2.4　軟巖長大直徑橋梁嵌巖樁復(fù)合樁基荷載傳遞機(jī)理

2.4.1　軟巖的簡介

從20世紀(jì)60年代到90年代，關(guān)于軟巖還沒有一個統(tǒng)一的概念。何滿潮等在充分研究前人關(guān)于軟巖概念的基礎(chǔ)上，提出了地質(zhì)軟巖和工程軟巖的概念。

地質(zhì)軟巖是指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱巖層，該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖，是天然形成的復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)。國際巖石力學(xué)學(xué)會將軟巖定義為單軸抗壓強(qiáng)度（σc）在0.5～25MPa之間的一類巖石，其分類依據(jù)是巖石的強(qiáng)度指標(biāo)。在國內(nèi)，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）將σc在30～15MPa的巖石稱為較軟巖，15～5MPa為軟巖，小于5MPa為極軟巖。這類定義用于工程實(shí)踐會產(chǎn)生矛盾，當(dāng)?shù)貞?yīng)力水平足夠低時，σc小于25MPa的巖石也不會產(chǎn)生軟巖的特征；反之，當(dāng)?shù)貞?yīng)力水平足夠高時，σc小于25MPa的巖石也可以產(chǎn)生軟巖的大變形。因此地質(zhì)軟巖的定義不能用于工程實(shí)踐，故提出工程軟巖的概念。

工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。其中工程巖體是軟巖工程研究的主要對象，包含巖塊結(jié)構(gòu)面及其空間組合特征。工程力是指作用在工程巖體上力的總和，它可以是重力、構(gòu)造殘余應(yīng)力、水的作用力和工程擾動力以及膨脹應(yīng)力等。顯著的塑性變形是指以塑性變形為主體的變形量超過工程設(shè)計允許的變形，并影響了工程的正常使用，它包含顯著的彈塑性變形、黏彈塑性變形、連續(xù)性變形和非連續(xù)性變形等。

工程軟巖和地質(zhì)軟巖的關(guān)系是，當(dāng)工程荷載相對于地質(zhì)軟巖的強(qiáng)度足夠小時，地質(zhì)軟巖不產(chǎn)生軟巖顯著塑性變形力學(xué)特征，即不作為工程軟巖，只有在工程力作用下發(fā)生了顯著變形的地質(zhì)軟巖，才作為工程軟巖；在大深度，高應(yīng)力作用下，部分地質(zhì)硬巖也呈現(xiàn)出顯著的變形特征，則應(yīng)視其為工程軟巖。

軟巖之所以能夠產(chǎn)生顯著塑性變形的原因，是因?yàn)檐泿r中的泥質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)面控制了軟巖的工程力學(xué)特性。一般來說，軟巖具有可塑性、膨脹性、崩解性、分散性、流變性、觸變性和離子交換性。圖2-7為工地現(xiàn)場的軟巖地基。

2.4.2　基樁的豎向荷載傳遞機(jī)理研究

2.4.2.1　樁身側(cè)阻力分布特征

如不考慮樁身軸力分布非單調(diào)引起的側(cè)阻力峰值（此時會出現(xiàn)負(fù)峰值），當(dāng)樁承受壓力時，樁身的側(cè)阻力分布仍有多個峰值。劉利民等（1998）認(rèn)為當(dāng)樁底側(cè)阻力有強(qiáng)化效應(yīng)時，樁身側(cè)阻力分布會呈R形，并用Meyerhof的樁基破壞模式對這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，但其理論不能解釋樁身中段出現(xiàn)峰值的情況；陳斌等（2002）通過對嵌巖樁的側(cè)阻力分布進(jìn)行有限元模擬得到有多個峰值的情況；劉金礪（2005）認(rèn)為當(dāng)樁身嵌入硬質(zhì)巖時側(cè)阻力分布只有一個峰值，嵌入軟質(zhì)巖時有兩個峰值（B形），如圖2-8所示。

劉金礪等（1995）通過對粉土中的非擠土群樁和軟土中的擠土群樁模型試驗(yàn)結(jié)果分析，認(rèn)為群樁在“小荷載下樁身下部側(cè)阻力先行發(fā)揮而以貫入沉降為主，與單樁的荷載傳遞特性恰恰相反”，也就是說其側(cè)阻力分布是梯形的。韓煊等（2005）做了北京地區(qū)的粉土中群樁足尺試驗(yàn)，其結(jié)論是單樁的“側(cè)阻力分布形式主要受樁本身剛度和樁端土性影響，可根據(jù)具體情況看作矩形或梯形分布”；而“群樁的側(cè)阻力分布形式主要由樁土承臺三者相互作用的特點(diǎn)決定”；“群樁中平均樁側(cè)阻力相對于單樁受到削弱”，“樁土承臺相互作用的具體表現(xiàn)是對上段的削弱和下段的增強(qiáng)”；“群樁對樁端阻力有‘增強(qiáng)作用’”。韓煊的實(shí)際結(jié)果中樁側(cè)阻力分布是B形、R形和梯形的，并且隨著荷載水平的增加而變化。但是巖石的側(cè)阻力與樁巖相對位移的函數(shù)以及巖石與樁身材料彈性模量的比值都不同于土，所以全嵌巖大直徑樁的側(cè)阻力分布應(yīng)是與之有區(qū)別的。

綜合上述文獻(xiàn)的分析，筆者認(rèn)為群樁側(cè)阻力的分布是很復(fù)雜的，它受到樁周介質(zhì)的材料特性和分層特征、樁與周圍介質(zhì)的彈性模量的比值、施工因素、樁頂所受荷載水平、相鄰樁的相互作用和承臺的作用等因素相關(guān)。群樁應(yīng)該具有單樁的側(cè)阻力分布特征，但其肯定會受到單樁所不具備的一些因素的影響，如何確定這些影響的方式和程度還需要進(jìn)一步的研究。

2.4.2.2　基樁樁頂軸力和位移的關(guān)系

根據(jù)9.1節(jié)軟巖中長大直徑嵌巖樁復(fù)合樁基的原型觀測試驗(yàn)的測試結(jié)果，可得到群樁基礎(chǔ)中基樁樁頂軸力和位移的關(guān)系，如圖2-9所示。

群樁基礎(chǔ)中基樁的樁頂受力情況很復(fù)雜。各個基樁由于平面位置的不同，樁頂所受載荷情況有差異。另外大直徑樁由于橫截面較大，造成截面中心和四周的差異顯著。由圖2-9可見，8號樁和15號樁的樁頂軸力與位移的曲線比較平緩，總體來說位移隨軸力單調(diào)遞增，但由于樁頂荷載的重分配而有波動；其樁頂沉降不大，所以基樁的軸向剛度很大。19號（角樁）樁頂?shù)妮S力與位移的曲線波動較大，其樁頂現(xiàn)受壓，再受拉，最后又受壓。

通過對大直徑群樁基礎(chǔ)基樁荷載傳遞性狀的長期監(jiān)測，我們發(fā)現(xiàn)承臺底的應(yīng)力分布是隨時空動態(tài)變化的，可以發(fā)現(xiàn)：①群樁樁頂?shù)暮奢d分布復(fù)雜且隨空間位置各異，隨時間動態(tài)變化；②在被監(jiān)測對象中，軟巖地基中基樁樁頂軸力分布是中間大四周小，所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)節(jié)群樁基礎(chǔ)的設(shè)計；③根據(jù)軟巖地基中基樁的荷載傳遞特性，上部荷載主要由樁的側(cè)阻力承擔(dān)，所以可認(rèn)為其是端承摩擦樁；④軟巖地基中基樁的樁側(cè)阻力的分布特征復(fù)雜，其沿樁身的側(cè)阻力曲線有多個峰值；⑤大直徑嵌巖樁的軸向剛度大，承載能力高，是一種適合于高、大、重結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式。其具體的計算方法在本書的第五章中將會詳細(xì)講述。