泥岩地基动力打入桩承载特性研究进展

张亚妹， 孙淦， 白晓宇*， 何来胜， 张胜凯， 于龙涛， 许永亮， 王希瑞， 闫楠

(1.青岛理工大学土木工程学院， 青岛 266520； 2.青岛理工大学山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266520；3.中国建筑第五工程局有限公司， 长沙 410004； 4.中铁建投(青岛)城市开发建设有限公司， 青岛 266031； 5.中铁建设集团有限公司， 北京 100043)

在中国南方及沿海地区，存在较多软弱地基，此类地基的抗剪强度及承载力一般较低，在实际工程中，通常采用桩基础对其进行加固。在桩基础中，预制打入桩凭借施工速度快、成桩质量高、工厂化生产低碳环保等诸多优点，在中国土木、水利等工程领域得到广泛应用，成为软土地区广泛采用的一种沉桩形式。

由于沉桩时的冲击和刺入破坏，造成桩周土体成桩后一段时间的再固结与黏聚力的再恢复，单桩承载力出现随沉桩时间增长而提高的现象[1]，但以泥岩作为桩端持力层的打入桩(下文简称泥岩桩)，与通常的桩基不同，经常出现承载力异常的问题，不能满足设计要求。且在软土地基的沉桩过程中，下部土体会产生侧向移动，从而导致桩周地基土应力及应力状态产生极大的改变[2]。并且由于桩周土短时间内的不可压缩性，桩周土中将产生较高的孔隙水压力，影响打入桩的承载力[3]。因此，关于泥岩桩承载机理问题，众多学者针对岩石损伤及桩基承载力发挥机制两方面进行研究。

在宏观和细观两个尺度范围对岩石进行损伤理论研究。宏观上对岩石弹性常数、超声波速等进行研究，从宏观的角度出发定义损伤变量，建立能够反映单轴、三轴压缩下的岩石损伤本构模型[4]；细观上对岩石的裂纹密度、孔隙率等进行研究，基于细观损伤理论的自洽法、Taylor法等对微裂纹密度参数的变化进行研究[5-6]，并以此定义岩石的损伤状态，由此形成维象法学和细观损伤力学方法等对岩石应力-应变关系的描述方法[7]。通过室内、原位试验及数值模拟的方法对桩基承载机制进行研究。张明义等[8]通过桩身布置光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)传感器的现场贯入试验，对沉桩过程中桩身内力、桩侧摩阻力及桩端阻力进行监测，研究试桩沉桩过程的荷载传递机制；结合安装微型孔隙水压力和土压力传感器的室内试验，动态监测桩-土界面孔隙水压力和法向土压力的变化，为研究桩基施工效应提供了参考意义[9]；马晓冬等[10]通过有限单元法，研究打桩过程中桩对土动态的横向挤压和竖向剪切作用，首次模拟了桩锤击打入饱和黏土地基的全过程，得到地基在打桩过程中的反应规律。现对泥岩桩承载力的理论分析及试验研究进行归纳总结分析，对泥岩桩承载力的研究发展提出展望。

1 泥岩桩承载力问题分析

近几年来，在不同工程中承载力异常问题，如承载力不足[11-12]、桩端持力层遇水软化[13-16]、桩承载力发生陡降[17]等现象屡屡出现，表1列出了青岛地区近年出现泥岩地基预制桩承载力异常的部分工程。

1.1 原因分析总结

针对泥岩地层中预制桩承载力异常的问题，存在众多解释，通过翻阅相关文献，对泥岩承载力出现问题的原因进行如下总结。

(1)遇水软化。泥岩具有遇水软化崩解的性质，桩端泥岩在地下水或者桩顶存水下渗的作用下，崩解软化，导致桩承载力下降。

(2)超孔隙水压力。预制桩存在挤土效应，动力打桩会造成桩侧、桩端土体超孔隙水压力在短时间内的迅速增长，当静载试验与沉桩完成时间相隔较短时，超孔隙水压力未完全消散，导致桩周土体强度降低。

(3)互层(夹层)。部分泥岩具有互层性，当桩端泥岩存在软弱夹层时，会影响桩的承载力。

(4)桩身破坏。管桩进场质量控制不严格，或在锤击沉桩时，桩身受到反复冲击动荷载的作用，混凝土产生疲劳破坏，桩头尤甚，进而影响桩的竖向承载力。

(5)桩身上浮。当桩间距较近时，打桩过程会导致相邻试桩产生上浮，出现静载试验桩沉降较大的问题。

(6)沉桩施工不规范。在沉桩过程中，为加快施工速度，施工人员没有严格按规定控制贯入度，管桩未贯入至设计深度，导致部分桩的承载力出现问题。

(7)泥岩扰动。在沉桩过程中对桩端泥岩结构产生扰动，泥岩扰动后性质劣化、强度降低，影响桩的承载力。

众多学者结合具体工程案例对泥岩地基承载力进行研究分析，发现以上原因均不能广泛地适用于各类泥岩地基，因此没有系统研究与实测数据的结论不能令人完全信服。并且当泥岩桩出现承载力问题时，通常统一采用静载试验得到的承载力低值；甚至简单地废弃某些桩，进行补桩处理，但补桩造成桩位密集，不能满足正常桩间距的要求。此外，该类问题的处理过程延误工期，增加工程成本，对工程建设影响极大。

1.2 基于泥岩地基成桩机理的分析

鉴于此，从泥岩地基成桩机理上系统研究泥岩桩的承载力十分必要，对提升理论研究水平、经济社会效益、推动技术进步方面有重要意义。

(1)提高理论水平。泥岩承载力异常问题的许多解释，确切地说是猜测，缺乏理论支持，浮在表面。有些所谓的结论也是为了应付急于施工的工程，并非深入研究的结果，所以从机理上系统研究泥岩桩承载力的问题显得十分必要。

表1 青岛泥岩地区锤击预制桩工程案例汇总

(2)获得经济效益和社会效益。首先，出现工程问题后，常规的处理方法耗费巨大。如表1中第10项工程，总桩长19 m，初始的设计要求入泥岩9 m，其中大部分在中风化泥岩中，打桩困难，柴油打桩锤反弹高度超过3 m，桩锤都变红，并且打坏一个，但有些预制桩的单桩承载力还是不满足。工程单位采纳作者所在课题组建议，仅采用10 m长的桩，减少入中风化泥岩的深度，静载试验表明单桩承载力反而满足要求，这种优化对于节约材料、缩短工期及降低施工难度都有很大的意义。如果桩端泥岩遇水软化，有理由想象随着时间的推移，桩的承载力会逐渐降低，若干年后，有可能造成建筑物的失稳和人民群众生命财产的损失，是一个令人不安的事情，会造成社会舆情的不良影响。

(3)推动技术进步。泥岩桩承载力异常问题多年前就已出现，在科学技术高度发展的今天还反复出现，所以有些工程人员甚至建议设立地区性的“特别课题”研究。毫无疑问，对该问题的研究和推进，是该专业技术进步的标志。

2 泥岩桩承载机理分析

针对泥岩桩承载力异常的问题，迄今为止尚未查明原因，鉴于此，国内外诸学者将目光聚焦于泥岩的基本工程性质、泥岩中桩打入后的工作机制、打桩造成的泥岩损伤、泥岩桩的室内模型试验以及数值模拟等方面，并对此展开了大量的研究。

2.1 泥岩的基本工程性质研究

泥岩属于沉积岩中的黏土岩，由沉积物经固结成岩作用后形成，其层理或页理不明显。泥岩的性质介于硬质岩石和第四系沉积物两者之间，当周围环境发生变化时，泥岩的性质将发生显著的改变。泥岩干燥状态下比较坚硬，但遇水后会发生膨胀、崩解和泥化，因此外界环境，如挤压、浸水或失水等会对泥岩的物理力学性质产生较大影响[18-20]。

钟志彬等[21]基于室内试验研究了泥岩的物理、水理及力学特性。丁祖德等[22]认为富水泥岩受循环振动荷载作用，在低应力水平时塑性变形的累积值较小，变形曲线为稳定型发展曲线，在高应力水平时变形曲线为破坏型发展曲线，表现出3阶段变形规律。杨更社等[23]分析了不同冻结温度梯度下泥岩的物理力学特性。张信贵等[24]指出泥岩吸水对其物理力学性质有着极大影响，提出了确定泥岩强度参数的方法，总结了桩端承载力主要影响因素，认为桩周土扰动是导致桩基失效的主要原因。

泥岩因含水量的变化表现出一定程度的膨缩性，且伴随有卸荷剥落现象，在对泥岩进行研究时，取样卸荷对抗压强度等参数产生不可忽略的影响，增加了研究难度。马福荣等[25]就此展开了相关研究，对原位标贯试验具有重要意义。刘超等[26]采用室内试验的方法研究了粉砂质泥岩的物质组成、微观结构、膨胀性等性质，认为所研究的粉砂质泥岩不含膨胀性矿物，在无地下水的情况下，无膨胀性。

杨琳琳等[27]研究了广西某地区泥岩的承载特性，推导了泥岩地基承载力特征值与标准贯入试验锤击数、压缩模量之间关系的经验公式。刘镇等[28]引入描述颗粒特性的结构元件，提出了泥岩微观结构组合元件，建立了泥岩微观结构与其力学特性之间的定量关系。于怀昌等[29-30]、王磊磊等[31]对粉砂质泥岩进行常规三轴试验，对其力学指标与围压的关系进行分析，讨论了泥岩的破坏机理及本构关系，建立了应变软化模型。

水岩作用对泥岩的工程性质、桩的受力性状影响非常大。国内外学者从物理、化学及力学等多方面对泥岩的水理性质进行了探索。早在1948年，Cassell[32]研究泥岩滑坡问题时，就认为滑坡是由于泥岩遇水崩解造成的。Badger等[33]对泥岩遇水崩解进行研究，指出崩解是由泥岩中的胶结物质被地下水溶解和冲蚀所致，且崩解速度与地下水pH、水中二氧化碳浓度相关。Taylor等[34]认为泥岩的崩解行为是由于层间矿物的毛细作用、吸水后的颗粒膨胀及颗粒间的相斥作用引起的。Lin等[35]则认为泥岩的崩解是由于泥岩中的硫酸钠迅速溶解形成了片状结构的物质，使泥岩颗粒失去胶凝反应而导致的。刘长武等[36]、豫川等[37]借助扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)等方法对泥岩遇水及渗透后微观结构的变化机理进行了研究。幸新涪等[38]通过原位试验及室内试验发现，水对泥岩单轴抗压强度弱化作用明显，泡水后泥岩的变形模量、弹性模量、抗剪断峰值及黏聚力明显降低。李永志等[39]依据直剪试验所得抗剪强度参数值的变化及微结构特征相关性的分析，研究了红层泥岩在不同含水率状态下的抗剪强度的变化规律。付国斌等[40]采用X射线衍射技术、扫描电镜技术及耐崩解仪等技术手段，研究了干湿循环作用下红层软岩微观结构演化机理及其崩解特征，发现泥岩较砂岩有更强的崩解特性。张黎明等[41]通过室内干湿循环试验、无侧限抗压强度试验和直接剪切试验，研究了干湿交替作用下炭质泥岩的应力-应变特征、无侧限抗压强度和剪切强度的演化规律。李桂臣等[42]针对泥岩研究尺度广、大变形力学机制及水岩作用机理复杂的特点，界定了多尺度研究范畴，阐明了不同尺度下泥岩的物理、化学及力学研究模型，系统地研究了不同尺度下的水岩作用机制，构建了不同尺度相互作用关系的泥岩水岩作用多尺度关联体系，并指出多尺度水岩作用在多物理场耦合中的研究前景。

泥岩沉积过程中存在成岩作用较差的泥质胶结，泥质胶结的特性决定了沉积岩的工程性质，降雨和地下水渗流等对泥质胶结特性产生影响。泥岩微观组分大多以石英和长石等粗颗粒矿物为主，其次为高岭石和伊利石等黏土矿物，两种矿物混合黏结在一起形成矿物颗粒骨架，矿物颗粒之间形成泥质胶结。李桂臣等[43]基于离散元理论构建的泥岩颗粒胶结模型(图1)，胶结类型可简化为碎屑颗粒之间的胶结(胶结Ⅰ)，黏土颗粒之间的胶结(胶结Ⅱ)和碎屑颗粒、黏土颗粒之间的胶结(胶结Ⅲ)，泥岩强度低和遇水软化特性主要由岩体内部颗粒之间形成的胶结Ⅱ、胶结Ⅲ的数量决定。

大量微观试验研究表明[44-45]，泥岩的水理性质、力学性质与岩石的矿物成分、胶结类型密切相关。

图1 泥岩颗粒胶结模型[43]Fig.1 Mudstone grain cementation model[43]

杨成祥等[46]通过电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)技术实时观察泥岩细观结构的动态软化过程，发现泥岩在成岩时就存在细观裂隙，水分子浸入后导致泥岩中黏土矿物体积膨胀、可溶性碳酸盐发生溶解，产生负面力学效应，与Jiang等[47]在扫描电镜和X射线衍射试验条件下得到的结论一致。泥岩在长时间的浸水过程中，水分子极易进入黏土矿物颗粒之间，形成极化的水分子层，颗粒间的泥质胶结逐渐溶解破坏，再加上黏土矿物的吸水膨胀，造成泥岩内部产生不均匀应力和微观裂纹、微孔隙等结构性损伤，致使泥岩的力学强度大幅降低[48-50]，且与水岩作用的时间具有高度相关性[51]，受含水量影响较大[52-53]。

Bell等[54]对采自英国Tow Law等地的新鲜风化泥岩样品进行多种试验，讨论了其可塑性、泥岩强度、各向异性及耐久性等工程性质。Iyare等[55]通过单轴抗压强度等指标研究泥岩在单轴受压时的力学性质。Chen等[56]研究了包括泥岩在内的4种不同成因天然岩石的不连续性对强度的影响，发现裂纹的存在使岩石的整体强度下降，而强度折减的大小与岩石的性质密切相关。泥岩具有明显的蠕变性质，Fabre等[57]进行了3种具有高比例黏土颗粒特征岩石的时间依赖行为试验，包括对不同取向的组构面进行静态或循环蠕变试验和准静态试验。结果表明，3种泥质岩石的力学响应具有相似之处，在不稳定裂纹扩展开始之前，存在膨胀和体积变形线性发展阶段；蠕变试验中第2和第3发展阶段存在偏应力阈值，低于该阈值只能观察到初始蠕变。长期蠕变试验表明，泥岩在黏塑性变形发展过程中的体积变化无明显规律性，通过试验后试样的微观结构分析，发现泥岩存在碎裂和颗粒蠕变的现象。

2.2 泥岩中打入桩的承载特性研究

对泥岩地基中的打入桩，黄凯[17]依托实际工程对其承载力进行研究，提出了合理确定承载力的建议。Zhang等[58]采用离散元法模拟管桩内土塞的内摩擦，对带有节理面的泥岩进行推力载荷试验，研究了泥岩裂隙密度和倾角对桩的影响。Terente等[14]研究了包括泥岩在内的软岩地基中打入桩的承载特性，指出桩的实际承载力明显高于目前理论方法预测的结果，并提出一种新的桩侧摩阻力估算方法。苗德滋等[59]对青岛某地区泥岩打入桩工程静载曲线出现陡降的情况进行分析，强调了打桩能量与承载力的相关性。王育兴等[60]通过室内试验对沿海某地区受打桩影响桩周土的力学性质进行分析，认为是打桩造成周围土体结构的破坏，建议在施工工艺上优先考虑采用无冲击振动的沉桩方式。

泥岩地基中预制桩承载力不足是否为持力层浸水软化所致，各工程实际情况不同，结论不一。文献[13]中，试桩首次静载试验承载力不足，但试桩复打后，承载力又达到工程需求，判断承载力降低不是桩端泥岩软化所致；但表1中所列的工程，存在同一试桩间隔一个月后第二次静载试验承载力变小的现象；且同一工程中，试桩承载力不全部满足设计要求，结果缺乏规律性。张先伟等[61]通过一系列室内外试验对桩端泥岩软化特性进行了研究，发现桩端泥岩浸水后未出现软化现象，且桩尖形式、桩芯密封状态对泥岩中预制管桩的承载力影响很小，认为泥岩的不均匀互层性是广东顺德地区桩基频繁失效的原因所在。叶朝良等[62]通过动力模型试验对桩端炭质泥岩在浸水前后、动荷载作用下的变形特性进行研究，发现炭质泥岩浸水后，强度、刚度明显降低，黏滞性显著增大，能量耗散能力增强，在动荷载下损伤程度明显增加,软化效应显著。为研究泥岩地层中桩遇水软化的问题，有些工程甚至直接进行桩的浸水试验，文献[15]对长春地区桩端进入中风化泥岩的桩进行浸水试验，发现浸水试验桩的沉降比相同条件下的非浸水桩的沉降还小。

实测资料初步表明，泥岩中锤击打桩能量过大，或强行打入桩会对桩的承载力造成不利影响，如表1中第10项工程。发生破坏桩的静载试验荷载-位移(Q-s)曲线均为陡降型，关于预制嵌岩桩的陡降型曲线，郑晨等[63]对其做过相关研究，但只局限于对曲线形态的分析，未涉及内在破坏机理。

关于竖向受压桩的破坏模式，影响最广的太沙基深基础破坏模式，把桩的破坏看成在桩端发生的类似于浅基础的整体剪切破坏。根据所在课题组试验总结出，单桩破坏模式包括激进型破坏、渐进型破坏和压屈破坏，如图2中的A、B及C曲线所示。其中激进型破坏在Q-s曲线上表现出明确的破坏荷载，出现陡降段，它是摩擦型桩的典型破坏模式。泥岩桩承载力异常现象出现时，Q-s曲线均为陡降曲线，但泥岩地基中的桩并不完全是摩擦型桩，说明锤击打入对桩造成了影响。

图2 单桩破坏模式示意图Fig.2 Schematic diagram of failure mode of single pile

关于陡降型曲线，陈龙珠等[64]采用弹性理论导出了桩的轴向荷载-沉降(P-s)曲线的解析算式，在此基础上分析了桩侧和桩底土的影响，认为如图3所示的3根初始刚度相同的桩，其陡降型破坏荷载的不同是由桩端持力层性状的差异造成的。

ub为桩底土弹性极限位移图3 桩的Q-s理论曲线[64]Fig.3 Q-s theoretical curve of pile[64]

陈智昌[65]考虑损伤作用，采用类似于折减弹性模量E的方法，折减桩周土损伤后的抗剪刚度系数λ，用于计算桩体位移，对后续的相关研究具有重要参考价值。

2.3 桩周泥岩损伤特性研究

泥岩属于典型的岩土材料，当岩土材料受外荷载作用时，内部会产生一系列的破坏，已经超出弹性材料的范围，严格意义也不属于塑性材料，所以基于弹性或塑性理论的描述都不适用，而损伤理论从其基本假定到研究方法都比较适合岩土这种材料的特性，且泥岩本身存在初始损伤，预制桩打入时产生的挤土效应，使其产生二次损伤。鉴于此，诸学者针对泥岩损伤问题开展了大量理论试验研究并取得了一定有益成果。

所谓损伤理论，是结合固体物理学、材料强度理论和连续介质力学对材料进行研究。通过损伤理论分析所得的结果，既能反映材料的微观结构变化，又可以说明材料的宏观特性变化，且计算参数还是宏观可测的。损伤理论有两大分支：能量损伤理论和几何损伤理论。能量损伤理论将损伤过程视为能量转换过程，主要应用于金属类固体材料的损伤、断裂研究中；而几何损伤理论认为损伤是因为材料的微裂缝等造成的，它充分利用数学工具，不局限于微观机理，实用价值更大。特别是损伤统计理论， 主要关注微观损伤对宏观应力应变的影响，紧密联系宏观唯象(唯象理论是试验现象的概括和提炼)，其数学处理方法更为简洁。几何统计损伤理论已经广泛应用于岩土和混凝土材料的分析计算中。

国外研究方面，文献[66-69]通过三轴试验研究了泥岩损伤的弹塑性耦合、考虑热力学的弹塑耦合、孔隙-塑性耦合以及损伤的非线性均匀化方法，并基于微观分析和宏观验证提出了各自的建模方法及本构模型。

在国内，许宝田等[70]对泥岩进行三轴试验，发现应力应变曲线存在转折点，转折点后应变加大，将该点定为初始损伤点，认为泥岩基元(微元)强度服从Weibull分布，计算了基元强度F和损伤变量D，其中损伤变量与主应力差呈双曲线函数关系。

曹文贵等[71-72]认为岩石损伤存在阈值，在阈值前(线弹性变形阶段)，岩石变形不会产生损伤，只有在阈值后(岩石材料屈服)，才会产生损伤，且岩石材料的损伤与其所受应力状态密切相关，泥岩的应力-应变(σ-ε)软化过程如图4所示。强调建立岩石损伤演化模型时考虑损伤阈值影响的必要性，提出可考虑损伤阈值影响的岩石基元强度度量方法，结合统计损伤理论，建立可考虑损伤阈值影响的岩石损伤演化模型，并提出确定模型参数的新方法。

OA为弹性变形阶段；AB为塑性变形阶段；BC为破坏阶段图4 泥岩应变软化过程[71]Fig.4 Mudstone strain softening process[71]

贾善坡等[73]建立了泥岩弹塑性损伤本构模型反映泥岩软硬化行为，推导出了泥岩的损伤演化方程，编制了基于泥岩弹塑性损伤本构模型的参数反演程序，采用反分析法确定泥岩损伤本构模型参数。

泥岩的细观损伤力学是岩石力学领域中备受瞩目的研究课题之一[74-76]。岩石细观损伤力学从岩石材料内的微裂纹、空洞等细观尺度出发，研究岩石内各类损伤的形态、分布及其演化特性，对于受沉积环境及地质应力影响大的泥岩而言，此研究非常必要。

2.4 泥岩桩现场测试方法及室内模型试验

光纤光栅(FBG)测试方法自1989年问世以来，经过多次优化和完善，目前此传感技术已用于各种工程监测中[77-79]。在土木工程领域监测中，多位学者进行了不断推进，将不同中心波长的FBG连接多个光栅形成准分布式FBG监测网，成功应用于高强混凝土(pre-stress high-strength concrete，PHC)管桩的桩身受力监测中[80-83]。

王文灵[84]利用桩边钻孔资料研究桩端持力层缺陷，认为白垩系泥岩中管桩桩端承载力不足的原因是存在软硬相间的地层或持力层厚度不满足要求。张凯等[85]基于神东矿区泥岩的吸水、渗流和单三轴压缩等试验，获得了自然和饱水状态下砂质泥岩的力学参数与拉压变形、渗流曲线及其特征，发现该地区泥岩有显著的水岩固体软化效应和流体传质效应。陆翔等[86]对不同温度范围及冻融循环次数的泥岩进行室内试验，发现泥岩的质量密度、纵波波速变化率、孔隙率和峰值应变与冻融循环次数呈正比，抗压强度和弹性模量与冻融循环次数呈反比。Ghadr等[87]采用水力学测试、无损测试和扫描电子显微镜监测的方法，研究了亲水性和疏水性纳米硅对泥岩土壤力学性质的影响，发现经过纳米硅处理后的泥岩土具有更高的抗压强度，为提高泥岩地基承载力提供了新的方法。

由于泥岩取样及保持天然状态的困难性，鲜有泥岩原状土模型试验的报道。王炳忠等[88]研制了可加载渗透仪，对膨胀泥岩进行了原状土和重塑土在不同荷载等级下的渗透试验。刘传成[89]采用半相似材料室内模型试验的方法，对降雨影响下黄土泥岩接触面滑坡的启动条件及滑移机理进行了模型试验研究，但半相似材料的制作较为困难，很难准确地反映原状材料的性质，如果直接采用大直径的原状岩芯进行室内打桩及静载模拟试验则意义较大。

在受打桩影响泥岩的测试方法方面，因为泥岩遇水膨胀的特性，不易制作原状土样，因此首先需要解决泥岩取样制样的问题，王晓雷[90]研制钻进及切割设备系统，成功采取和制作出带有倾斜节理的泥岩岩芯试样，用于泥岩性质的研究。

2.5 泥岩地层中桩的数值模拟

胡启军等[91]通过泥岩桩土接触面的直剪试验，研究泥岩桩桩土接触面的力学特性，指出接触面剪应力先随剪切位移增大而增大，达到峰值后随着剪切位移增大而降低，并最终趋于稳定值，应力应变曲线表现为应变软化形态。罗吉安等[92]基于西原体，将非线性黏塑性体与西原体串联得到一种新的泥岩蠕变模型，通过拉式变换得到了相应的蠕变方程。

2Li等[93]对蒙古国某地区泥岩进行剪切蠕变实验，揭示了不同法向应力和剪切应力下泥岩的蠕变特征；通过引入非线性弹性体，建立了一种新型的非线性剪切蠕变损伤模型，可以更好地描述不同法向、剪切应力水平下岩石的蠕变特征；采用最小二乘法对变量测试数据进行模型验证。周家全等[94]考虑泥岩中胶结作用的影响，建立了桩-岩界面的剪切本构模型，并结合滑移线法和荷载传递理论进行分析，发现桩-岩界面胶结作用直接影响软岩嵌岩桩的极限承载力，并在考虑界面胶结作用的前提下，推导了岩石力学性质对剪胀区、剪切区桩侧摩阻力的影响，如图5所示。Hu等[95]在室内直剪试验的基础上，建立了界面软化本构模型，并结合数值模拟进行分析，发现混凝土-泥岩界面软化作用削弱了桩的承载力。Zhang等[96]在软岩地区开口管桩静载试验的基础上，结合软岩的节理模型开展了数值模拟，发现软岩的节理密度对管桩的承载力有较大影响。

σc为软岩的单轴抗压强度；τ为桩侧阻力；φ为岩石内摩擦角；Δs为桩-岩界面剪切位移；Er为桩侧岩土体弹性模量；Ep为桩身弹性模量图5 岩石力学性质对桩侧摩阻力的影响[94]Fig.5 Rock mechanics properties of the influence of pile side friction[94]

3 结论

随着打入桩在软弱地基的广泛应用，泥岩打入桩承载力不足的问题亟待解决，通过对泥岩打入桩承载特性的总结与研究，得到的结论如下。

(1)泥岩因含水量的变化表现出一定程度的膨缩性，打桩会对桩周土产生挤土效应，由于短时间内土的不可压缩性，孔隙水压力将迅速增加，泥岩遇水软化崩解的性质则会导致泥岩地基的承载力降低，如果可以人为地控制打桩对泥岩中孔隙水的影响，将极大地提高泥岩地基的承载力。

(2)排除打桩过程对泥岩的影响，对成桩后的泥岩地基中的桩-土作用、桩的破坏模式及静载曲线的分析表明，泥岩打入桩破坏呈现摩擦型桩特性，证明打桩对泥岩造成不可逆的影响，引起地基承载力的降低。

(3)泥岩细观损伤力学认为，泥岩的内部细观结构存在微裂缝、微孔洞，且在外荷载的作用下，这些损伤将发生不可逆的演化，在宏观层次上，岩石则会表现出力学性能逐渐劣化直至破坏的现象。因此，从细观的角度研究岩石损伤的形态、分布及演化特性，并试图将其与岩石的宏观破坏机制相关联进行研究，必将推动岩石力学的发展，成为解决泥岩打入桩承载力不足的关键。

(4)现场原位试验与室内试验的开展，可以更好地对受打桩影响的泥岩特性、泥岩桩的承载特性进行研究，进一步推动理论发展，试验所得数据可为数值模拟提供参考，数值模拟的结果又可对试验结果进行验证，二者相辅相成，对解决泥岩桩基承载力异常问题至关重要。

4 展望

泥岩桩承载力异常问题存在多年，并且反复出现，与科学技术高度发展的今天大相径庭，且现有技术也存在不足之处，考虑到未来泥岩地区的发展及桩基工程的实际工程需要，对泥岩桩承载力问题提出以下展望。

(1)完善泥岩取样技术。目前的单管钻具钻取泥岩样品，因泥岩遇水膨胀，钻取后岩芯容易在管中胀死，难以取出，强行取出则会对泥岩试样造成扰动，影响试验结果，且钻取的岩芯试样直径不符合试验要求，针对强度不高的岩芯无法进行进一步的切割研磨。建议用单动双管钻具取芯代替单管钻具钻取泥岩样品，双管钻具中的内管固定不动，采用对开管(半合管)，直径也应直接对应于试验要求。

(2)在室内模型试验方面，可进行以下改进升级。①利用旋挖钻取得更大直径的原状泥岩岩芯，采用更大的模拟桩直径及打桩能量；②在模型桩表面涂刷材料，仿制混凝土粗糙度的表面；③在模型桩桩端设传感器测试打桩和静载阶段的桩端受力；④在原状泥岩上面加筑黏性重塑土，做成多层土，模拟工程层状土情况。

(3)动力打桩造成泥岩损伤，与黏性土等第四系土不同，这种损伤不易触变恢复，因此对泥岩的承载能力影响较大。考虑这种情况，在进行数值模拟时应该对损伤区域赋予不同的参数值，而不只是按不同土层进行赋值模拟。

(4)泥岩桩承载力问题是一个全国性的难题，不能因为它的工程属性而降低了对其科学研究价值的评价，希望学术界有更多的力量投入研究。