第1章 绪论
近年来，随着“一带一路”的大力推进，四川建筑产业正在稳步提升。根据四川省住房和城乡建设厅对外发布的2017年建筑业发展报告显示，四川省2017年建筑产业首次突破万亿元大关，达1.19万亿元，同比增长19.5%，产值居西部第一，全国第五。根据《2018年四川省国民经济和社会发展统计公报》显示，四川省2018年建筑业全年增值3223.7亿元，比2017年增加4.6%。随着“十四五”规划的开展，以及成渝地区双城经济圈的确定，四川地区的公用与民用建筑、交通基础设施等必然朝着更高、更大、更深、更重的方向发展，这对基础承载力提出了更高的要求。
四川地区广泛分布红层泥岩（彭华，2011；谢强等，2018），总面积约为9.9万km2，约占全省总面积的20.4%（黄绍槟等， 2005；郭永春等，2007），是成都、遂宁、南充等四川省多个主要城市在工程建设中难以避免的岩土体。以成都地区为例，由西向东，由北向南，砂卵石层逐渐尖灭，红层泥岩逐渐出露。成都地区红层泥岩主要为白垩系上统灌口组红层泥岩，主要埋藏深度为13～100m（张宇浩，2017）。随着城市布局向东南扩展，众多高层、超高层建筑都必须选择红层泥岩作为基础持力层，如成都绿地中心主塔楼（468m）和成都天府新区秦皇寺项目主塔楼（489m）。
红层泥岩工程性质较差，具有强度低、胶结程度差、易风化等特点。天然状况下单轴抗压强度一般为2～25MPa，饱和状态下单轴抗压强度仅为0.5～4MPa（韦达仕，2005）。在荷载作用下，红层泥岩表现出复杂易变、承载力低下等不良工程特性（程强，2008）。因此，岩体力学参数值的取值决定着地基基础乃至上部建筑的设计参数。为了保障承载安全，桩基础在较长一段时期内仍是红层泥岩地基础形式的*优选择（彭柏兴等，2007，2008，2009）。然而，大量工程实践结果表明，在红层泥岩地区桩基础建设过程中，受施工工艺、地下水等因素影响，桩基孔壁粗糙度、泥皮等对桩侧摩阻力有较大影响（徐亚辉，2016；张宇浩，2017）。同时，受泥岩自身特性、水等因素影响，桩基孔壁易发生剥落、崩解从而产生桩底沉渣，会进一步影响桩端阻力（黄超，2015；王平，2016）。因此，深入研究红层泥岩岩体力学参数取值方法，掌握红层泥岩桩基侧摩阻力、端阻力发挥特性，对保证红层泥岩地区桩基承载安全和适应新时代下城市发展对桩基础的需求具有重要的理论指导意义和工程应用价值。
国内外专家学者先后对红层地区桩基做了不少研究和有益探索，但对岩体力学参数取值方法、桩侧摩阻力特性、桩底沉渣等方面的研究仍有待补足。基于上述原因，本书以成都地区红层泥岩桩基为主要研究对象，从岩体力学参数取值方法、桩侧摩阻力、桩端阻力三个方面出发，系统性研究了红层泥岩桩基竖向承载特性。
1.1 软岩嵌岩桩竖向承载研究现状
1.1.1 工程岩体力学参数取值方法
岩体的变形、受力特征直接关系着工程项目设计、施工和运营的稳定性，而岩体力学参数对岩体的稳定性起着决定性的作用。错误的取值将会导致对岩体稳定性的错误判断，甚至可能引起很严重的后果。因此，合理确定岩体力学参数直接关系着工程建设的安全性和经济性，是岩体力学领域以及工程实践建设中亟待解决的重要问题。
确定工程空间点岩体力学参数（一般指强度和变形参数）是确定工程空间岩体力学参数的基础，其方法主要包括实验方法、工程类比、经验公式法、反演分析以及模糊综合评判法（王树仁等，2007；陈龙等，2008；赖勇，张永兴，2008；南英华等，2012；李安平等，2014）。近年来，学者们普遍赞成综合多种方法以确定岩体力学参数，通过综合各方法优缺点，取长补短、相辅相成，能够使确定的岩体力学参数值更加接近真实值。
罗一忠等（1998）和唐学军等（1999）通过工程实例，较早提出通过将室内实验数据结果与现场工程地质调查、岩体分类系统、专家咨询相结合的方式来确定岩体力学参数。赵宇飞（2005）结合了贝叶斯方法、实验方法和经验方法，通过建立工程岩体强度参数后验分布密度函数，对岩体抗剪强度参数进行了预测。王树仁等（2007）基于室内实验数据，采用岩体等级（rock mass rating，RMR）和基本质量指标（basic quality，BQ）岩体分类方法，确定了工程岩土体物理力学参数，并通过数值模型验证了确定参数的合理性。赖勇和张永兴（2008）基于室内实验和损伤力学，把岩体裂隙密度参数与岩体完整性系数联系起来，并通过现场测定岩体的完整性系数，采用损伤理论确定了工程岩体参数。龙小华（2011）通过Hoek-Brown准则的地质强度指标（geological strength index，GSI）、室内岩石直剪实验和单轴抗压实验，综合确定了工程岩土体的物理力学参数。南华英（2012）首先通过综合室内外实验数据和岩体分类GSI，采用平均值的方式确定了初始值，再通过数值模拟和反演分析，*终确定了*优参数值。何满潮等（2001）在工程岩体连续性理论基础上，通过结合室内实验和数值模拟，综合确定了符合实际工程岩体力学的参数值。Tajdu（2009a、b）综合岩体分类、数值分析、反演分析和室内实验方法，采用平均值的方式确定了工程岩体弹性模量。朱正国（2007）通过经验公式、现场点荷载实验、围岩快速评价结果以及公路隧道设计规范，综合确定了隧道工程围岩的力学参数值。苑世林等（2010）将RMR和BQ岩体分类方法与室内、外实验结合，首先通过岩体分类方法得到岩体力学参数的取值范围，再结合室内、外数据，综合确定了工程岩体力学参数。武雄等（2005）基于工程类比、岩体分类系统和连通率，并结合宏观地质条件，提出了岩体抗剪强度的综合确定方法。
综上所述，采用多种方法来综合确定大型工程空间点岩体力学参数更为合理。但是，上述方法几乎都采用简单的平均值或者人为确定，且参数的确定一般是以有限个空间点岩体力学参数数据值来确定*终设计值，和实际岩体各向异性的特征不相符。
1.1.2 软岩嵌岩桩桩侧摩阻力特性
众多学者指出，若以承载力形式对软岩嵌岩桩进行分类，可将软岩嵌岩桩视为端承摩擦型桩（刘松玉等，1998；彭柏兴，2009；何泓男等，2014）。因此，侧摩阻力是总承载力不可忽略的一部分（Kou et al.，2016）。软岩嵌岩桩侧摩阻力特性的研究主要包括侧摩阻力分布模式、侧摩阻力影响因素、荷载传递特性、侧摩阻力计算取值等方面。
泥岩嵌岩桩现场实验结果表明，嵌岩桩桩侧阻力呈现双峰分布，且上部峰值位置随桩顶荷载增大会产生下移，下部峰值位置会上移，这说明侧摩阻力的发挥是一个异步过程（蔡江东和姜振泉，2006）。刘衡等（2013）认为嵌岩桩侧摩阻力分布模式有上大下小式、上小下大式、两头大中间小式、双峰式和抛物式。也有学者认为嵌岩桩侧阻力分布模式由于岩层、嵌岩深度、施工工艺等因素的不同而不同，不能一概而论。以武汉地区的微风化泥岩为例，王卫东等（2016）对超长嵌岩桩（64～68m）进行了静载实验，其荷载承担百分数、荷载沉降曲线规律、侧摩阻力分布规律等与上述研究结果也有所差异。Pells和Turner（1978）提出孔壁粗糙度对桩侧摩阻力至关重要，并通过室内外实验，研究了粗糙度对承载力的影响，指出桩-岩界面粗糙度越大，桩基沉降越小。Seol等（2009）通过有限元法研究了嵌岩桩桩-岩的侧摩阻力，并指出桩-岩侧摩阻力的发挥与桩-岩弹性模量比、侧摩阻力占总荷载的比例有关。赵明华等（2009）在研究嵌岩桩的荷载传递时指出，嵌岩桩的荷载传递特性主要取决于混凝土与岩石界面的剪切特性。邢皓枫等（2011）在统计分析大量嵌岩桩数据后指出，软岩嵌岩桩的侧阻力和端阻力的发挥是异步的，建议将侧阻力和端阻力分别取不同安全系数来计算单桩竖向承载力。Yang等（2008）研究了19组O-cell软岩嵌岩试桩的侧摩阻力，指出美国联邦公路管理局建议的方法会低估桩身侧摩阻力。Yu等（2012）通过16组O-cell试桩实验与26组静载实验，研究了大直径嵌岩桩的侧摩阻力，指出采用根据美国联邦公路管理局建议方法确定的桩身侧摩阻力比实际值小17%左右。Akgüner和Kirkit（2012）通过桩基荷载实验和经验法，研究了土耳其地区7根嵌入不同岩体嵌岩桩的竖向承载力。Zhao等（2017）将粗糙的桩-岩界面简化成锯齿三角形界面，研究了侧摩阻力传递规律，建立了一种简化的荷载传递函数，并将理论结果与实测数据进行对比，整体结果较为相符。
软岩嵌岩桩的侧摩阻力本质上是由桩-岩界面的剪切力提供的。对于具有均匀横截面的钻孔桩，混凝土-岩石的二元复合界面可以描述为两个胶结的圆柱形粗糙表面。侧摩阻力取决于两个表面之间沿轴向的相对滑动。大量文献记录了将该三维问题简化为平面剪切运动的可行性（Atapour et al.，2014；Gutiérrez-Ch et al.，2018；Shen et al.，2019；Sun et al.，2020）。室内直接剪切实验已被广泛用于捕获混凝土-岩石和岩石-岩石界面的剪切行为（Tian et al.，2015；Krounis et al.，2016；Zhao et al.，2018；Sel?uk et al.，2019）。这些工作确定了界面剪切行为的影响因素，包括界面粗糙度、边界条件、界面倾角、岩性、混凝土性能等。其中，界面粗糙度被认为是*重要的，因为它主导了给定法向应力条件下的桩-岩界面摩擦行为（Gui et al.，2019）。根据界面粗糙度，学者们提出了一些本构模型来描述混凝土-岩石和岩石-岩石节理的剪切特性，例如节理糙率系数和节理匹配系数。此外，关于恒定法向载荷（constant normal loading，CNL）和恒定法向刚度（constant normal stiffness，CNS）边界条件在桩-岩界面剪切中的适用性也存在一些争议（Shrivastava and Rao 2015）。由于接缝的膨胀可能会受到跨界面形成的封闭环境的限制，一些研究认为CNS边界条件更适合于嵌岩桩的垂直运动（Thirukumaran and Indraratna，2016）。关于其他几何参数，例如，界面倾斜会影响与载荷方向不平行的界面处*弱粗糙的剪切破坏。在给定类型的混凝土-岩石双材料试样中，岩性和混凝土性能的影响会产生个体差异。使用相似的均匀材料或3D打印来复制自然界面以减少这种变化（Xia et al.，2020）。
对于桩-岩界面剪切破坏机理与抗剪强度参数，宋兵等（2011）通过分析桩-岩界面的黏着机制，指出桩-岩界面极限侧摩阻力是由桩-岩界面强度、桩身条件、岩石强度、受力情况等因素共同决定的，同时界面极限侧摩阻力由界面强度与岩石强度两者较弱的一方决定。谢和平等（2008）对存在黏结力的一体两介质与不存在胶结力的两体两介质混凝土-基岩模拟材料进行了直剪实验，结果表明：由于黏结力的存在，在中低法向应力时，一体两介质的剪切曲线呈现出先增大后减小*后趋于稳定的一个趋势，且其峰值抗剪强度大于两体两介质的峰值抗剪强度。田洪铭等（2014）假设桩-岩之间剪应力由混凝土和岩石间的胶结作用和摩擦效应共同承担，然后通过分析岩石-混凝土胶结面剪应力-位移曲线指出，曲线呈现随位移增加剪应力先增大后减小*后趋于稳定的位移软化现象，同时指出在低法向应力下剪切应力在达到峰值后破坏界面表现为脆性破坏，在高法向应力时剪切应力在峰值后会逐渐降至残余水平（Tian et al.，2015）。舒丹（2015）进行了含砂泥岩-混凝土界面直剪实验，指出剪切曲线表现为位移软化，在同一级正压力的曲线中存在显著的剪应力峰值。王子忠（2011）在研究红层泥岩桩-岩界面抗剪强度时指出，岩-混凝土界面剪切破坏面与岩石的强度及完整程度息息相关，主要有三种典型破坏类型：第一类，强度大于30MPa的完整、较完整砂岩，其破坏面一般沿着实验预设的混凝土-岩石界面形成；第二类，
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