地基—基礎接觸面研究綜述

栗學梅 劉巖磊 牛紅章

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

0 引言

隨著我國國民經濟的發展，工程建設規模越來越大，用于基礎設計和施工的費用也越來越高，采用合理的基礎方式可以在滿足工程要求的前提下顯著降低工程造價、節約建筑材料，樁—土共同作用分析重要性日益突顯。

接觸面對地基—基礎相互作用和基礎承載力有極大的影響，研究地基—基礎共同作用［1，2］關鍵在于研究接觸面。

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

1 接觸面本構模型和試驗方法

由于土與結構接觸面在荷載作用下的力學響應不同于土和結構材料，其中涉及到了復雜的非線性、大變形、局部不連續等問題，因此其研究具有極大的難度。目前，土與結構接觸面特性的研究基本上都是通過試驗獲取應力—應變關系，而后據此建立相關的本構模型并將在工程中進行應用和驗證。

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模型主要包括雙曲線模型、三參數模型、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用較多。

2 國內研究現狀

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，根據試驗結果，他認為土與結構接觸面有一定的厚度，其變形為剛—塑性變形，據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。胡黎明對砂土和結構接觸面進行了試驗，根據試驗結果對接觸面破壞機理進行了分析，針對試驗過程中的應變軟化和剪脹現象，提出了粗糙接觸面的損傷力學本構模型。佴磊認為樁土接觸面法向應力與深度和作用時間均有關系，與土體重度和泊松比間關系不大，其變化規律為:σn=Ae-Bt+C，最終穩定于C。雷曉燕根據接觸面的幾何變形條件、力學平衡條件建立了關于節點接觸應力的方程，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模型模擬粗粒土與結構接觸面的力學特征更為合理。曹衛平提出一個改進后的雙曲線模型，對地基土固結、樁周土切向剛度變化等問題給予了解答。許宏發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果對比認為法向應力增加后接觸面的抗剪強度與粘性土內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部的抗剪強度提高的比例，最終破壞會發生在粘性土內部。

3 國外研究現狀

Goodman提出了一種無厚度的四節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在試驗基礎上提出了一個簡單實用的模型。Katona針對不考慮厚度的節理、斷層等位移不連續場問題提出了無剛度系數的兩節點接觸摩擦單元，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、結構的特性及土與結構接觸面的應力狀態決定，切向剛度由接觸面的剪切性狀決定，并且接觸面本構關系應考慮損傷問題。

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意義，大多數接觸面本構模型都是在其基礎上進行的修正，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力、剪應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力為:

其中，σs為接觸面切向應力;σn為接觸面法向應力;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，室內試驗成果具有一定局限性，考慮以后可以設計專門的現場試驗對地基—基礎接觸面剛度進行研究。

［1］宰金珉，宰金璋．高層建筑基礎分析與設計［M］．北京:中國建筑工業出版社，1993．

［2］陳仲頤，葉書麟．基礎工程學［M］．北京:中國建筑工業出版社，1997．

［3］周愛兆，盧廷浩．土與結構接觸面力學特性研究現狀與展望［J］．河海大學學報，2007，35(5):524-528．

［4］陳國興．土與結構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．樁土協同工作的接觸面研究現狀［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．