2.3　硬土软岩考虑粗糙度影响的桩基荷载传递机理

2.3.1　硬土软岩特性

硬土软岩是一种特殊黏性岩土。它的强度研究更是一个复杂的重要课题。实践也证明硬土软岩的强度较之普通黏土要复杂得多。已有的研究表明，硬土软岩抗剪强度既具有一般黏土的共性，又有别于一般黏土的特殊性，而且表现出一种典型的“变动强度”的特性和规律。

在硬土软岩地质条件下的钻孔施工中，不能将硬土软岩作为一般的岩石看待，应充分认识到硬土软岩边坡的“变动强度”特征，加强对硬土软岩抗剪强度参数的研究，这对钻孔灌注桩侧摩阻力验算具有重要的意义。

2.3.2　基桩荷载传递机理

桩基的荷载传递是桩基工作性能的核心内容，从广义的意义上来说，指的是桩基在外荷载作用下桩—土体系中各个部分反应的总体表现，它包括荷载的分配、传递方式，地基土和桩身以及桩端共同承担外荷载的相互关系，构成桩—土承载力的各个分量的形成、发挥过程和分布规律。

桩—土相互作用机理相当复杂，尽管国内外许多岩土工程科学工作者和工程师曾通过桩基原位试验、模型试验、工程监测和理论分析等多种途径进行过大量试验研究，迄今为止也只是对轴向承载竖桩的荷载传递过程有了一定的认识，荷载传递分析是桩基设计计算的理论基础。桩的荷载传递理论揭示的是桩—土之间力的传递与变形协调的规律，因而它是桩的承载力机理和桩—土共同作用分析的重要理论依据。

2.3.2.1　桩、土体系荷载传递的一般过程

基础的功能在于把荷载传递给地基土。作为桩基主要传力构件的基桩是一种细长的杆件，它与土的界面主要为侧表面，底面只占桩与土的接触总面积的很小部分（一般低于1％），其表明桩侧界面是桩向土传递荷载重要的，甚至是主要的途径。

当竖向荷载逐步施加于桩顶时，桩身上部受到压缩而产生相对于桩周土的向下位移，与此同时，桩身侧表面受到土向上摩阻力的作用，桩身荷载通过所发挥出来的摩阻力传递给桩周土体，致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。在桩土相对位移等于零处，桩侧摩阻力尚未开始发挥作用而等于零。在加荷的初始阶段，摩阻力与位移近似地呈直线关系。随着荷载继续增加，桩身的压缩量和位移量增大，桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来，从而将荷载也部分传给桩端土层并使其压缩和产生桩端阻力。桩端土层的压缩导致桩土相对位移加大，桩身摩阻力进一步发挥作用，当桩侧摩阻力全部发挥出来达到极限后，位移继续增大，桩侧摩阻力便保持不变。桩侧摩阻力与位移的关系如图2-5所示。摩阻力达到极限时的位移与土的性质有关，在硬黏土中约为5～6mm，在砂性土中约为4～10mm。桩上部侧阻力发挥作用远比桩的下部早，而桩侧摩阻力又总是比桩端阻力更早地得到发挥。桩侧摩阻力发挥至极限后，若继续增加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。若荷载增大至使桩端持力层大量压缩和塑性挤出，位移将显著加大，直至桩端阻力达到极限而破坏。此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。桩端持力层的压缩变形服从的压应力—竖向位移关系Sb=f（σb），如图2-6所示。

桩侧阻力与桩端阻力的一些规律：桩的承载力主要由两部分组成，一是桩侧摩阻力，二是桩端阻力。前人对这两方面做了一些研究。在这里就对这两方面研究的一些结论进行总结。

2.3.2.2　桩侧阻力的传递规律

作用在桩顶的竖向荷载通常由桩侧阻力和桩端阻力共同承受。单桩竖向承载力是桩土共同工作的结果，所以单桩工作性能研究是单桩竖向承载力分析的基础。

1.桩侧阻力的发挥性状

竖向荷载作用下单桩桩侧阻力的受力性状是一个传统而又极具实际意义的问题，目前已有大量研究。Terzaghi（1948）曾建议用现场载荷试验来测量和分析桩侧阻力，这一建议和方法至今仍是研究桩侧阻力的重要手段之一。理论研究和试验结果表明，在竖向荷载作用下，桩身及桩底土发生压缩变形，桩及桩侧土之间将产生相对位移，从而导致桩侧土体对桩身产生摩擦阻力。该摩阻力带动桩侧土体产生位移，在桩周土体产生剪应变和剪应力。该剪应变和剪应力一环一环地向外扩散至零。沿深度方向，在桩顶荷载通过桩身逐步向下传递的过程中，由于要不断克服桩侧阻力，所以桩身轴力会不断减小。

2.桩侧阻力—桩土相对位移关系

桩侧阻力的发挥与许多因素有关，其中最直接的便是桩土相对位移。试验表明，只要桩土出现微小的相对位移，即会产生桩侧阻力。

3.桩侧阻力的深度效应

在某一土层中，当桩入土达到一定深度后，侧阻力便不再随深度增加而增大，即桩侧阻力的深度效应，该深度称为侧阻的临界深度。关于砂土的侧阻临界深度，目前根据模型桩试验得出了一些不尽相同的结论。而关于黏性土中桩侧阻力的深度效应，由于试验研究还少，其变化规律尚有待进一步研究。

4.桩侧阻力的成桩效应

成桩施工工艺也是影响桩侧阻工作性能的重要因素。对于打入桩或振动沉桩，在成桩过程中对桩侧土体的挤压作用，会导致侧阻力发生变化，如对饱和黏土，由于成桩时对桩侧土体的挤压、扰动、浸润及重塑，会产生超孔隙水压力，使土体强度降低，桩侧阻力减小。随成桩后时间的增长，孔隙水压力消散及黏土的重固结和触变恢复，导致桩侧阻力产生时间效应，即桩侧阻力会显著增加。对钻孔灌注桩等非挤土桩，由于成桩时使孔壁应力松弛，导致土的强度降低，使桩侧阻力亦随之降低。

2.3.2.3　桩端阻力的传递规律

1.桩端土体的发挥形状

实测资料表明：桩侧阻力一般先于桩端阻力发挥，当桩侧阻力充分发挥时，桩端阻力尚远未发挥。要使桩端阻力能充分发挥，则需要更多的桩顶沉降量。实际上，由于桩端土除受桩尖荷载作用外，还受到桩侧阻力及桩端平面以上土体自重的作用，其分析相当复杂。桩端阻力的破坏机理与扩展式基础的破坏机理相似，有整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏三种形式。桩端土的破坏模式取决于桩端土层性质、桩埋深、成桩效应及加荷速率等因素。

2.桩端阻力—桩端位移关系

要获得较大的桩端阻力，桩端位移量必须较大。Bowles（1987）指出，充分发挥桩底极限强度需要的桩端位移，打入桩约为桩底直径的10％，钻孔桩约为底部直径的30％。对桩端为土的桩，发挥桩端阻力极限值所需的桩端位移为：一般黏性土约为0.25d（d为桩端直径），硬黏性土约为0.1d，砂类土约为0.08d～0.1d；对嵌岩桩，当清底干净时，二者几乎呈直线关系。Randolph（1978）根据弹性力学方法推导出桩端阻力与桩端位移呈线性关系。曹汉志（1986）和陈龙珠等（1994）根据实测资料将桩端阻力—桩端位移简化为双折线模型。

3.桩端阻力的深度效应

当桩端进入均匀土层的深度h小于某一深度时，其极限端阻力随深度呈线性增加；当h大于该深度时，极限端阻力将保持不变，该深度称为端阻力的临界深度，该现象称桩端阻力的深度效应。

试验结果表明，桩端持力层承载力越低，则端阻临界深度越小。端阻临界深度受上覆压力影响较大，且随桩径的增大而增大。此外，桩端土层的软弱下卧层对端阻将产生影响。当桩端和软弱下卧层的距离小于某一厚度时，端阻力将降低。

4.桩端阻力的成桩效应

成桩工艺也是影响桩端阻力的因素。对非挤土桩，因桩端土体出现扰动、虚土或沉渣，使桩端土体应力松弛，从而使桩端阻力降低。对挤土桩，由于成桩过程中桩端附近土体被挤密，使桩端阻力降低。对于松散状态的土体，挤密效果较佳；反之，对较密实的土体，其挤密效果较差。

2.3.3　桩土界面研究

由上面分析可知，为求得比较准确的桩竖向承载力，必须要对桩土所组成的共同体系进行考虑。对于超长大直径钻孔灌注桩，摩阻力起主要作用。桩侧摩阻力是桩土之间相互作用而产生的结果，只有当桩土之间产生相对位移或有相对位移趋势时，摩阻力才能得到发挥。在进行荷载传递机理研究时，必须要了解桩土接触面的力学性状，建立合理的力学模型以及合理的力学参数。

在接触问题中，结构的材料性能与周围土层性质相差较大，在一定的受力条件下在其接触面上产生错动滑移或开裂，接触面的变形和受力比较复杂。对于这种情况，正确的分析接触面受力变形机理、剪切破坏发生的位置、接触面的应力—应变关系等，并能在计算中正确的模拟，对于数值分析是至关重要的。以本书关注的混凝土桩与土的接触为例，桩的变形很小，而土在荷载作用下有较大的压缩，受到桩的摩阻力后，便将荷载通过剪应力传递给桩。因此必须采用适当的接触面来模拟桩—土间的相对滑动。

接触面的研究主要包括两个方面：一是接触面上的本构关系，即接触面的应力—应变关系；二是接触面单元，为充分反映接触面的受力及变形特性，应采用能模拟接触面变形的特殊单元。

本书第四章从这三个方面分别进行了阐述：1）接触面单元；2）接触面本构关系；3）摩擦衰减模型。