2.3　硬土軟巖考慮粗糙度影響的樁基荷載傳遞機(jī)理

2.3.1　硬土軟巖特性

硬土軟巖是一種特殊黏性巖土。它的強(qiáng)度研究更是一個(gè)復(fù)雜的重要課題。實(shí)踐也證明硬土軟巖的強(qiáng)度較之普通黏土要復(fù)雜得多。已有的研究表明，硬土軟巖抗剪強(qiáng)度既具有一般黏土的共性，又有別于一般黏土的特殊性，而且表現(xiàn)出一種典型的“變動(dòng)強(qiáng)度”的特性和規(guī)律。

在硬土軟巖地質(zhì)條件下的鉆孔施工中，不能將硬土軟巖作為一般的巖石看待，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到硬土軟巖邊坡的“變動(dòng)強(qiáng)度”特征，加強(qiáng)對(duì)硬土軟巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)的研究，這對(duì)鉆孔灌注樁側(cè)摩阻力驗(yàn)算具有重要的意義。

2.3.2　基樁荷載傳遞機(jī)理

樁基的荷載傳遞是樁基工作性能的核心內(nèi)容，從廣義的意義上來說，指的是樁基在外荷載作用下樁—土體系中各個(gè)部分反應(yīng)的總體表現(xiàn)，它包括荷載的分配、傳遞方式，地基土和樁身以及樁端共同承擔(dān)外荷載的相互關(guān)系，構(gòu)成樁—土承載力的各個(gè)分量的形成、發(fā)揮過程和分布規(guī)律。

樁—土相互作用機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，盡管國內(nèi)外許多巖土工程科學(xué)工作者和工程師曾通過樁基原位試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、工程監(jiān)測和理論分析等多種途徑進(jìn)行過大量試驗(yàn)研究，迄今為止也只是對(duì)軸向承載豎樁的荷載傳遞過程有了一定的認(rèn)識(shí)，荷載傳遞分析是樁基設(shè)計(jì)計(jì)算的理論基礎(chǔ)。樁的荷載傳遞理論揭示的是樁—土之間力的傳遞與變形協(xié)調(diào)的規(guī)律，因而它是樁的承載力機(jī)理和樁—土共同作用分析的重要理論依據(jù)。

2.3.2.1　樁、土體系荷載傳遞的一般過程

基礎(chǔ)的功能在于把荷載傳遞給地基土。作為樁基主要傳力構(gòu)件的基樁是一種細(xì)長的桿件，它與土的界面主要為側(cè)表面，底面只占樁與土的接觸總面積的很小部分（一般低于1％），其表明樁側(cè)界面是樁向土傳遞荷載重要的，甚至是主要的途徑。

當(dāng)豎向荷載逐步施加于樁頂時(shí)，樁身上部受到壓縮而產(chǎn)生相對(duì)于樁周土的向下位移，與此同時(shí)，樁身側(cè)表面受到土向上摩阻力的作用，樁身荷載通過所發(fā)揮出來的摩阻力傳遞給樁周土體，致使樁身荷載和樁身壓縮變形隨深度遞減。在樁土相對(duì)位移等于零處，樁側(cè)摩阻力尚未開始發(fā)揮作用而等于零。在加荷的初始階段，摩阻力與位移近似地呈直線關(guān)系。隨著荷載繼續(xù)增加，樁身的壓縮量和位移量增大，樁身下部的摩阻力隨之逐步調(diào)動(dòng)起來，從而將荷載也部分傳給樁端土層并使其壓縮和產(chǎn)生樁端阻力。樁端土層的壓縮導(dǎo)致樁土相對(duì)位移加大，樁身摩阻力進(jìn)一步發(fā)揮作用，當(dāng)樁側(cè)摩阻力全部發(fā)揮出來達(dá)到極限后，位移繼續(xù)增大，樁側(cè)摩阻力便保持不變。樁側(cè)摩阻力與位移的關(guān)系如圖2-5所示。摩阻力達(dá)到極限時(shí)的位移與土的性質(zhì)有關(guān)，在硬黏土中約為5～6mm，在砂性土中約為4～10mm。樁上部側(cè)阻力發(fā)揮作用遠(yuǎn)比樁的下部早，而樁側(cè)摩阻力又總是比樁端阻力更早地得到發(fā)揮。樁側(cè)摩阻力發(fā)揮至極限后，若繼續(xù)增加荷載，其荷載增量將全部由樁端阻力承擔(dān)。若荷載增大至使樁端持力層大量壓縮和塑性擠出，位移將顯著加大，直至樁端阻力達(dá)到極限而破壞。此時(shí)樁所承受的荷載就是樁的極限承載力。樁端持力層的壓縮變形服從的壓應(yīng)力—豎向位移關(guān)系Sb=f（σb），如圖2-6所示。

樁側(cè)阻力與樁端阻力的一些規(guī)律：樁的承載力主要由兩部分組成，一是樁側(cè)摩阻力，二是樁端阻力。前人對(duì)這兩方面做了一些研究。在這里就對(duì)這兩方面研究的一些結(jié)論進(jìn)行總結(jié)。

2.3.2.2　樁側(cè)阻力的傳遞規(guī)律

作用在樁頂?shù)呢Q向荷載通常由樁側(cè)阻力和樁端阻力共同承受。單樁豎向承載力是樁土共同工作的結(jié)果，所以單樁工作性能研究是單樁豎向承載力分析的基礎(chǔ)。

1.樁側(cè)阻力的發(fā)揮性狀

豎向荷載作用下單樁樁側(cè)阻力的受力性狀是一個(gè)傳統(tǒng)而又極具實(shí)際意義的問題，目前已有大量研究。Terzaghi（1948）曾建議用現(xiàn)場載荷試驗(yàn)來測量和分析樁側(cè)阻力，這一建議和方法至今仍是研究樁側(cè)阻力的重要手段之一。理論研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，在豎向荷載作用下，樁身及樁底土發(fā)生壓縮變形，樁及樁側(cè)土之間將產(chǎn)生相對(duì)位移，從而導(dǎo)致樁側(cè)土體對(duì)樁身產(chǎn)生摩擦阻力。該摩阻力帶動(dòng)樁側(cè)土體產(chǎn)生位移，在樁周土體產(chǎn)生剪應(yīng)變和剪應(yīng)力。該剪應(yīng)變和剪應(yīng)力一環(huán)一環(huán)地向外擴(kuò)散至零。沿深度方向，在樁頂荷載通過樁身逐步向下傳遞的過程中，由于要不斷克服樁側(cè)阻力，所以樁身軸力會(huì)不斷減小。

2.樁側(cè)阻力—樁土相對(duì)位移關(guān)系

樁側(cè)阻力的發(fā)揮與許多因素有關(guān)，其中最直接的便是樁土相對(duì)位移。試驗(yàn)表明，只要樁土出現(xiàn)微小的相對(duì)位移，即會(huì)產(chǎn)生樁側(cè)阻力。

3.樁側(cè)阻力的深度效應(yīng)

在某一土層中，當(dāng)樁入土達(dá)到一定深度后，側(cè)阻力便不再隨深度增加而增大，即樁側(cè)阻力的深度效應(yīng)，該深度稱為側(cè)阻的臨界深度。關(guān)于砂土的側(cè)阻臨界深度，目前根據(jù)模型樁試驗(yàn)得出了一些不盡相同的結(jié)論。而關(guān)于黏性土中樁側(cè)阻力的深度效應(yīng)，由于試驗(yàn)研究還少，其變化規(guī)律尚有待進(jìn)一步研究。

4.樁側(cè)阻力的成樁效應(yīng)

成樁施工工藝也是影響樁側(cè)阻工作性能的重要因素。對(duì)于打入樁或振動(dòng)沉樁，在成樁過程中對(duì)樁側(cè)土體的擠壓作用，會(huì)導(dǎo)致側(cè)阻力發(fā)生變化，如對(duì)飽和黏土，由于成樁時(shí)對(duì)樁側(cè)土體的擠壓、擾動(dòng)、浸潤及重塑，會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，使土體強(qiáng)度降低，樁側(cè)阻力減小。隨成樁后時(shí)間的增長，孔隙水壓力消散及黏土的重固結(jié)和觸變恢復(fù)，導(dǎo)致樁側(cè)阻力產(chǎn)生時(shí)間效應(yīng)，即樁側(cè)阻力會(huì)顯著增加。對(duì)鉆孔灌注樁等非擠土樁，由于成樁時(shí)使孔壁應(yīng)力松弛，導(dǎo)致土的強(qiáng)度降低，使樁側(cè)阻力亦隨之降低。

2.3.2.3　樁端阻力的傳遞規(guī)律

1.樁端土體的發(fā)揮形狀

實(shí)測資料表明：樁側(cè)阻力一般先于樁端阻力發(fā)揮，當(dāng)樁側(cè)阻力充分發(fā)揮時(shí)，樁端阻力尚遠(yuǎn)未發(fā)揮。要使樁端阻力能充分發(fā)揮，則需要更多的樁頂沉降量。實(shí)際上，由于樁端土除受樁尖荷載作用外，還受到樁側(cè)阻力及樁端平面以上土體自重的作用，其分析相當(dāng)復(fù)雜。樁端阻力的破壞機(jī)理與擴(kuò)展式基礎(chǔ)的破壞機(jī)理相似，有整體剪切破壞、局部剪切破壞和沖剪破壞三種形式。樁端土的破壞模式取決于樁端土層性質(zhì)、樁埋深、成樁效應(yīng)及加荷速率等因素。

2.樁端阻力—樁端位移關(guān)系

要獲得較大的樁端阻力，樁端位移量必須較大。Bowles（1987）指出，充分發(fā)揮樁底極限強(qiáng)度需要的樁端位移，打入樁約為樁底直徑的10％，鉆孔樁約為底部直徑的30％。對(duì)樁端為土的樁，發(fā)揮樁端阻力極限值所需的樁端位移為：一般黏性土約為0.25d（d為樁端直徑），硬黏性土約為0.1d，砂類土約為0.08d～0.1d；對(duì)嵌巖樁，當(dāng)清底干凈時(shí)，二者幾乎呈直線關(guān)系。Randolph（1978）根據(jù)彈性力學(xué)方法推導(dǎo)出樁端阻力與樁端位移呈線性關(guān)系。曹漢志（1986）和陳龍珠等（1994）根據(jù)實(shí)測資料將樁端阻力—樁端位移簡化為雙折線模型。

3.樁端阻力的深度效應(yīng)

當(dāng)樁端進(jìn)入均勻土層的深度h小于某一深度時(shí)，其極限端阻力隨深度呈線性增加；當(dāng)h大于該深度時(shí)，極限端阻力將保持不變，該深度稱為端阻力的臨界深度，該現(xiàn)象稱樁端阻力的深度效應(yīng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，樁端持力層承載力越低，則端阻臨界深度越小。端阻臨界深度受上覆壓力影響較大，且隨樁徑的增大而增大。此外，樁端土層的軟弱下臥層對(duì)端阻將產(chǎn)生影響。當(dāng)樁端和軟弱下臥層的距離小于某一厚度時(shí)，端阻力將降低。

4.樁端阻力的成樁效應(yīng)

成樁工藝也是影響樁端阻力的因素。對(duì)非擠土樁，因樁端土體出現(xiàn)擾動(dòng)、虛土或沉渣，使樁端土體應(yīng)力松弛，從而使樁端阻力降低。對(duì)擠土樁，由于成樁過程中樁端附近土體被擠密，使樁端阻力降低。對(duì)于松散狀態(tài)的土體，擠密效果較佳；反之，對(duì)較密實(shí)的土體，其擠密效果較差。

2.3.3　樁土界面研究

由上面分析可知，為求得比較準(zhǔn)確的樁豎向承載力，必須要對(duì)樁土所組成的共同體系進(jìn)行考慮。對(duì)于超長大直徑鉆孔灌注樁，摩阻力起主要作用。樁側(cè)摩阻力是樁土之間相互作用而產(chǎn)生的結(jié)果，只有當(dāng)樁土之間產(chǎn)生相對(duì)位移或有相對(duì)位移趨勢時(shí)，摩阻力才能得到發(fā)揮。在進(jìn)行荷載傳遞機(jī)理研究時(shí)，必須要了解樁土接觸面的力學(xué)性狀，建立合理的力學(xué)模型以及合理的力學(xué)參數(shù)。

在接觸問題中，結(jié)構(gòu)的材料性能與周圍土層性質(zhì)相差較大，在一定的受力條件下在其接觸面上產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)滑移或開裂，接觸面的變形和受力比較復(fù)雜。對(duì)于這種情況，正確的分析接觸面受力變形機(jī)理、剪切破壞發(fā)生的位置、接觸面的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系等，并能在計(jì)算中正確的模擬，對(duì)于數(shù)值分析是至關(guān)重要的。以本書關(guān)注的混凝土樁與土的接觸為例，樁的變形很小，而土在荷載作用下有較大的壓縮，受到樁的摩阻力后，便將荷載通過剪應(yīng)力傳遞給樁。因此必須采用適當(dāng)?shù)慕佑|面來模擬樁—土間的相對(duì)滑動(dòng)。

接觸面的研究主要包括兩個(gè)方面：一是接觸面上的本構(gòu)關(guān)系，即接觸面的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系；二是接觸面單元，為充分反映接觸面的受力及變形特性，應(yīng)采用能模擬接觸面變形的特殊單元。

本書第四章從這三個(gè)方面分別進(jìn)行了闡述：1）接觸面單元；2）接觸面本構(gòu)關(guān)系；3）摩擦衰減模型。