地基—基础接触面研究综述

栗学梅 刘岩磊 牛红章

(1．河北省地矿局水文工程地质勘查院，河北石家庄 050000;2．河北人地生态工程有限公司，河北石家庄 050000;3．河南省豫北水利勘测设计院，河南安阳 455000)

0 引言

随着我国国民经济的发展，工程建设规模越来越大，用于基础设计和施工的费用也越来越高，采用合理的基础方式可以在满足工程要求的前提下显著降低工程造价、节约建筑材料，桩—土共同作用分析重要性日益突显。

接触面对地基—基础相互作用和基础承载力有极大的影响，研究地基—基础共同作用［1，2］关键在于研究接触面。

本文对国内外地基—基础接触面研究［3-6］进行总结，并对其研究方向进行展望。

1 接触面本构模型和试验方法

由于土与结构接触面在荷载作用下的力学响应不同于土和结构材料，其中涉及到了复杂的非线性、大变形、局部不连续等问题，因此其研究具有极大的难度。目前，土与结构接触面特性的研究基本上都是通过试验获取应力—应变关系，而后据此建立相关的本构模型并将在工程中进行应用和验证。

目前常用的试验方法有直剪试验、单剪试验和扭剪试验三种试验方法，三种方法各有优缺点，其中单剪试验实用性较强，使用较多。

针对接触面提出了本构模型主要包括双曲线模型、三参数模型、弹性模型、弹塑性模型、刚塑性模型和损伤模型等，其中刚塑性模型和非线性弹性模型由于编程简便而应用较多。

2 国内研究现状

殷宗泽进行了试样尺寸为45 cm×45 cm的土与混凝土接触面的大尺寸试样试验，根据试验结果，他认为土与结构接触面有一定的厚度，其变形为刚—塑性变形，据此提出了一种新型的有厚度薄层单元刚塑性模型，并且指出了确定薄层单元厚度的方法，最后分别采用Goodman模型、Clough模型和他提出的有厚度薄层单元刚塑性模型对某土坝防渗墙的方案进行了计算对比，证明他提出的有厚度薄层单元刚塑性模型具有一定的先进性。胡黎明对砂土和结构接触面进行了试验，根据试验结果对接触面破坏机理进行了分析，针对试验过程中的应变软化和剪胀现象，提出了粗糙接触面的损伤力学本构模型。佴磊认为桩土接触面法向应力与深度和作用时间均有关系，与土体重度和泊松比间关系不大，其变化规律为:σn=Ae-Bt+C，最终稳定于C。雷晓燕根据接触面的几何变形条件、力学平衡条件建立了关于节点接触应力的方程，可以直接用于有限单元软件计算。卢廷浩通过大量试验指出采用薄层单元耦合本构模型模拟粗粒土与结构接触面的力学特征更为合理。曹卫平提出一个改进后的双曲线模型，对地基土固结、桩周土切向刚度变化等问题给予了解答。许宏发等通过试验对比指出了粘性土对接触面粗糙程度的不敏感，一般混凝土桩与粘性土之间的摩擦系数为0．25～0．4;砂性土对接触面粗糙程度比较敏感，一般混凝土桩与砂土之间的摩擦系数为0．5～1．0，并且指出了接触面剪切刚度与法向压力存在相同的变化趋势。徐泽友等通过试验结果对比认为法向应力增加后接触面的抗剪强度与粘性土内部的抗剪强度也会随之增加，但接触面的抗剪强度提高的比例要大于粘性土内部的抗剪强度提高的比例，最终破坏会发生在粘性土内部。

3 国外研究现状

Goodman提出了一种无厚度的四节点岩石单元模拟接触面，通过赋予其法向和切向刚度来反映接触面的滑移和张裂。Ghaboussi与Zienkiewicz针对Goodman模型的缺陷对其进行了一定的修正。Clough在试验基础上提出了一个简单实用的模型。Katona针对不考虑厚度的节理、断层等位移不连续场问题提出了无刚度系数的两节点接触摩擦单元，可以模拟物体间的滑动摩擦、张开和闭合过程，并且可以较为方便的进行有限元编程。Desai指出接触面厚度可以取宽度的1/100～1/10，采用薄层四边形单元模拟接触面，其法向刚度由土、结构的特性及土与结构接触面的应力状态决定，切向刚度由接触面的剪切性状决定，并且接触面本构关系应考虑损伤问题。

国外研究成果中Goodman提出的接触单元对后人的研究具有指导意义，大多数接触面本构模型都是在其基础上进行的修正，在此对Goodman无厚度接触单元进行详细介绍。

Goodman无厚度接触单元假定接触面上的法向应力、剪应力与法向相对位移和切向相对位移之间无交叉影响，接触面上任意一点的应力为:

其中，σs为接触面切向应力;σn为接触面法向应力;u为桩与接触面切向相对滑移量;v为桩与接触面法向相对压缩量;ks为桩土接触面切向刚度;kn为桩土接触面法向刚度。

4 展望

地基—基础接触面刚度对工程影响较大，目前的研究成果还不够，受试验条件限制，室内试验成果具有一定局限性，考虑以后可以设计专门的现场试验对地基—基础接触面刚度进行研究。

［1］宰金珉，宰金璋．高层建筑基础分析与设计［M］．北京:中国建筑工业出版社，1993．

［2］陈仲颐，叶书麟．基础工程学［M］．北京:中国建筑工业出版社，1997．

［3］周爱兆，卢廷浩．土与结构接触面力学特性研究现状与展望［J］．河海大学学报，2007，35(5):524-528．

［4］陈国兴．土与结构材料界面性状的研究概况［J］．世界地震工程，1994(4):1-9．

［5］叶建忠，周 健．桩土协同工作的接触面研究现状［J］．西部探矿工程，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．