孔綱強(qiáng) ，孫學(xué)謹(jǐn) ，曹兆虎 ，周 楊

（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）

1 引 言

當(dāng)樁周土體沉降大于樁體沉降時(shí)，樁側(cè)將產(chǎn)生負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力不僅不承擔(dān)上部荷載，反而會(huì)產(chǎn)生可能導(dǎo)致樁基破壞的下拽力和下拽位移[1]。在負(fù)摩阻力和下拽力計(jì)算過(guò)程中涉及到一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的確定，即中性點(diǎn)位置（負(fù)摩阻力和正摩阻力轉(zhuǎn)折點(diǎn)、下拽力最大值處）的確定[2]。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)負(fù)摩阻力作用引起的下拽力、下拽位移以及中性點(diǎn)位置確定問(wèn)題開(kāi)展了系列研究并取得了一定的成果，針對(duì)下拽力和下拽位移特性，相關(guān)研究人員基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，利用預(yù)埋在樁體內(nèi)的應(yīng)力計(jì)測(cè)得下拽力和安裝在樁頂?shù)奈灰朴?jì)測(cè)得下拽位移，并初步分析了下拽力與地基土體固結(jié)時(shí)間的關(guān)系[3－4]?；谀Ｐ驮囼?yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)方法，利用分層沉降標(biāo)測(cè)得了樁周土體的分層位移，從而分析樁-土相對(duì)位移確定中性點(diǎn)位置、預(yù)埋在樁體內(nèi)的應(yīng)力計(jì)測(cè)得下拽力，初步分析了群樁負(fù)摩阻力特性[5－7]?；跀?shù)值模擬方法，相關(guān)研究人員建立了考慮樁-土相對(duì)位移、土體固結(jié)沉降等因素影響下群樁負(fù)摩阻力特性，分析群樁效應(yīng)影響下的下拽力和下拽位移特性[8－10]。針對(duì)中性點(diǎn)位置確定問(wèn)題，石美成等[11]提出利用Boussinesq 公式計(jì)算土體不同深度的附加應(yīng)力值，基于假設(shè)條件，根據(jù)附加應(yīng)力值為0 處確定為中性點(diǎn)位置。徐初來(lái)等[12]利用有限元數(shù)值模擬軟件來(lái)計(jì)算中性點(diǎn)位置。

近年來(lái)，隨著人工透明土材料[13]和PIV（particle image velocimetry）技術(shù)[14]的逐步發(fā)展，利用兩種技術(shù)的組成建立非插入式測(cè)試方法成為一種可能[15－16]。本次基于透明土材料和PIV 技術(shù)，采用非插入式測(cè)試方法開(kāi)展地面堆載作用下楔形樁和等截面樁的對(duì)比模型試驗(yàn)，測(cè)得不同地面堆載等級(jí)作用下樁體沉降與樁周土體沉降等變化規(guī)律，探討了樁-土相對(duì)位移和中性點(diǎn)位置隨地面荷載等級(jí)的變化規(guī)律。將透明土模型試驗(yàn)所得結(jié)果與建筑樁基規(guī)范[17]中給出的中性點(diǎn)位置確定方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 模型試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)工況

2.1 模型試驗(yàn)裝置

本次研究所采用的模型試驗(yàn)裝置及材料有包括光學(xué)平臺(tái)、高清數(shù)碼相機(jī)、圖像后處理軟件、加載系統(tǒng)、模型槽、模型樁、透明土和熒光砂等。光學(xué)平臺(tái)為鐵磁不銹鋼表面，蜂窩狀支撐內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，抗振性能好、確定儀器位置精度高。高清數(shù)碼相機(jī)為佳能500D，其最大分辨率為4 752×3 168，可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制可同步記錄試驗(yàn)過(guò)程。圖像后處理軟件采用PIVview2 后處理軟件。加載系統(tǒng)包括加載裝置、加載板、荷載和位移數(shù)顯系統(tǒng)。模型槽（長(zhǎng)×寬×高）為170 mm×170 mm×400 mm，壁厚5 mm，上部開(kāi)口的長(zhǎng)方體透明有機(jī)玻璃槽。

楔形樁和等截面樁模型樁，由不銹鋼材料制成，楔形樁樁長(zhǎng)145 mm（本試驗(yàn)埋入樁長(zhǎng)為133 mm）、楔形角為1°，底部樁徑為5.4 mm。等截面樁樁長(zhǎng)145 mm（本試驗(yàn)埋入樁長(zhǎng)為132 mm），樁徑為7.7 mm。為了增強(qiáng)不繡鋼材料樁側(cè)摩擦力，在模型樁側(cè)壁用502 膠粘上一層熔融石英砂，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆秾?shí)物圖及尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 模型樁實(shí)物圖及尺寸示意圖（單位：mm）Fig.1 Physical diagram and size sketch of model piles(unit:mm)

研究用透明土試樣模擬“土體”顆粒為粒徑在0.5～1.0 mm 之間的熔融石英砂（由徐州新沂萬(wàn)和礦業(yè)有限公司生產(chǎn)），模擬孔隙液體的材料為折射率與熔融石英砂一致的混合礦物油。混合礦物油由正十二烷與15 號(hào)白油按照1:4 質(zhì)量比調(diào)配而成，其折射率為1.458 5。熔融石英砂相對(duì)密度為2.186，最小干密度為0.970 g/cm3，最大干密度為1.274 g/cm3。試驗(yàn)中控制相對(duì)密實(shí)度為49%，直剪試驗(yàn)所獲得的干樣內(nèi)摩擦角為37.3°，油樣內(nèi)摩擦角為38.3°。透明土試樣物理力學(xué)性質(zhì)參考文獻(xiàn) [13]相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。制配過(guò)程中，在模型試驗(yàn)樁兩側(cè)、沿樁基深度方向?qū)ΨQ布置熒光砂，以增強(qiáng)土體沉降量的測(cè)讀。熔融石英砂實(shí)物圖見(jiàn)圖2(a)。配制而成的人工合成透明土穿過(guò)17 cm厚透明土和1 cm厚有機(jī)玻璃后的透明度圖見(jiàn)圖2(b)。

圖2 熔融石英砂和透明土透明度顯示實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of fused quartz and transparency of transparent soil

2.2 模型試驗(yàn)工況

針對(duì)兩種樁型、3 個(gè)地面堆載等級(jí)情況開(kāi)展本次試驗(yàn)研究，模型試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 模型試驗(yàn)工況Table 1 Conditions of model tests in this study

3 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 樁-土相對(duì)位移沿樁深方向分布規(guī)律

以樁體或土體沉降與平均樁徑的比值作為橫坐標(biāo)，以土層深度與樁長(zhǎng)的比值作為縱坐標(biāo)。不同地面堆載等級(jí)（41.5、57.1、72.7 kPa）條件下，歸一化樁-土相對(duì)位移沿樁深方向分布規(guī)律如圖3 所示。同一級(jí)荷載下楔形樁和等截面樁的樁-土相對(duì)位移沿樁深方向分布規(guī)律如圖4 所示。從圖3 可以看出，土體沉降沿樁深方向的規(guī)律基本一致，且均隨著深度增加土體沉降逐漸減??；相同地面堆載等級(jí)下楔形樁的樁頂沉降值比等截面樁的樁頂沉降值要大。從圖4 可以看出，本試驗(yàn)條件下相同地面堆載等級(jí)時(shí)2 組模型試驗(yàn)（楔形樁和等截面樁）中土體分層沉降規(guī)律基本一致；楔形樁和等截面樁的樁端截面面積不同，造成2 根樁的樁體沉降量存在差異。楔形樁的樁體沉降量大于等截面樁的樁體沉降量導(dǎo)致楔形樁的中性點(diǎn)位置比等截面樁中性點(diǎn)位置要高。

圖3 樁-土相對(duì)位移沿樁深方向分布規(guī)律Fig.3 Distribution of pile-soil relative displacement along pile depth

圖4 樁、土沉降隨樁深方向的分布規(guī)律曲線Fig.4 Distribution of pile and soil settlement along pile depth

3.2 樁頂下拽位移與地面堆載等級(jí)關(guān)系分析

楔形樁和等截面樁的樁頂下拽位移與地面堆載等級(jí)之間的關(guān)系曲線如圖5 所示。本試驗(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)；相同地面堆載等級(jí)下，楔形樁的樁頂下拽位移比等截面樁的樁頂下拽位移約要大30%。由此說(shuō)明，地面堆載作用下楔形樁的負(fù)摩阻力值和下拽力值較等截面樁的相應(yīng)值要小。但是，楔形樁的樁頂下拽位移較等截面樁的樁頂下拽位移要大；對(duì)于樁頂沉降控制相對(duì)較嚴(yán)格的樁基礎(chǔ)，不宜采用楔形樁形式。

圖5 樁頂下拽位移與地面堆載等級(jí)關(guān)系曲線Fig.5 Curves on downdrag of pile top vs.surcharge loads

3.3 中性點(diǎn)位置與地面堆載等級(jí)關(guān)系分析

根據(jù)樁體沉降量與土體沉降量一致的位置為中性點(diǎn)位置的確定準(zhǔn)則，本試驗(yàn)所測(cè)得的擴(kuò)底楔形樁和等截面樁的中性點(diǎn)位置與地面堆載等級(jí)關(guān)系曲線如圖6 所示。為對(duì)比分析，已有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[18－19]（Endo 等和Indraratna 等）和離心機(jī)模型試驗(yàn)[7]（Lam 等）所得相關(guān)中性點(diǎn)位置研究結(jié)果也描述在圖6 中。

圖6 中性點(diǎn)位置與地面堆載等級(jí)關(guān)系Fig.6 Relationships between neutral point position and surcharge loads

從圖6 可以看出，本試驗(yàn)所得基樁中性點(diǎn)位置隨著地面堆載等級(jí)的增加近似呈線性增長(zhǎng)；所得等截面樁中性點(diǎn)位置與已有參考文獻(xiàn)相關(guān)中性點(diǎn)位置研究成果基本一致；楔形樁的中性點(diǎn)位置明顯比等截面樁的中性點(diǎn)位置偏高?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》[17]中所給出的中性點(diǎn)位置參考建議值為（0.7～0.8）H（H為基樁埋深）范圍內(nèi)，本文試驗(yàn)所得等截面樁的中性點(diǎn)位置在（0.6～0.7）H 范圍內(nèi)，已有參考文獻(xiàn)所得中性點(diǎn)位置也在0.66H、0.48H 和0.81H 不等。

由此可知，目前建筑樁基技術(shù)規(guī)范對(duì)中性點(diǎn)位置的建議值（0.7～0.8）H 基本滿足負(fù)摩阻力作用下中性點(diǎn)位置的取值。但建筑樁基規(guī)范中砂性土的中性點(diǎn)取值范圍對(duì)于楔形樁情況并不適用，因此建議相關(guān)規(guī)范中增加考慮基樁形式等因素影響的中性點(diǎn)取值范圍（或在設(shè)計(jì)選取時(shí)，為考慮基樁截面形式等因素影響提供一個(gè)修正系數(shù)）。

4 結(jié) 論

（1）在本文試驗(yàn)條件下，楔形樁和等截面樁中性點(diǎn)位置均隨著地面堆載等級(jí)的增加而降低。楔形樁的樁頂下拽位移較等截面樁的樁頂下拽位移要大。楔形樁的中性點(diǎn)位置高于等截面樁的中性點(diǎn)位置。

（2）《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中砂性土的常規(guī)基樁中性點(diǎn)位置的取值范圍參考值，對(duì)于楔形樁情況并不適用。

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