受动力打桩影响的泥岩宏细观力学特性室内试验研究

张亚妹，孙淦，白晓宇，桑松魁，张明义，许永亮，麻栋栋

(1. 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛，266033；2. 中铁建设集团有限公司，北京，100043)

动力打桩对地基土会产生扰动，也会改变地基土中的应力分布，进而影响周围岩土体的岩石强度，此现象在泥岩地基中尤为突出。因此，探究打桩影响下泥岩强度的变化特性尤为重要。

土体微观结构作为土体的一个重要力学指标，在确定土的工程性质时十分关键。它既反映了土体的形成条件，又是决定土体物理、力学及其他性质的重要因素[1]。工程土体在宏观上所表现出的非连续性、不均匀、各向异性和不确定性等复杂特性，从根本上取决于土体微观结构的非连续性和不确定性，是其介质结构与组分非线性的直接体现，因此，分析土体的微观结构，获得相应定性、定量化的信息意义重大。目前，扫描电子显微镜是观察土体微观结构最常用也是最有效的手段，通过扫描电子显微镜可获得大量直观的土体结构形貌信息[2-6]。倪骁慧等[7-8]利用扫描电子显微镜(SEM)图像，实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验，得到了岩石受荷过程中微裂纹的面积、长度、宽度和方位角等基本几何数据，描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制，并对循环荷载作用下花岗岩SEM 图像进行分析，发现微裂纹中以沿晶裂纹发育速度最快，且晶裂纹的发展过程消耗了大部分能量。ALVARADO 等[9]对比了零应力状态和卸载后的砂岩SEM 图像，发现卸载后的砂岩试样SEM 图像出现裂缝，表明卸载可能是导致裂纹产生的原因。张强等[10]开展了盐岩试样的单轴疲劳试验，利用SEM 观测试验前后盐岩试样的微观结构，发现在循环荷载的作用下，盐岩试验内部的大孔隙和总孔隙数量增加，小孔隙数量减小，盐岩内部裂纹发育以晶间裂纹的生成为主。

三轴试验是测定岩石强度指标的基本方法，通过对试验结果的分析，可以得到岩土的抗剪强度指标——黏聚力c和摩擦角φ。不同岩石的强度指标不同，而泥岩作为软质岩石，其性质不同于一般的硬岩、硬土，当泥岩中含有较多的亲水矿物(主要为蒙脱石)时，往往表现出膨胀性[11]，因此，通过三轴试验来确定泥岩的强度指标十分重要。目前，国内外学者针对岩石的力学特性开展了室内外试验研究。LIU 等[12]通过对完整和节理岩样的循环单轴压缩试验，对模拟得到的循环应力-应变曲线和疲劳变形模量的理论进行验证，证明了模拟理论的准确性。YANG等[13]对泥岩试样进行了单级和多级三轴压缩试验，并结合数值模拟，通过力场分析揭示了多级三轴压缩下泥岩试样的损伤演化机制。王贵荣等[14]对红砂岩试样在不同围压条件下的三轴压缩应力应变全过程曲线进行了系统试验研究，发现随着围压的增大，岩石的峰值强度也随着增高；体积应变在峰值后表现出很大的剪胀性，并提出了一种线性本构模型。肖维民等[15]通过对柱状节理岩体在不同围压下的三轴试验，研究了柱状节理岩体的变形和强度特性，总结了柱状节理岩体在三轴压缩状态下的4种典型破坏类型，并分析了其破坏机制。马秋峰等[16]通过不同围压下岩样的加-卸载三轴试验，分析了岩石损伤过程中耗散能-损伤变量的关系，建立了损伤耗能率表达式和损伤-塑性本构模型。

综上所述，目前对岩石的力学特性已经开展了丰富的研究，并取得了一些有益的研究成果，但是大部分研究仅针对岩石的SEM 图像进行细观分析或岩石三轴/单轴试验研究，鲜有对泥岩尤其是动力打桩前后泥岩的宏观力学特性与其微细观结构的变化进行深入剖析。鉴于此，本文作者从宏细观角度对打桩影响的泥岩强度变化进行研究，对青岛地区受打桩影响的桩周泥岩细观结构进行SEM 分析，通过单轴与三轴抗压试验分析其单轴抗压强度及抗剪强度的演化；然后，将宏观上三轴试验测得的内摩擦角与细观上利用图像处理软件确定的破裂面角度ψ进行对比，揭示受动力打桩及静载试验影响下桩周泥岩力学性能的演化机制。

1 泥岩样品电镜扫描分析

为探究动力打桩作用下桩周泥岩的损伤情况与微观结构特征以及泥岩地基打入桩承载力异常的桩周泥岩力学特征，对静载试验破坏桩和未破坏桩的桩周泥岩进行取样，其中，破坏桩是指单桩承载力不满足设计要求的桩，未破坏桩是指承载力满足设计要求的桩，使用扫描电子显微镜(SEM)对泥岩的结构进行微观分析。SEM试样信息见表1。

表1 扫描电镜样品信息Table 1 Scanning electron microscope (SEM) sample details

1.1 SEM试验准备

为明确探查不同贯入度的桩周泥岩损伤情况，取桩端以上0.5 m 处、桩端处及桩端以下0.5 m 处的样品进行SEM 分析。为获得较真实泥岩样品的微观结构，应尽可能保持样品的原有状态，并保持干燥以保证其良好的导电性。扫描观察前，将泥岩样品切成小块，然后用胶带纸粘去表面的碎屑，接着将小块小心掰断，获得未受扰动的新鲜结构面，作为电镜扫描的观察面。注意尽量保持新鲜面的平整，并用洗耳球吹除样品表面的浮层及扰动颗粒。最后，用小型离子溅射仪喷镀一层薄金膜，镀膜完成将样品固定在样品台上进行观察。

试验仪器采用日立SU8000 型扫描电镜，其具有分辨率高、信号探测系统范围广、可操作性强等优点，放大倍率范围为10～100 000倍。

1.2 SEM试验结果分析

试验结果显示，试验所用砂质泥岩的黏粒大于5 μm 的颗粒含量(质量分数)大于60%，用放大2 000 倍的SEM 观察发现，单个颗粒粒径显示为10 mm，显示比例过大，SEM 图像中不能完整地显示裂隙及孔隙结构，不利于观察。因此，对泥岩样品进行微细观分析时，SEM 放大倍数不宜过大。潘留生[17]对泥岩在不同放大倍数下的SEM 分析，结果表明：放大500倍时能够清晰反映整体结构分布，放大1 000 倍时可以探查具体结构特征。因此，本文在研究分析泥岩因动力作用导致出现的损伤裂隙时，采用500 倍和1 000 倍的SEM 图像，分别如图1和图2所示。

图1 放大500倍岩样SEM图像Fig. 1 SEM images of rock sample magnified by 500 times

图2 放大1 000倍岩样SEM图像Fig. 2 SEM images of rock sample magnified by 1 000 times

由图1(a)和2(a)可知：未受打桩影响的泥岩样品的微观结构有初始缺陷但不明显，整体上为均匀的絮凝结构，黏土矿物集粒、石英和长石等矿物相互搭接，颗粒粒度及孔隙分布基本均匀。由图1(b)、1(c)和图2(b)、2(c)可知：受打桩影响，静载未破坏的泥岩样品的微观结构基本均匀，但与未受打桩影响钻孔取出的样品相比，孔隙量增加、裂隙宽度有所增大。由图1(d)、1(e)和图2(d)、2(e)可知，对于受打桩影响且静载试验破坏的桩周泥岩，桩端上0.5 m处泥岩的微观结构受打桩影响表现出不规则形貌，颗粒粒度和分布不均匀，孔隙有所增大，局部出现裂隙且有出现空洞的趋势；而桩端下方0.5 m处泥岩原本的均匀絮状结构完全被破坏，联结较好的黏土矿物集粒和碎片状或块状集合体仍保持整体性，而联结较差的分解为碎屑，颗粒粒度不均匀，孔隙结构发生重分布，局部出现较大的裂隙。

由上述可知：1) 动力打桩对桩周泥岩的结构产生损伤，未受打桩影响的岩样虽然有初始缺陷，但微观絮凝结构均匀，无连续结构裂缝与孔隙；而受动力打桩影响的岩样在桩端上、下方均产生了打桩引起的结构裂缝，且桩端下方结构损伤程度更为明显；2) 受打桩影响且静载试验破坏桩的桩端以下泥岩受到的二次损伤更为严重，裂隙数量与面积明显增大，结构完整度差，与静载试验非破坏桩相同位置处泥岩相比发生了明显的结构损伤演化。

2 泥岩的抗压强度试验

为探究动力打桩后桩周泥岩抗压强度的变化，分别选取打桩前和打桩后桩端附近的中风化泥岩进行单轴抗压试验，试样直径×高度为50 mm×100 mm，试验仪器采用GDS-ETAS，最大轴向力为100 kN。泥岩样品浸水饱和且易发生崩解，故在保持原状且时间较短的情况下，规范允许不进行饱和，即泥岩的饱和单轴抗压强度可用天然含水量的单轴抗压强度代替。

2.1 试验结果分析

泥岩力学性质具有不均匀性，同时，为了比对试验结果与整个场地的泥岩强度差异，在勘察阶段对场地内的泥岩进行了岩石点荷载试验，换算得到单轴抗压强度，结果如表2所示。

表2 中风化泥岩点荷载试验结果Table 2 results of medium weathered mudstone point load test

打桩前后单轴抗压试验结果分别见表3和表4。由表3 可知：泥岩试样的单轴抗压强度平均值为1.56 MPa，低于点荷载试验结果。究其原因，岩块点荷载试验的中风化泥岩饱和单轴抗压强度是由强度偏高的岩石推算得到，而且试验得出的泥岩单轴饱和抗压强度普遍低于国内其他文献给出的泥岩抗压强度，这与其他文献的都是微风化或未风化泥岩的抗压强度有关。另外，对试样BP01～BP04是在三轴仪上进行单轴抗压强度试验，可以由获得的试验曲线的初始段计算弹性模量。试样BP01～BP04 的弹性模量分别为127、181、166、174 MPa，平均值为162 MPa。工程勘察阶段点荷载试验得到泥岩弹性模量的平均值为35 MPa，可见，试样实测弹性模量平均值为点荷载试验弹性模量平均值的4.6倍。

表4 打桩后泥岩单轴抗压试验结果Table 4 Results of uniaxial compression test of mudstone after piling

对比表3和表4可知，打桩后不同深度处泥岩的单轴抗压强度下降了6.2%～51.4%；打桩前后泥岩的单轴抗压强度平均值分别为1.56 MPa和1.12 MPa，相较于打桩前，打桩后泥岩单轴抗压强度平均值降低约28.2%，由此可见打桩对桩周泥岩单轴抗压强度的影响较为明显。

3 泥岩三轴试验

对打桩后泥岩进行三轴剪切试验，获得动力打桩影响的泥岩抗剪强度指标，并分析打桩对泥岩抗剪强度的影响。试验仪器为GDS-ETAS，最大围压为32 MPa，最大轴向力为100 kN，试验围压选取0.5、1.0、1.5、2.0 MPa 共4 个等级，试样直径×高度为50 mm×100 mm。因受打桩影响的泥岩损伤，部分试验无法取得理想的数据，对试验结果较差的试验追加一次平行试验，选取试验结果中较为理想的试样。

3.1 试样制备

研究者对泥岩的单轴及三轴试验开展了较多研究[18-20]，但一般取微风化或未风化的泥岩，因微风化或未风化的泥岩具有硬质岩石的特征，能够按常规岩石的试验方法测试其力学指标，鲜见有对中风化泥岩制备试样进行三轴试验的报道。对于中风化泥岩，特别是泥岩受到动力打桩影响后，试样制备难度更大。用于普通岩石的截断磨制方法已不适用，因为在试样制备过程中稍加打磨试样就会发生破坏；同时，用于黏性土制样的削土刀、普通钢丝锯也不适用，因为样品太硬，只能用锋利的美工刀(刻刀、壁纸刀)精细缓慢地削刻，用锐齿钢丝锯切断试样，试样制作完毕后立即装入塑料袋并储存于密封容器内。

3.2 试验结果分析

受动力打桩影响的桩端处泥岩三轴试验应力应变曲线见图3，其中，纵坐标为偏应力q=σ1-σ3，横坐标为轴向应变ε1。

图3 受打桩影响的桩端附近泥岩三轴试验应力-应变曲线Fig. 3 Stress-strain curves of t mudstone triaxial test near pile end affected by piling

根据图3的试验曲线，并参考陈立宏等[21-22]提出的理论，整理抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ，σ1-σ3曲线为线性关系为

式中：a和b分别为拟合直线的截距及斜率。

从而可得抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ分别为

根据式(1)～(3)，求得第1 组和第2 组泥岩三轴试验结果分别为c=208.1 kPa、φ=20.7°以及c=226.3 kPa、φ=22.5°，其平均值为c=217.2 kPa、φ=21.6°。

鉴于试样的破裂面规则且明显可测，尝试根据试样破裂角推算内摩擦角。首先确保垂直于试样破裂面拍照，再利用图像处理软件PicPick 确定照片中破裂面的角度ψ，泥岩试样破裂角ψ量测示意图如图4所示，最后按式(4)计算内摩擦角。

图4 泥岩试样破裂角量测示意图Fig. 4 Measurement diagram of fracture angle of mudstone samples

由破裂角确定的内摩擦角为23.2°，与按三轴试验曲线计算的内摩擦角平均值21.6°相差6.9%，二者吻合较好。本试验得到受扰动泥岩的内摩擦角较小，分析原因主要有两方面：一是本文泥岩为中风化泥岩，力学性质比微风化或未风化泥岩的低；二是因动力打桩过程桩端附近的泥岩损伤较严重，三轴试验的试样取自桩端附近的中风化泥岩，桩端附近泥岩在桩动力贯入过程中遭受动力挤压扰动，易造成结构损伤，SEM 试验结果也表明桩周泥岩微观结构产生损伤，单轴试验结果表明桩周泥岩打桩后强度平均降低28.2%，这些结果与泥岩的抗剪强度指标摩擦角较小的结论相一致。

4 结论

1) 对受动力打桩影响的中风化泥岩进行扫描电镜、单轴抗压及三轴剪切试验，根据泥岩实际性状提出了适宜的取样及制样制备方法，验证了采用本文提出的试样制备方法制备强度偏低的泥岩的可行性。

2) 受动力打桩影响和不受打桩影响的泥岩试样SEM 图像对比分析结果表明动力打桩对桩周泥岩结构影响显著，致使泥岩造成结构性损伤，且桩端下方泥岩的结构损伤程度更为明显。

3) 动力打桩对泥岩强度的影响明显，未受打桩影响的中风化泥岩单轴抗压强度平均值为1.56 MPa，受动力打桩影响的中风化泥岩单轴抗压强度平均降低了28.2%。原状岩样的单轴抗压强度比基于点荷载试验得到的结果偏低，说明泥岩点荷载试验选用的岩块可能高估了其单轴抗压强度。

4) 通过不同方法获取了打桩扰动后桩周泥岩的抗剪强度参数。三轴试验曲线得到的黏聚力为217.2 kPa、内摩擦角为21.6°。采用图像处理软件可精准确定泥岩试样的破裂面角度，进而推算出泥岩的内摩擦角，其与三轴试验曲线获得的结果仅相差6.9%。