阻力作用下不同直徑管樁中性點位置測定的模型試驗作為對比分析；為工程設計提供參考依據。

1模型試驗概況

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有限公司生產的烘烤石英砂(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質量比)調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，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，在模型試驗樁兩側、沿樁基深度方向(本文試驗布置7層)對稱布置熒光砂(以土表面為零點、垂直向下為坐標軸方向；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)，以增強土體沉降量的測讀；計算每層土體沉降量時，在該層附近，隨機選取6點，計算各點的荷載前后的位移差，并取平均值作為該層在該荷載等級作用下的位移量。配制成的飽和“砂土”相對密實度約為49%，土樣上層和下層密實度存在一定的差異；直剪試驗所獲得的干樣內摩擦角為37.3o、油樣內摩擦角為38.3o；詳細透明土試樣物理、力學性質參考文獻[12]相關試驗結果。烘烤石英砂顆粒和制配完成的透明土實物圖如1所示。

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

1.2模型樁的制作

利用透明有機玻璃管材料模擬模型試驗樁；有機玻璃管外側通過設置螺紋以增強管壁外側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，相應的管樁長徑比分別為13.5，9.0和6.8；模型樁外壁粗糙、內壁光滑。試驗前，先將模型樁預埋在試驗土樣內至設計深度。

1.3模型試驗裝置

采用的模型試驗裝置包括模型槽、地面堆載加載系統以及高清數碼相機等幾部分。模型槽為170 mm × 170 mm × 400 mm(長×寬×高)、壁厚8 mm，上部開口的長方體透明有機玻璃槽。地面堆載加載系統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，還可同時測讀荷載值和加載點位移量；加載板為125 mm × 125 mm × 15 mm(長×寬×厚)的有機玻璃板、板上布置2根鋼條肋以避免加載過程中有機玻璃板的變形，加載板正中間預留略大于樁徑的孔洞，以避免樁周土堆載時對樁頂直接產生力，加載板四周布置細小孔洞，供加載過程中，飽和“砂土”的排水之用。

試驗前通過調節數碼相機位置及焦距以獲得較好的視場，并在加載前拍攝初始參考面；在試驗過程中，待每一節加載穩定后拍攝一張圖像，直至最后一節加載完成。通過比較加載前后所獲得圖像中預埋在透明土體中的標示點(熒光砂)位置變化來反映相應土層土體的位移，同時為了提高精度，量測精度，每級荷載下，對于每層土體，選取15-18個標示點進行沉降量統計，然后取平均值；試驗過程中熒光砂分層布置示意圖如圖2所示。整個試驗過程中保持數碼相機的相對位置固定以及相機視場的固定。

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

1.4模型試驗工況

為了對比分析不同樁徑條件下管樁中性點位置特性，本文針對3個不同樁徑、5種地面堆載等級情況開展試驗研究；具體模型試驗工況見表1所示。

表1　模型試驗工況

2模型試驗結果與分析

2.1樁徑對中性點位置的影響規律分析

以地面堆載等級(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；當樁徑為15 mm時，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、中性點位置略高一些；本文試驗條件下，樁體和樁周土體沉降量、中性點位置與樁徑大小之間并未發現明顯的規律；換言之，試驗本身的誤差因素(如土體密實度等)對沉降(包括樁體和土體)和中性點位置的影響超過樁徑對沉降和中性點位置的影響。

(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地面堆載等級與中性點位置規律分析

不同地面堆載等級下，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，基本發生在0.85H-0.92H(H為樁長)范圍內；即基樁的中性點位置發生在0.85H-0.92H范圍內；由圖4(b)可見，基樁的中性點位置發生在0.71H-0.83H范圍內；由圖4(c)可見，基樁的中性點位置發生在0.75H-0.85H范圍內；整體而言，樁體沉降與樁周土體沉降值相同點，基本發生在0.7H-0.9H范圍內；即基樁的中性點位置發生在0.7H-0.9H范圍內。

(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律Fig.4 Normalized distribution of pile and soil settlement along pile depth with different pile diameters

本文試驗所測得中性點位置與地面堆載等級關系，及已有文獻資料所得中性點位置與地面堆載等級關系如圖5所示。由圖5可知，本文試驗所測得中性點位置隨著荷載等級的變化也略有波動；不過，整體中性點位置均在0.7H-0.9H范圍內；參考文獻[16]現場試驗監測所得中性點位置位于0.852H，參考文獻[6]常規模型試驗所測得中性點位置位于0.90H，參考文獻[8]離心機模型試驗所測得中性點位置位于0.813H；由此可見，已有研究成果表明，絕大多數中性點位置也在0.7H-0.9H范圍內。

圖5　中性點位置與地面堆載等級關系曲線Fig.5 Curves on neutral point position versus surcharge loads

2.3下拽位移與地面堆載等級的關系曲線

不同樁徑情況下，樁頂下拽位移與地面堆載等級之間的關系曲線如圖8所示。本文試驗荷載條件下，樁頂下拽位移近似隨地面堆載等級呈線性增長；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，樁基會由于負摩阻力作用產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關系曲線Fig.6 Curves on downdrag of pile versus surcharge loads

2.4試驗結果與規范估算方法的對比分析

中國建筑樁基規范(JGJ94-2008)[17]中規定：中性點深度應按樁周土層沉降與樁沉降相等的條件計算確定，當條件不具備時，可參照表2確定。

表2　中性點位置參考值

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

參考文獻由[12]可知，本文試驗條件所制配成的透明土具備砂性土的物理、力學特性；規范所給出的中性點位置參考建議值為0.7 H-0.8 H范圍內，本文試驗所得管樁的中性點位置在0.7 H-0.9 H范圍內。由此可知，目前建筑樁基規范對中性點位置的建議值基本滿足負摩阻力作用下中性點位置的取值，不過，根據本文試驗所得結果，建議可以適當放寬砂性土的中性點取值范圍。

3結論

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

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，模型尺寸相對較小。因此，模型試驗中，針對模型的尺寸效應、邊界條件和光照強度等因素對測量精度的影響，還需要通過離心機試驗等進一步研究得出。

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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

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51278170，51478165)

通訊作者：孔綱強(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方面的教學與科研; E-mail: gqkong1@163.com

中圖分類號：473.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)05-0821-06