地基—基礎(chǔ)接觸面研究綜述

栗學(xué)梅 劉巖磊 牛紅章

(1．河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，河北石家莊 050000;2．河北人地生態(tài)工程有限公司，河北石家莊 050000;3．河南省豫北水利勘測設(shè)計院，河南安陽 455000)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模越來越大，用于基礎(chǔ)設(shè)計和施工的費用也越來越高，采用合理的基礎(chǔ)方式可以在滿足工程要求的前提下顯著降低工程造價、節(jié)約建筑材料，樁—土共同作用分析重要性日益突顯。

接觸面對地基—基礎(chǔ)相互作用和基礎(chǔ)承載力有極大的影響，研究地基—基礎(chǔ)共同作用［1，2］關(guān)鍵在于研究接觸面。

本文對國內(nèi)外地基—基礎(chǔ)接觸面研究［3-6］進行總結(jié)，并對其研究方向進行展望。

1 接觸面本構(gòu)模型和試驗方法

由于土與結(jié)構(gòu)接觸面在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)不同于土和結(jié)構(gòu)材料，其中涉及到了復(fù)雜的非線性、大變形、局部不連續(xù)等問題，因此其研究具有極大的難度。目前，土與結(jié)構(gòu)接觸面特性的研究基本上都是通過試驗獲取應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，而后據(jù)此建立相關(guān)的本構(gòu)模型并將在工程中進行應(yīng)用和驗證。

目前常用的試驗方法有直剪試驗、單剪試驗和扭剪試驗三種試驗方法，三種方法各有優(yōu)缺點，其中單剪試驗實用性較強，使用較多。

針對接觸面提出了本構(gòu)模型主要包括雙曲線模型、三參數(shù)模型、彈性模型、彈塑性模型、剛塑性模型和損傷模型等，其中剛塑性模型和非線性彈性模型由于編程簡便而應(yīng)用較多。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

殷宗澤進行了試樣尺寸為45 cm×45 cm的土與混凝土接觸面的大尺寸試樣試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，他認為土與結(jié)構(gòu)接觸面有一定的厚度，其變形為剛—塑性變形，據(jù)此提出了一種新型的有厚度薄層單元剛塑性模型，并且指出了確定薄層單元厚度的方法，最后分別采用Goodman模型、Clough模型和他提出的有厚度薄層單元剛塑性模型對某土壩防滲墻的方案進行了計算對比，證明他提出的有厚度薄層單元剛塑性模型具有一定的先進性。胡黎明對砂土和結(jié)構(gòu)接觸面進行了試驗，根據(jù)試驗結(jié)果對接觸面破壞機理進行了分析，針對試驗過程中的應(yīng)變軟化和剪脹現(xiàn)象，提出了粗糙接觸面的損傷力學(xué)本構(gòu)模型。佴磊認為樁土接觸面法向應(yīng)力與深度和作用時間均有關(guān)系，與土體重度和泊松比間關(guān)系不大，其變化規(guī)律為:σn=Ae-Bt+C，最終穩(wěn)定于C。雷曉燕根據(jù)接觸面的幾何變形條件、力學(xué)平衡條件建立了關(guān)于節(jié)點接觸應(yīng)力的方程，可以直接用于有限單元軟件計算。盧廷浩通過大量試驗指出采用薄層單元耦合本構(gòu)模型模擬粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特征更為合理。曹衛(wèi)平提出一個改進后的雙曲線模型，對地基土固結(jié)、樁周土切向剛度變化等問題給予了解答。許宏發(fā)等通過試驗對比指出了粘性土對接觸面粗糙程度的不敏感，一般混凝土樁與粘性土之間的摩擦系數(shù)為0．25～0．4;砂性土對接觸面粗糙程度比較敏感，一般混凝土樁與砂土之間的摩擦系數(shù)為0．5～1．0，并且指出了接觸面剪切剛度與法向壓力存在相同的變化趨勢。徐澤友等通過試驗結(jié)果對比認為法向應(yīng)力增加后接觸面的抗剪強度與粘性土內(nèi)部的抗剪強度也會隨之增加，但接觸面的抗剪強度提高的比例要大于粘性土內(nèi)部的抗剪強度提高的比例，最終破壞會發(fā)生在粘性土內(nèi)部。

3 國外研究現(xiàn)狀

Goodman提出了一種無厚度的四節(jié)點巖石單元模擬接觸面，通過賦予其法向和切向剛度來反映接觸面的滑移和張裂。Ghaboussi與Zienkiewicz針對Goodman模型的缺陷對其進行了一定的修正。Clough在試驗基礎(chǔ)上提出了一個簡單實用的模型。Katona針對不考慮厚度的節(jié)理、斷層等位移不連續(xù)場問題提出了無剛度系數(shù)的兩節(jié)點接觸摩擦單元，可以模擬物體間的滑動摩擦、張開和閉合過程，并且可以較為方便的進行有限元編程。Desai指出接觸面厚度可以取寬度的1/100～1/10，采用薄層四邊形單元模擬接觸面，其法向剛度由土、結(jié)構(gòu)的特性及土與結(jié)構(gòu)接觸面的應(yīng)力狀態(tài)決定，切向剛度由接觸面的剪切性狀決定，并且接觸面本構(gòu)關(guān)系應(yīng)考慮損傷問題。

國外研究成果中Goodman提出的接觸單元對后人的研究具有指導(dǎo)意義，大多數(shù)接觸面本構(gòu)模型都是在其基礎(chǔ)上進行的修正，在此對Goodman無厚度接觸單元進行詳細介紹。

Goodman無厚度接觸單元假定接觸面上的法向應(yīng)力、剪應(yīng)力與法向相對位移和切向相對位移之間無交叉影響，接觸面上任意一點的應(yīng)力為:

其中，σs為接觸面切向應(yīng)力;σn為接觸面法向應(yīng)力;u為樁與接觸面切向相對滑移量;v為樁與接觸面法向相對壓縮量;ks為樁土接觸面切向剛度;kn為樁土接觸面法向剛度。

4 展望

地基—基礎(chǔ)接觸面剛度對工程影響較大，目前的研究成果還不夠，受試驗條件限制，室內(nèi)試驗成果具有一定局限性，考慮以后可以設(shè)計專門的現(xiàn)場試驗對地基—基礎(chǔ)接觸面剛度進行研究。

［1］宰金珉，宰金璋．高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993．

［2］陳仲頤，葉書麟．基礎(chǔ)工程學(xué)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997．

［3］周愛兆，盧廷浩．土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性研究現(xiàn)狀與展望［J］．河海大學(xué)學(xué)報，2007，35(5):524-528．

［4］陳國興．土與結(jié)構(gòu)材料界面性狀的研究概況［J］．世界地震工程，1994(4):1-9．

［5］葉建忠，周 健．樁土協(xié)同工作的接觸面研究現(xiàn)狀［J］．西部探礦工程，2004(2):9-11．

［6］Goodman R．F．，Taylor R．L．，Brekke T．L．．A Model for the Mechanics of Jointed Rock，JournSoil Mech．＆ Found．Div．，ASCE，1968(94):637-660．