樁－土接觸面靜動(dòng)力特性研究進(jìn)展

劉 濤，彭華中，王 勇，王艷麗

（1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070；2.武漢市測(cè)繪研究院，武漢 430022；3.中國(guó)科學(xué)院a.武漢巖土力學(xué)研究所；b.巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071；4.長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

樁－土接觸面靜動(dòng)力特性研究進(jìn)展

劉 濤1，彭華中2，王 勇3a，3b，王艷麗4

（1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070；2.武漢市測(cè)繪研究院，武漢 430022；3.中國(guó)科學(xué)院a.武漢巖土力學(xué)研究所；b.巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071；4.長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

尋求合適的方法對(duì)接觸面的微觀變形機(jī)理展開(kāi)深入和系統(tǒng)的研究，闡明樁－土接觸面力學(xué)特性的本質(zhì)；開(kāi)展特殊土與樁接觸界面的靜動(dòng)力特性研究，提高樁基在復(fù)雜地質(zhì)條件下的可靠度。簡(jiǎn)要回顧了國(guó)內(nèi)外有關(guān)樁－土接觸面靜動(dòng)力學(xué)特性的研究進(jìn)展，闡述了樁－土接觸面在靜力和動(dòng)力試驗(yàn)、接觸面本構(gòu)模型、接觸面單元以及樁－土接觸模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中所取得的成果，并分析了以上研究中存在的問(wèn)題與不足，對(duì)有效把握樁基承載性能及類似工程的研究具有重要的意義。

樁－土接觸；靜動(dòng)力特性；本構(gòu)模型；接觸面單元

1 研究背景

隨著城市建設(shè)、公路、鐵路以及橋梁等工程的快速發(fā)展，建（構(gòu)）筑物面臨越來(lái)越多的復(fù)雜地質(zhì)條件，樁基礎(chǔ)因其在處理復(fù)雜地基方面具有良好的優(yōu)越性而在實(shí)際工程中被普遍采用。然而，由于樁體與各種地質(zhì)體之間材料性質(zhì)的顯著性差異，在不同氣候環(huán)境以及復(fù)雜應(yīng)力條件下，樁體與地質(zhì)體間產(chǎn)生不一致的變形，致使樁－土接觸面上產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)、滑移或者開(kāi)裂等非連續(xù)變形，從而形成復(fù)雜的樁－土接觸面力學(xué)特性。特別是對(duì)于摩擦樁的側(cè)摩阻力發(fā)揮，樁－土接觸面力學(xué)特性將產(chǎn)生不容忽視的影響，進(jìn)而影響到樁基承載力的發(fā)揮。實(shí)際工程中的樁基礎(chǔ)除承受靜力荷載外，還經(jīng)常遇到諸如重型車輛、高速列車、波浪以及地震經(jīng)過(guò)時(shí)的振動(dòng)荷載作用，而樁－土接觸面力學(xué)特性是解決樁－土相互作用問(wèn)題的前提，因此開(kāi)展在各種復(fù)雜應(yīng)力路徑和復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁－土接觸面靜動(dòng)力學(xué)特性研究，對(duì)于有效把握樁基承載性能具有重要的意義［1］。

目前接觸面的試驗(yàn)研究缺乏對(duì)于工程實(shí)際中廣泛存在的樁－土接觸面動(dòng)力學(xué)特性的研究，尤其是缺乏對(duì)復(fù)雜動(dòng)力特性的研究、不同應(yīng)力加載方式的大型試驗(yàn)儀器研發(fā)，缺乏更具有適用性的本構(gòu)模型來(lái)描述復(fù)雜應(yīng)力條件和應(yīng)力路徑下的樁－土接觸面的靜動(dòng)力學(xué)特性以及完善接觸面單元從而更有效地模擬樁－土相互作用的復(fù)雜力學(xué)行為。本文從樁－土接觸面靜動(dòng)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究、本構(gòu)模型、接觸面單元和樁－土相互作用的模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究展開(kāi)分析與討論，旨在總結(jié)現(xiàn)有樁－土接觸面力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀，分析并提出現(xiàn)有研究存在的不足，以期對(duì)今后的研究提供借鑒。

2 接觸面靜力特性研究

2.1 接觸面靜力學(xué)試驗(yàn)

接觸面靜力學(xué)特性試驗(yàn)是研究土與結(jié)構(gòu)物相互作用受力和變形規(guī)律的重要途徑，通過(guò)試驗(yàn)揭示接觸面受力變形規(guī)律，建立接觸面本構(gòu)模型，提出計(jì)算參數(shù)，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程分析中。目前，研究樁－土接觸面靜力學(xué)特性的常用試驗(yàn)主要有直剪試驗(yàn)、單剪試驗(yàn)和環(huán)剪試驗(yàn)等。

Clough［2］等通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了砂與混凝土接觸面的力學(xué)特性。Potynody［3］利用應(yīng)力控制式和應(yīng)變控制式直剪儀研究了多種土與混凝土接觸面的力學(xué)特性，總結(jié)出影響界面摩擦強(qiáng)度的4個(gè)主要因素：土質(zhì)、含水率、界面粗糙度和正應(yīng)力。Desai和Hol loway［4］則對(duì)不同密度的砂進(jìn)行了砂與混凝土接觸面的直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果用于有限元分析計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)樁－土相對(duì)變形。殷宗澤［5］等進(jìn)行了土與混凝土接觸面的大尺寸直剪試驗(yàn)，通過(guò)埋設(shè)在混凝土試樣中的微型“潛望鏡”裝置直接觀察相對(duì)位移沿接觸面的分布來(lái)研究接觸面在剪切過(guò)程中的微觀變形，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)接觸面的剪切破壞是一個(gè)由邊緣向內(nèi)部、遠(yuǎn)部發(fā)展的過(guò)程。胡黎明［6］利用改進(jìn)的直剪儀對(duì)砂土與混凝土接觸面進(jìn)行試驗(yàn)，研究了不同接觸面相對(duì)粗糙度對(duì)接觸面物理力學(xué)行為的影響，并通過(guò)數(shù)字照相技術(shù)記錄了接觸面附近土顆粒的位移情況。馮大闊［7］等利用大型三維接觸面試驗(yàn)機(jī)作為直剪試驗(yàn)儀器，研究了粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的三維力學(xué)特性。

單剪試驗(yàn)是將土樣裝在疊環(huán)內(nèi)，剪切過(guò)程中土樣沿疊環(huán)面可以產(chǎn)生一定的錯(cuò)動(dòng)變形，接觸面破壞位置不固定，且接觸面面積不變，避免了直剪試驗(yàn)中存在人為限定接觸面破壞位置、接觸面面積在剪切過(guò)程中逐漸減小等缺陷。Uesugi［8］等用矩形斷面單剪儀進(jìn)行了砂和鋼板接觸面力學(xué)特性的研究，定義了接觸面相對(duì)粗糙度并指出它是影響接觸面力學(xué)性質(zhì)的主要因素。盧延浩［9］通過(guò)單剪試驗(yàn)提出了能夠反映剪切錯(cuò)動(dòng)帶的應(yīng)力應(yīng)變特征、更恰當(dāng)?shù)啬M土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面薄層單元耦合本構(gòu)模型。高俊合［10］等進(jìn)行土與混凝土接觸面特性的大型單剪試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果分析得到剪切破壞帶及其厚度。張治軍、饒錫保［11－12］等利用聯(lián)合研制的大型疊環(huán)式單剪儀，開(kāi)展了同厚度不同含水率以及同含水率不同厚度的泥皮與混凝土板的相關(guān)單剪試驗(yàn)，研究了含水率及泥皮厚度對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響規(guī)律。周小文［13］等運(yùn)用自行研制的大型疊環(huán)式單剪儀，開(kāi)展了面板與礫層間接觸面在不同處理方式下的剪切試驗(yàn)，研究了接觸面的不同處理方式對(duì)其靜力學(xué)特性的影響。

直剪試驗(yàn)和單剪試驗(yàn)均存在剪切過(guò)程中剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分布不均勻等問(wèn)題。相比而言，扭剪試驗(yàn)可以保證接觸面的應(yīng)力應(yīng)變分布比較均勻、應(yīng)力條件較為明確且剪切面積不變。Huck［14］研制了一種環(huán)形扭剪儀來(lái)進(jìn)行動(dòng)荷載作用下的接觸面試驗(yàn)，土樣上下各有一混凝土試樣，形成2個(gè)接觸面。Yo shimi［15］等用扭剪儀對(duì)接觸面的力學(xué)特性及其影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Chen［16］用扭剪儀進(jìn)行了砂與混凝土接觸面試驗(yàn)，扭剪儀中心為混凝土柱，外部置砂樣。環(huán)剪儀可用于研究大變形、大剪切位移條件下土體的抗剪能力，其最明顯的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)過(guò)程中可以保持剪切面面積不變和試樣可以在連續(xù)的位移條件下進(jìn)行剪切。Hammound和Boumekik［17］利用環(huán)剪試驗(yàn)儀測(cè)定了黏土與不同粗糙度鋼板和混凝土板間的界面應(yīng)力，提出了評(píng)估大位移下樁體側(cè)摩阻力的方法。朱俊高［18］等以土與混凝土接觸面的一系列剪切試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)直剪儀、單剪儀以及環(huán)剪儀在應(yīng)用于接觸面應(yīng)力變形及強(qiáng)度特性試驗(yàn)中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析，得出環(huán)剪試驗(yàn)用于接觸面強(qiáng)度特性的研究較合適。目前實(shí)驗(yàn)室普遍應(yīng)用的環(huán)剪儀因受到試樣尺寸的限制，使其在模擬接觸面剪切帶厚度方面存在局限，并且接觸面的變形過(guò)程只有采用特殊技術(shù)才能觀測(cè)到，僅從宏觀切向應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律中還難以辨識(shí)出真實(shí)的接觸面力學(xué)性狀。隨著試驗(yàn)要求的不斷提高，需要能夠更真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，因此，未來(lái)大型環(huán)剪試驗(yàn)儀器將成為今后發(fā)展的方向。

采取以上試驗(yàn)儀器基本可以揭示出樁－土接觸面的力學(xué)特性。但是，接觸面力學(xué)性能并非只是受制于各種宏觀因素，剪切過(guò)程中接觸面的微觀演化特征也同樣對(duì)其力學(xué)特性有著重要的影響。此外，接觸面破壞過(guò)程是一個(gè)漸進(jìn)式破壞，對(duì)其過(guò)程進(jìn)行合理的試驗(yàn)?zāi)M也有助于進(jìn)一步研究接觸面力學(xué)特性對(duì)樁－土相互作用的影響規(guī)律。目前，所用接觸面靜力學(xué)試驗(yàn)儀器大部分是在直剪儀或單剪儀基礎(chǔ)上根據(jù)研究需要作適當(dāng)改進(jìn)而成，改進(jìn)的儀器只針對(duì)特定的研究需要，故存在一定的局限性。因此，研制出適應(yīng)性更好的試驗(yàn)儀器是樁－土接觸面力學(xué)特性進(jìn)一步深入研究的前提。

2.2 接觸面靜力本構(gòu)模型

接觸面研究中最基礎(chǔ)、最重要的內(nèi)容之一是接觸面本構(gòu)模型的研究，目前已發(fā)展的主要模型有：雙曲線模型、剛塑性模型、三參數(shù)模型、彈塑性模型和損傷模型等。

Clough［19］等根據(jù)直剪試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為τw（抗剪強(qiáng)度－含水率曲線）關(guān)系呈雙曲線關(guān)系而建立雙曲線本構(gòu)模型，由于該模型中參數(shù)比較容易確定，應(yīng)用較為廣泛。Brandt［20］經(jīng)過(guò)深入的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，提出一個(gè)簡(jiǎn)化的剛塑性模型來(lái)描述接觸面切向應(yīng)力和變形，用2條折線來(lái)描述（τ／σ）w（抗剪剛度－含水率曲線）的曲線關(guān)系。Boulon［21］等提出了接觸面彈塑性模型，因模型非常復(fù)雜而未能得到推廣使用。Desai［22］等首次將損傷力學(xué)的基本理論應(yīng)用于接觸面本構(gòu)關(guān)系，為接觸面的研究提供了新的思路。

殷宗澤［5］等認(rèn)為，接觸面的破壞是由邊緣向內(nèi)部逐漸發(fā)展的過(guò)程，提出了考慮接觸面錯(cuò)動(dòng)變形的剛塑性模型。欒茂田［23］等將非線性彈性理論與彈塑性理論相結(jié)合，提出了一種用于模擬土與結(jié)構(gòu)相互作用體系的變形與破壞機(jī)理的非線性彈性－理想塑性模型。陳慧遠(yuǎn)［24］將接觸面上的剪應(yīng)力與剪切位移簡(jiǎn)化成彈塑性曲線關(guān)系，對(duì)于界面和材料非線性問(wèn)題采用雙重迭代求解方法，提出了能較客觀反映接觸面特性的彈塑性模型。錢家歡［25］認(rèn)為，接觸面的相對(duì)位移與應(yīng)力的關(guān)系呈現(xiàn)的是黏彈塑性，提出了接觸面的黏彈塑性模型。孫吉主［26］等基于接觸面的宏細(xì)觀物理特征，將彈性模量取為法向壓力的指數(shù)函數(shù)，將滑動(dòng)面抽象為鋸齒面以考慮結(jié)構(gòu)表面粗糙度的影響，將摩擦系數(shù)取為塑性功的雙曲線函數(shù)，建立了單調(diào)加載條件下鈣質(zhì)砂與結(jié)構(gòu)接觸面的彈塑性增量本構(gòu)模型。沈珠江［27］從損傷力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，建立了一個(gè)可以考慮黏土結(jié)構(gòu)破損的損傷力學(xué)模型，該模型能夠很好地描述原狀土、破損段以及破損后3個(gè)階段的不同特性，并且能夠定量分析土體結(jié)構(gòu)破損的過(guò)程。胡黎明［6］在考慮接觸面的粗糙度的基礎(chǔ)上，根據(jù)土與結(jié)構(gòu)接觸面的直剪試驗(yàn)結(jié)果，建立了粗糙接觸面的損傷力學(xué)模型。楊林德［28］等以接觸面內(nèi)部缺陷分布的隨機(jī)性為出發(fā)點(diǎn)，依據(jù)連續(xù)強(qiáng)度理論和統(tǒng)計(jì)理論，建立了參數(shù)少、概念明確的土與結(jié)構(gòu)物接觸面的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，并指出存在接觸面厚度，但接觸面厚度的大小與應(yīng)力峰值點(diǎn)無(wú)關(guān)。

目前各研究者根據(jù)相應(yīng)的靜力學(xué)試驗(yàn)研究成果使接觸面靜力本構(gòu)模型的研究取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，能夠理想化地模擬不同地質(zhì)體與樁體間的接觸行為，但由于模型往往存在考慮影響因素單一或者各種影響因素的耦合性不強(qiáng)而不能模擬復(fù)雜應(yīng)力路徑的問(wèn)題，使得現(xiàn)有本構(gòu)模型還不能滿足工程實(shí)際的需要。

2.3 接觸面靜力接觸單元

目前用于數(shù)值分析的接觸面單元主要有無(wú)厚度單元、有厚度薄層單元和接觸面摩擦單元。

Goodman［29］提出了能夠模擬接觸的滑移和張裂的4節(jié)點(diǎn)無(wú)厚度單元，因概念明確、應(yīng)用方便而被廣泛應(yīng)用。但是法向剛度的選定帶有一定的隨意性，且不能反映接觸面切向變形和法向變形的耦合特征。Desai［22］等提出了能夠模擬黏接、滑移、脫開(kāi)和愈合等各種接觸樁－土的有厚度薄層單元。該接觸面薄層單元因剪切剛度由試驗(yàn)確定、法向剛度由薄層單元及相鄰的實(shí)體單元的性質(zhì)確定，受到研究者的廣泛認(rèn)可。Katona［30］提出了一種能夠模擬兩物體間的滑動(dòng)摩擦、張開(kāi)或閉合過(guò)程的不同剛度系數(shù)的簡(jiǎn)單接觸摩擦兩節(jié)點(diǎn)單元，從而避免了對(duì)剛度系數(shù)測(cè)試的困難和不準(zhǔn)確性。

邵偉［31］等綜合Goodman單元與Desai薄層單元的優(yōu)點(diǎn)，即在單元數(shù)值模型中，在有厚度Goodman單元模型基礎(chǔ)上借鑒Desai構(gòu)筑接觸面單元的思想引入控制嵌入的方法，提出了用于接觸面模擬的非線性薄層單元。杜成斌［32］等在接觸面的法向采用了考慮法向變形的雙曲線模型、切向采用了考慮應(yīng)變硬化的雙曲線模型，提出了能夠模擬結(jié)構(gòu)或接觸問(wèn)題的三維非線性接觸單元。潘玉濤［33］等將樁－土接觸面由理想彈塑性的切向彈簧簡(jiǎn)化成薄壁單元，通過(guò)理論分析給出了一種彈簧切向剛度與薄壁單元剪切剛度的換算式，通過(guò)改變薄壁單元的強(qiáng)度參數(shù)來(lái)模擬樁－土接觸面的強(qiáng)度性質(zhì)，從而合理地預(yù)測(cè)樁－土接觸面在豎向荷載作用下的變形性狀。

總之，接觸面單元的研究經(jīng)歷了從無(wú)厚度單元到有厚度薄層單元，再到摩擦單元的漸進(jìn)式發(fā)展過(guò)程。有厚度薄層單元相對(duì)于無(wú)厚度單元因其考慮了法向與切向變形的耦合影響而被廣泛使用，摩擦單元因其能夠綜合考慮更多的影響因素而成為今后研究的重要方向。

3 接觸面動(dòng)力特性研究

3.1 接觸面動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

樁承受的動(dòng)力荷載分為縱向和橫向2種情況。當(dāng)樁作為不同建筑物基礎(chǔ)時(shí)，所承受的動(dòng)力荷載類型是不同的，可大致分為低頻率且作用時(shí)間較長(zhǎng)的循環(huán)荷載和短延時(shí)沖擊型動(dòng)力荷載。由于振動(dòng)荷載復(fù)雜的動(dòng)力特性以及加載方式和加載路徑的不同，樁－土接觸面在動(dòng)力作用下會(huì)產(chǎn)生不同于靜力時(shí)的力學(xué)特性。樁－土接觸面動(dòng)力學(xué)特性的研究需要有特殊的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)儀器以及相關(guān)的動(dòng)本構(gòu)模型，來(lái)開(kāi)展復(fù)雜應(yīng)力下的動(dòng)力特性研究，以便更深入的揭示接觸面動(dòng)力特性。

Desai［34］等研制了多自由度循環(huán)剪切儀（CYM DOF）對(duì)接觸面的靜力和動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Egucki［35］用單剪儀進(jìn)行了砂與混凝土接觸面的動(dòng)力特性研究，指出當(dāng)接觸面粗糙時(shí)在循環(huán)荷載施加初期有應(yīng)變軟化現(xiàn)象。Kishida［36］等在迭環(huán)式單剪儀的基礎(chǔ)上把原來(lái)固定土樣下部的底座用混凝土塊代替形成土與混凝土接觸面，在法向施加正弦波激振力來(lái)模擬振動(dòng)荷載，利用該改裝的振動(dòng)單剪儀研究了砂與鋼板之間的動(dòng)力學(xué)特性。

吳軍師［37］等利用Kishida等改裝的振動(dòng)單剪儀研究了土與混凝土接觸面動(dòng)力剪切勁度與土的剪切模量的關(guān)系，建立了能反映接觸面動(dòng)力性質(zhì)的關(guān)系式。俞培基［38］等借助DTC－158型扭轉(zhuǎn)型共振柱儀開(kāi)展了粗糙與光滑接觸面的對(duì)比試驗(yàn)，在理論分析的基礎(chǔ)上證實(shí)了土體在粗糙或者光滑接觸面上發(fā)生相對(duì)滑移的剪應(yīng)變臨界條件，并采用剛度適中的薄層單元模擬了接觸面動(dòng)力學(xué)特性。張嘎［39－41］等研制了大型土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切儀（TH＝20T CSASSI），接觸面尺寸為50 cm×36 cm，并用其進(jìn)行了大量的粗糙土與結(jié)構(gòu)接觸的靜動(dòng)力學(xué)特性研究，探討了接觸面的可逆性與不可逆性剪脹規(guī)律。馮大闊［1，42］等運(yùn)用80T三維多功能土工試驗(yàn)機(jī)，研究了粗粒土與人造粗糙鋼板形成的接觸面在單剪條件以及切向加載路徑和切向控制方式等循環(huán)剪切作用下的動(dòng)力學(xué)特性。

以上接觸面動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)基本上都是在靜力學(xué)試驗(yàn)儀器（直剪儀和單剪儀）的基礎(chǔ)上作適當(dāng)改進(jìn)而成，通過(guò)改變加載方式來(lái)模擬動(dòng)力荷載，或者將阻尼比考慮為接觸面特性的影響因素等方式來(lái)開(kāi)展接觸面的動(dòng)力試驗(yàn)，能夠較系統(tǒng)地研究各影響因素對(duì)接觸面動(dòng)力特性的影響規(guī)律。但是對(duì)于復(fù)雜動(dòng)力荷載，如海洋樁基承受的風(fēng)荷載、海浪沖擊荷載和地震荷載等多種動(dòng)力荷載耦合作用的模擬試驗(yàn)研究，以及考慮動(dòng)載荷的加載速率對(duì)接觸面微觀變形機(jī)制的研究相對(duì)較少。另外，膨脹土等特殊土與基樁接觸時(shí)，在動(dòng)力荷載作用下產(chǎn)生的變形與一般砂土和黏性土等與基樁接觸時(shí)存在其特殊性。因此，需要進(jìn)一步深入地開(kāi)展特殊土與樁接觸界面動(dòng)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究。

3.2 接觸面動(dòng)力本構(gòu)模型

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于動(dòng)力本構(gòu)模型的研究不多，在大部分樁－土接觸面的動(dòng)力分析中還是借助靜力本構(gòu)關(guān)系，少數(shù)在此基礎(chǔ)上提出非常簡(jiǎn)單的非線性彈性動(dòng)力本構(gòu)模型。

Desai［43］在彈性模型的基礎(chǔ)上根據(jù)接觸面的循環(huán)荷載試驗(yàn)，提出了循環(huán)荷載作用下接觸面的非線性彈性模型。Drumm［44］等將接觸面的法向壓力、切向應(yīng)力、砂的密度和循環(huán)次數(shù)作為切向剛度的影響因素，采用修正的Ramberg－Osgood模型描述了混凝土接觸面性能試驗(yàn)的循環(huán)剪應(yīng)力－相對(duì)錯(cuò)動(dòng)位移關(guān)系。張嘎［39－41］等根據(jù)大量的粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面靜動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果建立的接觸面彈塑性損傷模型能夠合理地模擬諸如循環(huán)荷載作用下接觸面的動(dòng)力響應(yīng)。孫吉主［45］等基于邊界面思想，建立了能同時(shí)考慮法向應(yīng)力和相對(duì)密度、適用于動(dòng)力分析的接觸面的邊界面塑性模型，通過(guò)砂與混凝土接觸面循環(huán)剪切試驗(yàn)成果驗(yàn)證了模型的合理性。

3.3 動(dòng)力接觸單元

Toki［46］等最早將Goodman單元引進(jìn)到結(jié)構(gòu)與地基的動(dòng)力相互作用的分析中來(lái)模擬地震作用下土與結(jié)構(gòu)接觸面的滑移和分離現(xiàn)象，并編制了有限元程序來(lái)解決具有表面基礎(chǔ)和埋入基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力相互作用問(wèn)題。Zaman［47］等采用Desai的薄層單元模擬了土與結(jié)構(gòu)接觸面在動(dòng)荷載下的滑移、分離以及重新閉合現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了薄層單元在描述接觸面動(dòng)力性能上的合理性。王滿生［48］等在Good man單元的基礎(chǔ)上引入了阻尼比提出了樁－土接觸面單元的阻尼矩陣，依此研究樁－土動(dòng)力分析中的能量耗散問(wèn)題。

目前，接觸面的動(dòng)力接觸單元主要是根據(jù)動(dòng)力荷載作用時(shí)接觸面的變形特性，在靜力接觸單元的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。雖然能夠反映部分動(dòng)力接觸的宏觀特性，卻忽視了在動(dòng)荷載作用下樁－土接觸的微觀變形過(guò)程。完善接觸面動(dòng)力特性研究，需要結(jié)合接觸面微觀變形機(jī)理對(duì)動(dòng)力接觸單元有更深入和細(xì)致的了解。

4 接觸面模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

樁－土接觸面的力學(xué)特性研究是樁－土相互作用研究的重要內(nèi)容，通過(guò)接觸面的力學(xué)特性演化規(guī)律揭示樁側(cè)摩阻力的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而研究樁基荷載傳遞規(guī)律及其承載性能。模型試驗(yàn)是在室內(nèi)模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將理論研究進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)各種影響因素進(jìn)行綜合分析。

徐和［49］等在室內(nèi)鋼圓筒中開(kāi)展了不同砂土干重度與模型單樁軸向抗拔力的模型試驗(yàn)，研究了砂土內(nèi)摩擦角與樁的側(cè)向抗拔系數(shù)的關(guān)系。張國(guó)強(qiáng)［50］等通過(guò)室內(nèi)模型靜載試驗(yàn)，研究了不同荷載下膨脹土地基中樁基的荷載傳遞特性、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的變化規(guī)律以及二者的荷載分擔(dān)比例關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明：模型樁的荷載傳遞以側(cè)摩阻力為主；樁側(cè)摩阻力和樁端阻力均與樁頂荷載呈線性增加關(guān)系。苗鵬［51］等開(kāi)展了膨脹土收縮過(guò)程中基樁負(fù)摩阻力的產(chǎn)生與變化規(guī)律。王年香［52］等通過(guò)大型模型試驗(yàn)研究了膨脹土浸水軟化及膨脹過(guò)程中樁側(cè)摩阻力和脹切力的變化規(guī)律。

由于室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M因素有限，使樁－土相互作用、受力特性以及變形特性等仍與實(shí)際工程有較大差別，試驗(yàn)結(jié)果也不能反映原型形態(tài)，因此開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)軌蛴行浹a(bǔ)室內(nèi)試驗(yàn)的不足。Nell［53］等在超固結(jié)硬黏土中開(kāi)展了鋼管樁高承臺(tái)群樁靜載試驗(yàn)，研究了樁－土相對(duì)位移對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響規(guī)律。劉金礪［54］等在粉土地基中開(kāi)展了不同樁徑、不同樁長(zhǎng)的單樁和雙樁的現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)，研究了群樁效應(yīng)對(duì)樁間土壓實(shí)變形和地基整體壓縮變形的影響、樁在載荷作用下沉降的相互作用以及樁群外側(cè)土的變形范圍等相互作用規(guī)律。

室內(nèi)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)是接觸面力學(xué)特性的綜合研究，有利于清晰地認(rèn)識(shí)樁－土相互作用機(jī)理，能夠?yàn)閷?shí)際工程提供更為可靠的理論指導(dǎo)。然而，受試驗(yàn)設(shè)備和經(jīng)費(fèi)等諸多因素的影響，以及樁基邊界條件和土層特性的不可控性，大比例模型試驗(yàn)一般條件下難以實(shí)施。

5 研究不足及建議

樁基礎(chǔ)是工程建設(shè)中最常采用的基礎(chǔ)形式之一，因樁－土接觸面問(wèn)題對(duì)于樁基承載性能具有重要的影響，所以接觸面力學(xué)特性的研究在樁－土相互作用研究中占有舉足輕重的地位。在前述分析現(xiàn)有研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為有以下幾個(gè)方面值得后續(xù)研究關(guān)注。

（1）目前接觸面的試驗(yàn)研究主要集中在接觸面靜力特性上，而對(duì)于工程實(shí)際中廣泛存在著的動(dòng)力接觸問(wèn)題研究還比較缺乏。考慮復(fù)雜動(dòng)力特性及應(yīng)力加載方式的大型試驗(yàn)儀器亟待發(fā)展，以便為接觸面動(dòng)本構(gòu)模型、動(dòng)接觸單元的進(jìn)一步探索提供充分可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ)。此外，大部分樁－土接觸面試驗(yàn)主要針對(duì)的是一般砂土和黏土，而較少有濕陷性黃土、膨脹土、紅黏土和凍土等特殊地質(zhì)體的研究。開(kāi)展特殊土與樁接觸界面的靜動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)是樁－土接觸的研究深入發(fā)展的需要。

（2）樁－土接觸面力學(xué)特性的研究最重要的是接觸面靜動(dòng)本構(gòu)模型的研究，目前靜力本構(gòu)模型的研究較多，主要是各研究者根據(jù)研究需要而提出的具有特殊針對(duì)性的模型，適應(yīng)性不強(qiáng)，且模型參數(shù)多，計(jì)算復(fù)雜，考慮影響因素相對(duì)單一，耦合性不強(qiáng)。因此，需要發(fā)展更具有適用性的本構(gòu)模型來(lái)描述樁－土接觸面的動(dòng)力學(xué)特性。

（3）接觸面單元是接觸面數(shù)值模擬的關(guān)鍵問(wèn)題之一。對(duì)于接觸面單元的選取，研究者根據(jù)各自的研究提出了相應(yīng)的改進(jìn)與創(chuàng)新。但是，目前數(shù)值模擬中接觸單元還存在不足，對(duì)于接觸面單元需要開(kāi)展更進(jìn)一步的深入研究，以便完善現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法。

（4）對(duì)于樁－土接觸面問(wèn)題的研究，目前較多的是針對(duì)接觸面影響因素的研究，而對(duì)于接觸面在剪切過(guò)程中的微觀變形機(jī)理涉及較少。土體是由非連續(xù)性碎散介質(zhì)組成，在剪切過(guò)程中接觸面產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)、滑移以及開(kāi)裂等非連續(xù)性變形會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)特性出現(xiàn)很大的差異性，特別是動(dòng)力荷載作用時(shí)，同時(shí)存在的剪脹剪縮現(xiàn)象對(duì)樁－土相互作用以及樁體受力變形造成不容忽視的影響。因此，有必要尋求合適的方法對(duì)剪切過(guò)程接觸面的微觀變形展開(kāi)深入研究，才能闡清樁－土接觸力學(xué)特性的本質(zhì)。

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［52］王年香，顧榮偉，章為民，等.膨脹土中單樁性狀的模型試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（1）：56－60.（WANG Nian xiang，GU Rong wei，ZHANGWei min，et al.Model Tests on Behaviour of Single Pile in Expansive Soil［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30（1）：56－60.（in Chinese））

［53］O’NELL M W，HAWKINS R S，MAHAR L J.Load Transfer Mechanisms in Pile and Pile Groups［J］.Geotechnical Engineering，ASCE，1982，108（12）：1606－1623.

［54］劉金礪，黃 強(qiáng)，李 華，等.豎向荷載下群樁變形性狀及沉降計(jì)算［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1995，17（6）：1－13.（LIU Jin li，HUANG Qiang，LIHua，et al.Deform ation Behaviour and Settlement Calculation of Pile Group under Vertical Load［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1995，17（6）：1－13.（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Research Progress in Static and Dynam ic Characteristics of Pile Soil Interface

LIU Tao1，PENG Hua zhong2，WANG Yong3，WANG Yan li4
（1.School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.Wuhan Institute of Surveying and Mapping，Wuhan 430022，China；3.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China；4.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The research progresses in static and dynamics tests，constitutivemodels，interface elements，model tests and field tests of pile soil interface are summarized，and the problems and deficiencies in the current research are analyzed.It is pointed out that research on the dynamic characteristics of pile soil interfacewidely seen in practical engineering are in lack.Especially，big size experimental instruments which can realize different loading methods to research the complex dynamic characteristics should be developed.More suitable constitutive model should be developed to describe the complexmechanical behaviors under complex stress conditions and different stress paths，and the interface element should be improved.It is necessary to seek a suitablemethod to intensively and systemati cally study themicroscopic deformationmechanism so as to clarify themechanism of itsmechanical properties.Re search on static and dynamic characteristics of interface between piles and problematic soils should be carried out to improve the reliability of pile foundation under complex geological conditions.

pile soil interface；static and dynamic characteristics；constitutivemodel；interface element

TU473.1

A

1001－5485（2013）12－0074－08

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.12.014 2013，30（12）：74－81

2013－03－25；

2013－04－19

國(guó)家自然科學(xué)基金（41102229）；湖北省自然科學(xué)基金（2011CDB407）

劉 濤（1987－），男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)檐浲恋鼗幚?，（電話?5827137341（電子信箱）liutao1987702＠126.com。