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(cè)設(shè)計(jì)院，河南安陽(yáng) 455000)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模越來越大，用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工的費(fèi)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(jià)、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(duì)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(duì)國(guó)內(nèi)外地基—基礎(chǔ)接觸面研究［3-6］進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)其研究方向進(jìn)行展望。

1 接觸面本構(gòu)模型和試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)行應(yīng)用和驗(yàn)證。

目前常用的試驗(yàn)方法有直剪試驗(yàn)、單剪試驗(yàn)和扭剪試驗(yàn)三種試驗(yàn)方法，三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中單剪試驗(yàn)實(shí)用性較強(qiáng)，使用較多。

針對(duì)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(jiǎn)便而應(yīng)用較多。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

殷宗澤進(jìn)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(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，他認(rèn)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?jiǎng)偹苄阅Ｐ?，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?jiǎng)偹苄阅Ｐ蛯?duì)某土壩防滲墻的方案進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，證明他提出的有厚度薄層單元?jiǎng)偹苄阅Ｐ途哂幸欢ǖ南冗M(jìn)性。胡黎明對(duì)砂土和結(jié)構(gòu)接觸面進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)接觸面破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，針對(duì)試驗(yàn)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(rèn)為樁土接觸面法向應(yīng)力與深度和作用時(shí)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(diǎn)接觸應(yīng)力的方程，可以直接用于有限單元軟件計(jì)算。盧廷浩通過大量試驗(yàn)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(gè)改進(jìn)后的雙曲線模型，對(duì)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(yàn)對(duì)比指出了粘性土對(duì)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(duì)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(shì)。徐澤友等通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比認(rèn)為法向應(yīng)力增加后接觸面的抗剪強(qiáng)度與粘性土內(nèi)部的抗剪強(qiáng)度也會(huì)隨之增加，但接觸面的抗剪強(qiáng)度提高的比例要大于粘性土內(nèi)部的抗剪強(qiáng)度提高的比例，最終破壞會(huì)發(fā)生在粘性土內(nèi)部。

3 國(guó)外研究現(xiàn)狀

Goodman提出了一種無厚度的四節(jié)點(diǎn)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(duì)Goodman模型的缺陷對(duì)其進(jìn)行了一定的修正。Clough在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的模型。Katona針對(duì)不考慮厚度的節(jié)理、斷層等位移不連續(xù)場(chǎng)問題提出了無剛度系數(shù)的兩節(jié)點(diǎn)接觸摩擦單元，可以模擬物體間的滑動(dòng)摩擦、張開和閉合過程，并且可以較為方便的進(jìn)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(guó)外研究成果中Goodman提出的接觸單元對(duì)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(jìn)行的修正，在此對(duì)Goodman無厚度接觸單元進(jìn)行詳細(xì)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(duì)位移和切向相對(duì)位移之間無交叉影響，接觸面上任意一點(diǎn)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(duì)滑移量;v為樁與接觸面法向相對(duì)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(duì)工程影響較大，目前的研究成果還不夠，受試驗(yàn)條件限制，室內(nèi)試驗(yàn)成果具有一定局限性，考慮以后可以設(shè)計(jì)專門的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)地基—基礎(chǔ)接觸面剛度進(jìn)行研究。

［1］宰金珉，宰金璋．高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計(jì)［M］．北京:中國(guó)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(guó)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(bào)，2007，35(5):524-528．

［4］陳國(guó)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．