2.2　红层软岩长大直径桥梁嵌岩桩荷载传递机理

2.2.1　红层软岩力学特性

湖南红层隶属于华南区，共有大小红层盆地80余个，大致可分为湘东南区、湘北区及湘西区，总面积达36467km2，约占全省面积的20.5％。以衡阳盆地为主体的湘东南区白垩系发育良好，广泛分布于茶陵、永兴、醴陵、攸县、株洲、湘潭、长沙、平江等地的北北东向山间盆地中，属新华夏系构造控制的一级沉降带次级沉降区。湘北地区以洞庭盆地为主体，仅在其西部桃源、常德、石门、临澧一带出露，大部分隐伏于第四系之下，为新华夏系构造一级沉降带的沉降盆地。湘西地区白垩系发育较好，以沅（陵）麻（阳）盆地为主题，呈北东向延伸，受北东向至北北东向弧形构造控制，属新华夏系构造一级沉降带的次级沉降区。

湘浏地洼盆地内广泛分布着内陆湖相沉积的白垩系—第三系砾岩、砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，均为软质岩石。长期以来，地学工作者以基础性理论研究为主，偏重于地质历史的重建，注重于支配地球变化的一般规律的探究；工程技术人员则注重于研究其工程性质、岩土体的加固与改良。

2.2.2　基桩的荷载传递机理

桩—土（岩）体系的荷载传递机理：

桩基础由基桩和连接桩顶的承台组成，通过桩端阻力及桩侧阻力来承担竖向荷载。作为主要传力构件的基桩与土（岩）的界面主要为桩侧表面，桩底只占接触总面积的很小部分（一般低于1％），桩侧界面是影响桩向周围土体传递荷载的重要因素，甚至是主要途径。如图2-4所示，桩侧土与桩身存在黏聚力和正应力两种。黏聚力只有当桩土发生相对位移时才逐渐发挥作用。桩土间发生相对位移时，正应力产生摩擦力（土颗粒的滚动摩擦力和滑动摩擦力）。随着桩土位移的增大，摩擦力逐渐变为单一的滑动摩擦力。桩土位移进一步增大时，土颗粒间的黏聚力丧失，侧摩阻力由峰值强度降到残余强度。对于嵌岩桩，由于基岩压缩性一般很低，发挥侧摩阻力所需相对位移主要靠桩身压缩。研究表明，发挥侧阻力所需的相对位移量在3～8mm之间，砂土较小、黏土稍大些。由于侧阻力是随着桩土相对位移的发展而逐渐发展的，故紧靠基岩部分的桩侧阻力可能因为位移关系而不能完全发挥作用。竖向荷载作用下，桩身上部先受到压缩而发生相对于土的向下位移，使桩周土在桩侧界面产生向下的摩阻力，摩阻力以剪切形式将荷载传递给桩周土体，这部分剪切荷载最终将扩散传递到桩端持力层。荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服摩阻力并通过它向土中扩散的过程，因而桩身轴力沿着深度逐渐减小；在桩端处，桩身轴力则与桩端土反力平衡，桩端持力层在桩底反力作用下产生压缩使桩身下沉，桩与桩间土的相对位移使摩阻力进一步发挥作用。随着桩顶荷载增加，上述过程周而复始，直到变形稳定，荷载的传递过程方才结束。

图2-4　桩土侧摩阻力

由于桩身压缩量的累积，上部桩身的位移总是大于下部，因而上部的摩阻力总先于下部发挥作用。桩侧摩阻力达到极限后一般保持不变，进而随着荷载的增加而调动下部摩阻力发挥作用，直到整个桩身的摩阻力全部达到极限，继续增加的荷载就完全由桩端持力层承担；当桩底荷载达到极限端阻力时，桩身便发生急剧下沉而发生破坏。

按荷载传递机理，根据桩侧极限阻力Qsu、桩端极限阻力Qpu与极限荷载Qu的比值可将桩划分为四大类型，见表2-7。

表2-7　桩按荷载传递机理分类