负摩阻力作用下透明土中管桩中性点位置模型试验

孔纲强，曹兆虎，孙学谨，赵红华

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；3. 大连理工大学 工程力学系，辽宁 大连 116024)

负摩阻力作用下透明土中管桩中性点位置模型试验

孔纲强1, 2，曹兆虎1, 2，孙学谨1, 2，赵红华3

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；3. 大连理工大学 工程力学系，辽宁 大连 116024)

摘要:中性点位置的确定是负摩阻力作用下桩基下拽力与下拽位移，以及整体桩基承载力设计与计算的最关键环节之一；已有规范给定的中性点位置确定经验方法往往与实际存在一定的出入。基于人工合成透明土材料，采用非插入式测试方法开展负摩阻力作用下管桩中性点位置测定模型试验，测得桩体和桩周土体的沉降规律，续而分析桩-土相对位移、确定中性点位置；为了对比分析，同时进行负摩阻力作用下不同直径管桩中性点位置测定的模型试验，对比分析其中性点位置与地面堆载等级的关系。试验结果表明，本文试验条件下，管桩的中性点位置位于0.7 H-0.9 H(H为桩长)范围内，略低于建筑桩基规范中给出的砂性土中基桩建议参考值(0.7 H-0.8 H)；桩顶下拽位移近似随地面堆载等级呈线性增长。

关键词：管桩；负摩阻力；中性点；模型试验；透明土

地面堆载、地下水位下降等因素会造成桩周土体的沉降大于桩体沉降；当桩周土体的沉降值大于桩体的沉降值时，桩侧产生负摩阻力；负摩阻力作用引起的桩身下拽力和下拽位移对桩基承载力非但无用、反而有害，严重时会造成桩端地基的屈服或破坏、桩身破坏、结构物不均匀沉降等[1]。桩侧负摩阻力与正摩阻力转换点，即桩体位移与桩周土体位移值一致(桩-土相对位移为0)处、桩身轴力最大值处，为桩基中性点位置[2]。中性点位置的确定是负摩阻力作用下桩基下拽力与下拽位移，以及整体桩基承载力设计与计算的最关键环节之一。现场试验过程中，桩基中性点位置的确定，往往是通过预埋在桩体内的应力计读数转换成桩身轴力值，然后比较相邻两个轴力值之间大小；桩身轴力值最大点，即为中性点位置[3-5]。常规模型试验或者离心机模型试验过程中，中性点位置的确定，往往是通过在桩周土体中分层预埋沉降标，根据分层沉降标的读数绘制土体沉降，桩体位移与桩周土体位移值相等处，即为中性点位置[6-8]；采用半模试验手段和数字图像处理技术，通过在半模试验侧壁预埋示踪点，实现可视化桩-土相对位移的测试[9]；研究结果表明，数字图像处理技术可以有效运用到负摩阻力作用下桩基中性点位置确定研究中，半模试验过程中荷载的施加限制、桩侧壁摩阻力等因素对试验结果的准确性存在一定的影响[10]。综上可知，已有研究中针对中性点位置确定方法的研究相对较少且负摩阻力问题研究主要是针对实心桩，而针对管桩负摩阻力及中性点位置的研究相对较少；随着预应力管桩、现浇管桩等在工程中的大量应用，针对管桩的负摩阻力作用及中性点位置确定的研究显得尤为迫切。随着人工合成透明土材料的发展，相关研究人员通过制配折射率相同的透明固体颗粒和孔隙液体，提出了利用无定形硅胶、熔融石英砂或烘烤石英砂等固体颗粒材料与相同折射率的溴化钙溶液或混合油配制饱和透明土的技术方法，研究结果表明，配制成的透明土物理力学特性与天然砂土相近[11-13]；相关研究人员，利用透明土材料，通过追踪示踪点和散斑场的位移来测量桩周土体的位移场[14]；针对等截面桩的沉桩挤土效应进行了模型试验分析[15]；研究结果表明，基于透明土材料的非接触式测试方法，可以有效分析土体内部变形场和渗流场。人工合成透明土材料的顺利应用，为可视化研究负摩阻力作用下桩基中性点位置提供了技术保障。因此，本文基于透明土材料，采用非插入式测试方法开展负摩阻力作用下管桩中性点位置的模型试验，测得桩体和桩周土体的沉降规律，续而分析桩-土相对位移、确定中性点位置；同时进行负摩阻力作用下不同直径管桩中性点位置测定的模型试验作为对比分析；为工程设计提供参考依据。

1模型试验概况

1.1人工合成透明土材料制配饱和砂土

本文利用徐州新沂万和矿业有限公司生产的烘烤石英砂(又称玻璃砂，粒径为0.5～1.0 mm)模拟饱和砂土的固体颗粒，利用15#白油和正12烷混合(按1∶4质量比)调制而成的混合油模拟砂土中的孔隙液体。由于烘烤石英砂固体颗粒和混合油的折射率均为1.458 5；因此，配制而成的饱和“砂土”具有良好的透明度。烘烤石英砂最大干密度为1.274 g/cm3，最小干密度0.970 g/cm3，比重为2.186；制样时，采用先在模型槽中加入混合油，然后用装有干样的量杯放在孔隙液体内静置5 min，待量杯中的干样全部浸泡、且气泡排出后，将量杯中的固体颗粒倒入模型槽中(倾倒过程中固体颗粒不露出孔隙液体表面)；制配过程中，在模型试验桩两侧、沿桩基深度方向(本文试验布置7层)对称布置荧光砂(以土表面为零点、垂直向下为坐标轴方向；荧光砂的布置深度分别为：1.84，3.99，5.83，7.98，9.82，11.35和13.5 cm)，以增强土体沉降量的测读；计算每层土体沉降量时，在该层附近，随机选取6点，计算各点的荷载前后的位移差，并取平均值作为该层在该荷载等级作用下的位移量。配制成的饱和“砂土”相对密实度约为49%，土样上层和下层密实度存在一定的差异；直剪试验所获得的干样内摩擦角为37.3o、油样内摩擦角为38.3o；详细透明土试样物理、力学性质参考文献[12]相关试验结果。烘烤石英砂颗粒和制配完成的透明土实物图如1所示。

(a) 烘烤石英砂颗粒;(b) 制配成的透明土图1　人工合成透明土实物图Fig.1 Physical diagram of synthetic transparent soil

1.2模型桩的制作

利用透明有机玻璃管材料模拟模型试验桩；有机玻璃管外侧通过设置螺纹以增强管壁外侧与土体之间的摩擦力。模型管桩的外径分别为10，15和20 mm，壁厚为3 mm；管桩埋土深度为135 mm，相应的管桩长径比分别为13.5，9.0和6.8；模型桩外壁粗糙、内壁光滑。试验前，先将模型桩预埋在试验土样内至设计深度。

1.3模型试验装置

采用的模型试验装置包括模型槽、地面堆载加载系统以及高清数码相机等几部分。模型槽为170 mm × 170 mm × 400 mm(长×宽×高)、壁厚8 mm，上部开口的长方体透明有机玻璃槽。地面堆载加载系统包括加载仪和加载板两部分，加载仪除了荷载施加装置之外，还可同时测读荷载值和加载点位移量；加载板为125 mm × 125 mm × 15 mm(长×宽×厚)的有机玻璃板、板上布置2根钢条肋以避免加载过程中有机玻璃板的变形，加载板正中间预留略大于桩径的孔洞，以避免桩周土堆载时对桩顶直接产生力，加载板四周布置细小孔洞，供加载过程中，饱和“砂土”的排水之用。

试验前通过调节数码相机位置及焦距以获得较好的视场，并在加载前拍摄初始参考面；在试验过程中，待每一节加载稳定后拍摄一张图像，直至最后一节加载完成。通过比较加载前后所获得图像中预埋在透明土体中的标示点(荧光砂)位置变化来反映相应土层土体的位移，同时为了提高精度，量测精度，每级荷载下，对于每层土体，选取15-18个标示点进行沉降量统计，然后取平均值；试验过程中荧光砂分层布置示意图如图2所示。整个试验过程中保持数码相机的相对位置固定以及相机视场的固定。

图2　荧光砂分层布置示意图Fig.2 Schematic diagram of layered fluorescent sand layout

1.4模型试验工况

为了对比分析不同桩径条件下管桩中性点位置特性，本文针对3个不同桩径、5种地面堆载等级情况开展试验研究；具体模型试验工况见表1所示。

表1　模型试验工况

2模型试验结果与分析

2.1桩径对中性点位置的影响规律分析

以地面堆载等级(S.L.)为41.5 kPa和58.8 kPa为例，桩径为10，15和20 mm3种情况的桩体沉降和土体分层沉降规律曲线分别如图3(a)和3(b)所示。由图3可知，沿桩的深度方向，桩体沉降近似为线性(即桩顶沉降量基本与桩底沉降量一致)，由此说明，在地面堆载作用下，桩体本身压缩变形近似为0；当桩径为15 mm时，桩体位移和桩周土体位移均比另外2种桩径(10 mm和20 mm)情况下的桩体和桩周土体位移量要略小一些、中性点位置略高一些；本文试验条件下，桩体和桩周土体沉降量、中性点位置与桩径大小之间并未发现明显的规律；换言之，试验本身的误差因素(如土体密实度等)对沉降(包括桩体和土体)和中性点位置的影响超过桩径对沉降和中性点位置的影响。

(a)S.L.=41.5 KPa;(a)S.L.=58.8 KPa图3　不同堆载条件下桩体和土体分层沉降沿桩深的分布规律Fig.3 The distribution of pile and soil settlement along pile depth under different surcharge load

2.2地面堆载等级与中性点位置规律分析

不同地面堆载等级下，桩径为10，15和20 mm的模型管桩，归一化后桩体、土体沉降沿桩深方向的分布规律分别如图4(a)，4(b)和4(c)所示。由图4可知，桩体和桩周土体沉降随着地面堆载等级的增加而增大，土体沉降沿着桩深方向逐渐减少。由图4(a)可见，桩体沉降与桩周土体沉降值相同点，基本发生在0.85H-0.92H(H为桩长)范围内；即基桩的中性点位置发生在0.85H-0.92H范围内；由图4(b)可见，基桩的中性点位置发生在0.71H-0.83H范围内；由图4(c)可见，基桩的中性点位置发生在0.75H-0.85H范围内；整体而言，桩体沉降与桩周土体沉降值相同点，基本发生在0.7H-0.9H范围内；即基桩的中性点位置发生在0.7H-0.9H范围内。

(a)桩径10 mm；(b)桩径15 mm；(c)桩径20 mm图4　不同桩径情况下归一化桩体、土体沿桩深方向沉降规律Fig.4 Normalized distribution of pile and soil settlement along pile depth with different pile diameters

本文试验所测得中性点位置与地面堆载等级关系，及已有文献资料所得中性点位置与地面堆载等级关系如图5所示。由图5可知，本文试验所测得中性点位置随着荷载等级的变化也略有波动；不过，整体中性点位置均在0.7H-0.9H范围内；参考文献[16]现场试验监测所得中性点位置位于0.852H，参考文献[6]常规模型试验所测得中性点位置位于0.90H，参考文献[8]离心机模型试验所测得中性点位置位于0.813H；由此可见，已有研究成果表明，绝大多数中性点位置也在0.7H-0.9H范围内。

图5　中性点位置与地面堆载等级关系曲线Fig.5 Curves on neutral point position versus surcharge loads

2.3下拽位移与地面堆载等级的关系曲线

不同桩径情况下，桩顶下拽位移与地面堆载等级之间的关系曲线如图8所示。本文试验荷载条件下，桩顶下拽位移近似随地面堆载等级呈线性增长；20 mm桩径情况下，在40 kPa地面堆载后，桩顶下拽位移增速增大；由此说明，随着地面堆载量的增大，桩基会由于负摩阻力作用产生的过大桩顶下拽位移而丧失使用功能。

图6　下拽位移与地面堆载等级关系曲线Fig.6 Curves on downdrag of pile versus surcharge loads

2.4试验结果与规范估算方法的对比分析

中国建筑桩基规范(JGJ94-2008)[17]中规定：中性点深度应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定，当条件不具备时，可参照表2确定。

表2　中性点位置参考值

注：ln、l0分别为中性点深度和桩周土层下限深度；桩穿越自重湿陷性黄土层时，ln按表列值增大10 %(持力层为基岩除外)。

参考文献由[12]可知，本文试验条件所制配成的透明土具备砂性土的物理、力学特性；规范所给出的中性点位置参考建议值为0.7 H-0.8 H范围内，本文试验所得管桩的中性点位置在0.7 H-0.9 H范围内。由此可知，目前建筑桩基规范对中性点位置的建议值基本满足负摩阻力作用下中性点位置的取值，不过，根据本文试验所得结果，建议可以适当放宽砂性土的中性点取值范围。

3结论

1)本文试验条件下，试验结果表明，管桩的中性点位置位于0.7H-0.9H(H为桩长)范围内，略低于建筑桩基规范中给出的砂性土中基桩建议参考值(0.7H-0.8H)；建议可以适当放宽砂性土的中性点取值范围。试验结果也表明，桩顶下拽位移近似随地面堆载等级呈线性增长。

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约，模型尺寸相对较小。因此，模型试验中，针对模型的尺寸效应、边界条件和光照强度等因素对测量精度的影响，还需要通过离心机试验等进一步研究得出。

[1] Fellenius B H. Results from long-term measurement in piles of drag load and downdrag[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2006, 43(4): 409-431.

[2] Poulos H G. A practical design approach for piles with negative friction[J]. Proceedings of the ICE - Geotechnical Engineering, 2008. 161(1): 19-27.

[3] 王兰民, 孙军杰, 黄雪峰, 等. 黄土场地地震陷时桩基负摩阻力的现场试验研究[J]. 岩土工程学报, 2008, 30(8): 341-348.

WANG Lanmin, SUN Junjie, HUANG Xuefeng, et al. Field tests on negative skin friction along piles caused by seismic settlement of loess[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(8): 341-348.

[4] 夏力农，杨秀竹. 桩顶荷载影响负摩阻力的现场试验与数值模拟[J]. 铁道科学与工程学报, 2008, 5(5): 46-49.

XIA Linong, YANG Xiuzhu. Field tests and numerical simulation of working load influences on negative skin friction behaviors of piles[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2008, 5(5): 46-49.

[5] 朱彦鹏，赵天时，陈长流. 桩基负摩阻力沿桩长变化的试验研究[J]. 岩土力学， 2013，34(增1): 265-272.

ZHU Yanpeng, ZHAO Tianshi, CHEN Changliu. Field tests on changes of pile negative friction along its length[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013，34(S1): 265-272.

[6] 孔纲强，杨庆，郑鹏一，等. 考虑时间效应的群桩负摩阻力模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(12): 1913-1919.

KONG Gangqiang, YANG Qing, ZHENG Pengyi, et al. Model tests on negative skin friction for pile groups considering time effect[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(12): 1913-1919.

[7] Kim S R. Chung S G. Equivalent head-down load vs. Movement relationships evaluated from bi-directional pile load tests[J]. KSCE, Journal of Civil Engineering, 2012, 16(7): 1170-1177.

[8] Lam S, Ng C W W, Poulos H. Shielding piles from downdrag in consolidating ground[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2013, 139(6): 956-968.

[9] 黄挺，戴国亮，龚维明，等. 颗粒图像测速技术在桩基负摩阻力模型试验中的运用[J]. 岩土力学，2013，34(增1): 162-166, 177.

HUANG Ting, DAI Guoliang, GONG Weiming, et al. Application of particle image velocimetry to model test of negative skin friction on pile[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013，34(S1): 162-166, 177.

[10] White D J, Take W A, Bolton M D. Soil deformation measurement using particle image velocimetry (PIV) and photogrammetry[J]. Geotechnique, 2003, 53(7): 619-631.

[11] Iskander M, Liu J, Sadek S. Transparent amorphous silica to model clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2002, 128(3): 262-273.

[12] 孔纲强，刘璐，刘汉龙，等. 玻璃砂透明土变形特性三轴试验研究[J]. 岩土工程学报，2013，35(6): 1140-1146.

KONG Gangqiang, LIU Lu, LIU Hanlong, et al. Triaxial tests on deformation characteristics of transparent glass sand[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(6): 1140-1146.

[13] Guzman I L, Iskander M, Suescun-Florez E, et al. A Transparent aqueous-saturated sand surrogate for use in physical modeling[J]. Acta Geotechnica, 2014, 9(2): 187-206.

[14] Iskander M, Sadek S, LIU J Y. Optical measurement of deformation using transparent silica to model sand[J]. International Journal of Physical Modelling in Geotechnics, 2002, 2(4): 13-26.

[15] Ni Q, Hird C C, Guymer I. Physical modelling of pile penetration in clay using transparent soil and particle image velocimetry[J]. Geotechnique, 2010, 60(2): 121-132.

[16] Indraratna B, Balasubramaniam A S, Phamvan P, et al. Development of negative skin friction on driven piles in soft Bangkok clay[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1992, 29(3): 393-404.

[17] JGJ94—2008, 建筑桩基技术规范[S].

JGJ94—2008, Technical code for building pile foundations[S].

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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278170，51478165)

通讯作者：孔纲强(1982-)，男，浙江磐安人，教授，博士，从事桩-土相互作用及能量桩技术方面的教学与科研; E-mail: gqkong1@163.com

中图分类号：473.1

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)05-0821-06