2.4 软岩长大直径桥梁嵌岩桩复合桩基荷载传递机理
2.4.1 软岩的简介
从20世纪60年代到90年代，关于软岩还没有一个统一的概念。何满潮等在充分研究前人关于软岩概念的基础上，提出了地质软岩和工程软岩的概念。
地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质砂岩，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度（σc）在0.5～25MPa之间的一类岩石，其分类依据是岩石的强度指标。在国内，《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）将σc在30～15MPa的岩石称为较软岩，15～5MPa为软岩，小于5MPa为极软岩。这类定义用于工程实践会产生矛盾，当地应力水平足够低时，σc小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特征；反之，当地应力水平足够高时，σc小于25MPa的岩石也可以产生软岩的大变形。因此地质软岩的定义不能用于工程实践，故提出工程软岩的概念。
工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。其中工程岩体是软岩工程研究的主要对象，包含岩块结构面及其空间组合特征。工程力是指作用在工程岩体上力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等。显著的塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过工程设计允许的变形，并影响了工程的正常使用，它包含显著的弹塑性变形、黏弹塑性变形、连续性变形和非连续性变形等。
工程软岩和地质软岩的关系是，当工程荷载相对于地质软岩的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，即不作为工程软岩，只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩；在大深度，高应力作用下，部分地质硬岩也呈现出显著的变形特征，则应视其为工程软岩。
软岩之所以能够产生显著塑性变形的原因，是因为软岩中的泥质成分和结构面控制了软岩的工程力学特性。一般来说，软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、分散性、流变性、触变性和离子交换性。图2-7为工地现场的软岩地基。
图2-7 工地现场的软岩地基
2.4.2 基桩的竖向荷载传递机理研究
2.4.2.1 桩身侧阻力分布特征
如不考虑桩身轴力分布非单调引起的侧阻力峰值（此时会出现负峰值），当桩承受压力时，桩身的侧阻力分布仍有多个峰值。刘利民等（1998）认为当桩底侧阻力有强化效应时，桩身侧阻力分布会呈R形，并用Meyerhof的桩基破坏模式对这种现象进行了解释，但其理论不能解释桩身中段出现峰值的情况；陈斌等（2002）通过对嵌岩桩的侧阻力分布进行有限元模拟得到有多个峰值的情况；刘金砺（2005）认为当桩身嵌入硬质岩时侧阻力分布只有一个峰值，嵌入软质岩时有两个峰值（B形），如图2-8所示。
图2-8 不同硬度岩石中桩侧阻力的分布
刘金砺等（1995）通过对粉土中的非挤土群桩和软土中的挤土群桩模型试验结果分析，认为群桩在“小荷载下桩身下部侧阻力先行发挥而以贯入沉降为主，与单桩的荷载传递特性恰恰相反”，也就是说其侧阻力分布是梯形的。韩煊等（2005）做了北京地区的粉土中群桩足尺试验，其结论是单桩的“侧阻力分布形式主要受桩本身刚度和桩端土性影响，可根据具体情况看作矩形或梯形分布”；而“群桩的侧阻力分布形式主要由桩土承台三者相互作用的特点决定”；“群桩中平均桩侧阻力相对于单桩受到削弱”，“桩土承台相互作用的具体表现是对上段的削弱和下段的增强”；“群桩对桩端阻力有‘增强作用’”。韩煊的实际结果中桩侧阻力分布是B形、R形和梯形的，并且随着荷载水平的增加而变化。但是岩石的侧阻力与桩岩相对位移的函数以及岩石与桩身材料弹性模量的比值都不同于土，所以全嵌岩大直径桩的侧阻力分布应是与之有区别的。
综合上述文献的分析，笔者认为群桩侧阻力的分布是很复杂的，它受到桩周介质的材料特性和分层特征、桩与周围介质的弹性模量的比值、施工因素、桩顶所受荷载水平、相邻桩的相互作用和承台的作用等因素相关。群桩应该具有单桩的侧阻力分布特征，但其肯定会受到单桩所不具备的一些因素的影响，如何确定这些影响的方式和程度还需要进一步的研究。
2.4.2.2 基桩桩顶轴力和位移的关系
根据9.1节软岩中长大直径嵌岩桩复合桩基的原型观测试验的测试结果，可得到群桩基础中基桩桩顶轴力和位移的关系，如图2-9所示。
群桩基础中基桩的桩顶受力情况很复杂。各个基桩由于平面位置的不同，桩顶所受载荷情况有差异。另外大直径桩由于横截面较大，造成截面中心和四周的差异显著。由图2-9可见，8号桩和15号桩的桩顶轴力与位移的曲线比较平缓，总体来说位移随轴力单调递增，但由于桩顶荷载的重分配而有波动；其桩顶沉降不大，所以基桩的轴向刚度很大。19号（角桩）桩顶的轴力与位移的曲线波动较大，其桩顶现受压，再受拉，最后又受压。
图2-9 桩顶轴力和位移的关系曲线
通过对大直径群桩基础基桩荷载传递性状的长期监测，我们发现承台底的应力分布是随时空动态变化的，可以发现：①群桩桩顶的荷载分布复杂且随空间位置各异，随时间动态变化；②在被监测对象中，软岩地基中基桩桩顶轴力分布是中间大四周小，所以应该根据实际情况来调节群桩基础的设计；③根据软岩地基中基桩的荷载传递特性，上部荷载主要由桩的侧阻力承担，所以可认为其是端承摩擦桩；④软岩地基中基桩的桩侧阻力的分布特征复杂，其沿桩身的侧阻力曲线有多个峰值；⑤大直径嵌岩桩的轴向刚度大，承载能力高，是一种适合于高、大、重结构的基础形式。其具体的计算方法在本书的第五章中将会详细讲述。