泥巖地基動力打入樁承載特性研究進展

張亞妹， 孫淦， 白曉宇*， 何來勝， 張勝凱， 于龍濤， 許永亮， 王希瑞， 閆楠

(1.青島理工大學土木工程學院， 青島 266520； 2.青島理工大學山東省高等學校藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266520；3.中國建筑第五工程局有限公司， 長沙 410004； 4.中鐵建投(青島)城市開發(fā)建設有限公司， 青島 266031； 5.中鐵建設集團有限公司， 北京 100043)

在中國南方及沿海地區(qū)，存在較多軟弱地基，此類地基的抗剪強度及承載力一般較低，在實際工程中，通常采用樁基礎對其進行加固。在樁基礎中，預制打入樁憑借施工速度快、成樁質量高、工廠化生產(chǎn)低碳環(huán)保等諸多優(yōu)點，在中國土木、水利等工程領域得到廣泛應用，成為軟土地區(qū)廣泛采用的一種沉樁形式。

由于沉樁時的沖擊和刺入破壞，造成樁周土體成樁后一段時間的再固結與黏聚力的再恢復，單樁承載力出現(xiàn)隨沉樁時間增長而提高的現(xiàn)象[1]，但以泥巖作為樁端持力層的打入樁(下文簡稱泥巖樁)，與通常的樁基不同，經(jīng)常出現(xiàn)承載力異常的問題，不能滿足設計要求。且在軟土地基的沉樁過程中，下部土體會產(chǎn)生側向移動，從而導致樁周地基土應力及應力狀態(tài)產(chǎn)生極大的改變[2]。并且由于樁周土短時間內(nèi)的不可壓縮性，樁周土中將產(chǎn)生較高的孔隙水壓力，影響打入樁的承載力[3]。因此，關于泥巖樁承載機理問題，眾多學者針對巖石損傷及樁基承載力發(fā)揮機制兩方面進行研究。

在宏觀和細觀兩個尺度范圍對巖石進行損傷理論研究。宏觀上對巖石彈性常數(shù)、超聲波速等進行研究，從宏觀的角度出發(fā)定義損傷變量，建立能夠反映單軸、三軸壓縮下的巖石損傷本構模型[4]；細觀上對巖石的裂紋密度、孔隙率等進行研究，基于細觀損傷理論的自洽法、Taylor法等對微裂紋密度參數(shù)的變化進行研究[5-6]，并以此定義巖石的損傷狀態(tài)，由此形成維象法學和細觀損傷力學方法等對巖石應力-應變關系的描述方法[7]。通過室內(nèi)、原位試驗及數(shù)值模擬的方法對樁基承載機制進行研究。張明義等[8]通過樁身布置光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)傳感器的現(xiàn)場貫入試驗，對沉樁過程中樁身內(nèi)力、樁側摩阻力及樁端阻力進行監(jiān)測，研究試樁沉樁過程的荷載傳遞機制；結合安裝微型孔隙水壓力和土壓力傳感器的室內(nèi)試驗，動態(tài)監(jiān)測樁-土界面孔隙水壓力和法向土壓力的變化，為研究樁基施工效應提供了參考意義[9]；馬曉冬等[10]通過有限單元法，研究打樁過程中樁對土動態(tài)的橫向擠壓和豎向剪切作用，首次模擬了樁錘擊打入飽和黏土地基的全過程，得到地基在打樁過程中的反應規(guī)律?，F(xiàn)對泥巖樁承載力的理論分析及試驗研究進行歸納總結分析，對泥巖樁承載力的研究發(fā)展提出展望。

1 泥巖樁承載力問題分析

近幾年來，在不同工程中承載力異常問題，如承載力不足[11-12]、樁端持力層遇水軟化[13-16]、樁承載力發(fā)生陡降[17]等現(xiàn)象屢屢出現(xiàn)，表1列出了青島地區(qū)近年出現(xiàn)泥巖地基預制樁承載力異常的部分工程。

1.1 原因分析總結

針對泥巖地層中預制樁承載力異常的問題，存在眾多解釋，通過翻閱相關文獻，對泥巖承載力出現(xiàn)問題的原因進行如下總結。

(1)遇水軟化。泥巖具有遇水軟化崩解的性質，樁端泥巖在地下水或者樁頂存水下滲的作用下，崩解軟化，導致樁承載力下降。

(2)超孔隙水壓力。預制樁存在擠土效應，動力打樁會造成樁側、樁端土體超孔隙水壓力在短時間內(nèi)的迅速增長，當靜載試驗與沉樁完成時間相隔較短時，超孔隙水壓力未完全消散，導致樁周土體強度降低。

(3)互層(夾層)。部分泥巖具有互層性，當樁端泥巖存在軟弱夾層時，會影響樁的承載力。

(4)樁身破壞。管樁進場質量控制不嚴格，或在錘擊沉樁時，樁身受到反復沖擊動荷載的作用，混凝土產(chǎn)生疲勞破壞，樁頭尤甚，進而影響樁的豎向承載力。

(5)樁身上浮。當樁間距較近時，打樁過程會導致相鄰試樁產(chǎn)生上浮，出現(xiàn)靜載試驗樁沉降較大的問題。

(6)沉樁施工不規(guī)范。在沉樁過程中，為加快施工速度，施工人員沒有嚴格按規(guī)定控制貫入度，管樁未貫入至設計深度，導致部分樁的承載力出現(xiàn)問題。

(7)泥巖擾動。在沉樁過程中對樁端泥巖結構產(chǎn)生擾動，泥巖擾動后性質劣化、強度降低，影響樁的承載力。

眾多學者結合具體工程案例對泥巖地基承載力進行研究分析，發(fā)現(xiàn)以上原因均不能廣泛地適用于各類泥巖地基，因此沒有系統(tǒng)研究與實測數(shù)據(jù)的結論不能令人完全信服。并且當泥巖樁出現(xiàn)承載力問題時，通常統(tǒng)一采用靜載試驗得到的承載力低值；甚至簡單地廢棄某些樁，進行補樁處理，但補樁造成樁位密集，不能滿足正常樁間距的要求。此外，該類問題的處理過程延誤工期，增加工程成本，對工程建設影響極大。

1.2 基于泥巖地基成樁機理的分析

鑒于此，從泥巖地基成樁機理上系統(tǒng)研究泥巖樁的承載力十分必要，對提升理論研究水平、經(jīng)濟社會效益、推動技術進步方面有重要意義。

(1)提高理論水平。泥巖承載力異常問題的許多解釋，確切地說是猜測，缺乏理論支持，浮在表面。有些所謂的結論也是為了應付急于施工的工程，并非深入研究的結果，所以從機理上系統(tǒng)研究泥巖樁承載力的問題顯得十分必要。

表1 青島泥巖地區(qū)錘擊預制樁工程案例匯總

(2)獲得經(jīng)濟效益和社會效益。首先，出現(xiàn)工程問題后，常規(guī)的處理方法耗費巨大。如表1中第10項工程，總樁長19 m，初始的設計要求入泥巖9 m，其中大部分在中風化泥巖中，打樁困難，柴油打樁錘反彈高度超過3 m，樁錘都變紅，并且打壞一個，但有些預制樁的單樁承載力還是不滿足。工程單位采納作者所在課題組建議，僅采用10 m長的樁，減少入中風化泥巖的深度，靜載試驗表明單樁承載力反而滿足要求，這種優(yōu)化對于節(jié)約材料、縮短工期及降低施工難度都有很大的意義。如果樁端泥巖遇水軟化，有理由想象隨著時間的推移，樁的承載力會逐漸降低，若干年后，有可能造成建筑物的失穩(wěn)和人民群眾生命財產(chǎn)的損失，是一個令人不安的事情，會造成社會輿情的不良影響。

(3)推動技術進步。泥巖樁承載力異常問題多年前就已出現(xiàn)，在科學技術高度發(fā)展的今天還反復出現(xiàn)，所以有些工程人員甚至建議設立地區(qū)性的“特別課題”研究。毫無疑問，對該問題的研究和推進，是該專業(yè)技術進步的標志。

2 泥巖樁承載機理分析

針對泥巖樁承載力異常的問題，迄今為止尚未查明原因，鑒于此，國內(nèi)外諸學者將目光聚焦于泥巖的基本工程性質、泥巖中樁打入后的工作機制、打樁造成的泥巖損傷、泥巖樁的室內(nèi)模型試驗以及數(shù)值模擬等方面，并對此展開了大量的研究。

2.1 泥巖的基本工程性質研究

泥巖屬于沉積巖中的黏土巖，由沉積物經(jīng)固結成巖作用后形成，其層理或頁理不明顯。泥巖的性質介于硬質巖石和第四系沉積物兩者之間，當周圍環(huán)境發(fā)生變化時，泥巖的性質將發(fā)生顯著的改變。泥巖干燥狀態(tài)下比較堅硬，但遇水后會發(fā)生膨脹、崩解和泥化，因此外界環(huán)境，如擠壓、浸水或失水等會對泥巖的物理力學性質產(chǎn)生較大影響[18-20]。

鐘志彬等[21]基于室內(nèi)試驗研究了泥巖的物理、水理及力學特性。丁祖德等[22]認為富水泥巖受循環(huán)振動荷載作用，在低應力水平時塑性變形的累積值較小，變形曲線為穩(wěn)定型發(fā)展曲線，在高應力水平時變形曲線為破壞型發(fā)展曲線，表現(xiàn)出3階段變形規(guī)律。楊更社等[23]分析了不同凍結溫度梯度下泥巖的物理力學特性。張信貴等[24]指出泥巖吸水對其物理力學性質有著極大影響，提出了確定泥巖強度參數(shù)的方法，總結了樁端承載力主要影響因素，認為樁周土擾動是導致樁基失效的主要原因。

泥巖因含水量的變化表現(xiàn)出一定程度的膨縮性，且伴隨有卸荷剝落現(xiàn)象，在對泥巖進行研究時，取樣卸荷對抗壓強度等參數(shù)產(chǎn)生不可忽略的影響，增加了研究難度。馬福榮等[25]就此展開了相關研究，對原位標貫試驗具有重要意義。劉超等[26]采用室內(nèi)試驗的方法研究了粉砂質泥巖的物質組成、微觀結構、膨脹性等性質，認為所研究的粉砂質泥巖不含膨脹性礦物，在無地下水的情況下，無膨脹性。

楊琳琳等[27]研究了廣西某地區(qū)泥巖的承載特性，推導了泥巖地基承載力特征值與標準貫入試驗錘擊數(shù)、壓縮模量之間關系的經(jīng)驗公式。劉鎮(zhèn)等[28]引入描述顆粒特性的結構元件，提出了泥巖微觀結構組合元件，建立了泥巖微觀結構與其力學特性之間的定量關系。于懷昌等[29-30]、王磊磊等[31]對粉砂質泥巖進行常規(guī)三軸試驗，對其力學指標與圍壓的關系進行分析，討論了泥巖的破壞機理及本構關系，建立了應變軟化模型。

水巖作用對泥巖的工程性質、樁的受力性狀影響非常大。國內(nèi)外學者從物理、化學及力學等多方面對泥巖的水理性質進行了探索。早在1948年，Cassell[32]研究泥巖滑坡問題時，就認為滑坡是由于泥巖遇水崩解造成的。Badger等[33]對泥巖遇水崩解進行研究，指出崩解是由泥巖中的膠結物質被地下水溶解和沖蝕所致，且崩解速度與地下水pH、水中二氧化碳濃度相關。Taylor等[34]認為泥巖的崩解行為是由于層間礦物的毛細作用、吸水后的顆粒膨脹及顆粒間的相斥作用引起的。Lin等[35]則認為泥巖的崩解是由于泥巖中的硫酸鈉迅速溶解形成了片狀結構的物質，使泥巖顆粒失去膠凝反應而導致的。劉長武等[36]、豫川等[37]借助掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)等方法對泥巖遇水及滲透后微觀結構的變化機理進行了研究。幸新涪等[38]通過原位試驗及室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，水對泥巖單軸抗壓強度弱化作用明顯，泡水后泥巖的變形模量、彈性模量、抗剪斷峰值及黏聚力明顯降低。李永志等[39]依據(jù)直剪試驗所得抗剪強度參數(shù)值的變化及微結構特征相關性的分析，研究了紅層泥巖在不同含水率狀態(tài)下的抗剪強度的變化規(guī)律。付國斌等[40]采用X射線衍射技術、掃描電鏡技術及耐崩解儀等技術手段，研究了干濕循環(huán)作用下紅層軟巖微觀結構演化機理及其崩解特征，發(fā)現(xiàn)泥巖較砂巖有更強的崩解特性。張黎明等[41]通過室內(nèi)干濕循環(huán)試驗、無側限抗壓強度試驗和直接剪切試驗，研究了干濕交替作用下炭質泥巖的應力-應變特征、無側限抗壓強度和剪切強度的演化規(guī)律。李桂臣等[42]針對泥巖研究尺度廣、大變形力學機制及水巖作用機理復雜的特點，界定了多尺度研究范疇，闡明了不同尺度下泥巖的物理、化學及力學研究模型，系統(tǒng)地研究了不同尺度下的水巖作用機制，構建了不同尺度相互作用關系的泥巖水巖作用多尺度關聯(lián)體系，并指出多尺度水巖作用在多物理場耦合中的研究前景。

泥巖沉積過程中存在成巖作用較差的泥質膠結，泥質膠結的特性決定了沉積巖的工程性質，降雨和地下水滲流等對泥質膠結特性產(chǎn)生影響。泥巖微觀組分大多以石英和長石等粗顆粒礦物為主，其次為高嶺石和伊利石等黏土礦物，兩種礦物混合黏結在一起形成礦物顆粒骨架，礦物顆粒之間形成泥質膠結。李桂臣等[43]基于離散元理論構建的泥巖顆粒膠結模型(圖1)，膠結類型可簡化為碎屑顆粒之間的膠結(膠結Ⅰ)，黏土顆粒之間的膠結(膠結Ⅱ)和碎屑顆粒、黏土顆粒之間的膠結(膠結Ⅲ)，泥巖強度低和遇水軟化特性主要由巖體內(nèi)部顆粒之間形成的膠結Ⅱ、膠結Ⅲ的數(shù)量決定。

大量微觀試驗研究表明[44-45]，泥巖的水理性質、力學性質與巖石的礦物成分、膠結類型密切相關。

圖1 泥巖顆粒膠結模型[43]Fig.1 Mudstone grain cementation model[43]

楊成祥等[46]通過電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT)技術實時觀察泥巖細觀結構的動態(tài)軟化過程，發(fā)現(xiàn)泥巖在成巖時就存在細觀裂隙，水分子浸入后導致泥巖中黏土礦物體積膨脹、可溶性碳酸鹽發(fā)生溶解，產(chǎn)生負面力學效應，與Jiang等[47]在掃描電鏡和X射線衍射試驗條件下得到的結論一致。泥巖在長時間的浸水過程中，水分子極易進入黏土礦物顆粒之間，形成極化的水分子層，顆粒間的泥質膠結逐漸溶解破壞，再加上黏土礦物的吸水膨脹，造成泥巖內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應力和微觀裂紋、微孔隙等結構性損傷，致使泥巖的力學強度大幅降低[48-50]，且與水巖作用的時間具有高度相關性[51]，受含水量影響較大[52-53]。

Bell等[54]對采自英國Tow Law等地的新鮮風化泥巖樣品進行多種試驗，討論了其可塑性、泥巖強度、各向異性及耐久性等工程性質。Iyare等[55]通過單軸抗壓強度等指標研究泥巖在單軸受壓時的力學性質。Chen等[56]研究了包括泥巖在內(nèi)的4種不同成因天然巖石的不連續(xù)性對強度的影響，發(fā)現(xiàn)裂紋的存在使巖石的整體強度下降，而強度折減的大小與巖石的性質密切相關。泥巖具有明顯的蠕變性質，F(xiàn)abre等[57]進行了3種具有高比例黏土顆粒特征巖石的時間依賴行為試驗，包括對不同取向的組構面進行靜態(tài)或循環(huán)蠕變試驗和準靜態(tài)試驗。結果表明，3種泥質巖石的力學響應具有相似之處，在不穩(wěn)定裂紋擴展開始之前，存在膨脹和體積變形線性發(fā)展階段；蠕變試驗中第2和第3發(fā)展階段存在偏應力閾值，低于該閾值只能觀察到初始蠕變。長期蠕變試驗表明，泥巖在黏塑性變形發(fā)展過程中的體積變化無明顯規(guī)律性，通過試驗后試樣的微觀結構分析，發(fā)現(xiàn)泥巖存在碎裂和顆粒蠕變的現(xiàn)象。

2.2 泥巖中打入樁的承載特性研究

對泥巖地基中的打入樁，黃凱[17]依托實際工程對其承載力進行研究，提出了合理確定承載力的建議。Zhang等[58]采用離散元法模擬管樁內(nèi)土塞的內(nèi)摩擦，對帶有節(jié)理面的泥巖進行推力載荷試驗，研究了泥巖裂隙密度和傾角對樁的影響。Terente等[14]研究了包括泥巖在內(nèi)的軟巖地基中打入樁的承載特性，指出樁的實際承載力明顯高于目前理論方法預測的結果，并提出一種新的樁側摩阻力估算方法。苗德滋等[59]對青島某地區(qū)泥巖打入樁工程靜載曲線出現(xiàn)陡降的情況進行分析，強調(diào)了打樁能量與承載力的相關性。王育興等[60]通過室內(nèi)試驗對沿海某地區(qū)受打樁影響樁周土的力學性質進行分析，認為是打樁造成周圍土體結構的破壞，建議在施工工藝上優(yōu)先考慮采用無沖擊振動的沉樁方式。

泥巖地基中預制樁承載力不足是否為持力層浸水軟化所致，各工程實際情況不同，結論不一。文獻[13]中，試樁首次靜載試驗承載力不足，但試樁復打后，承載力又達到工程需求，判斷承載力降低不是樁端泥巖軟化所致；但表1中所列的工程，存在同一試樁間隔一個月后第二次靜載試驗承載力變小的現(xiàn)象；且同一工程中，試樁承載力不全部滿足設計要求，結果缺乏規(guī)律性。張先偉等[61]通過一系列室內(nèi)外試驗對樁端泥巖軟化特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)樁端泥巖浸水后未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，且樁尖形式、樁芯密封狀態(tài)對泥巖中預制管樁的承載力影響很小，認為泥巖的不均勻互層性是廣東順德地區(qū)樁基頻繁失效的原因所在。葉朝良等[62]通過動力模型試驗對樁端炭質泥巖在浸水前后、動荷載作用下的變形特性進行研究，發(fā)現(xiàn)炭質泥巖浸水后，強度、剛度明顯降低，黏滯性顯著增大，能量耗散能力增強，在動荷載下?lián)p傷程度明顯增加,軟化效應顯著。為研究泥巖地層中樁遇水軟化的問題，有些工程甚至直接進行樁的浸水試驗，文獻[15]對長春地區(qū)樁端進入中風化泥巖的樁進行浸水試驗，發(fā)現(xiàn)浸水試驗樁的沉降比相同條件下的非浸水樁的沉降還小。

實測資料初步表明，泥巖中錘擊打樁能量過大，或強行打入樁會對樁的承載力造成不利影響，如表1中第10項工程。發(fā)生破壞樁的靜載試驗荷載-位移(Q-s)曲線均為陡降型，關于預制嵌巖樁的陡降型曲線，鄭晨等[63]對其做過相關研究，但只局限于對曲線形態(tài)的分析，未涉及內(nèi)在破壞機理。

關于豎向受壓樁的破壞模式，影響最廣的太沙基深基礎破壞模式，把樁的破壞看成在樁端發(fā)生的類似于淺基礎的整體剪切破壞。根據(jù)所在課題組試驗總結出，單樁破壞模式包括激進型破壞、漸進型破壞和壓屈破壞，如圖2中的A、B及C曲線所示。其中激進型破壞在Q-s曲線上表現(xiàn)出明確的破壞荷載，出現(xiàn)陡降段，它是摩擦型樁的典型破壞模式。泥巖樁承載力異?，F(xiàn)象出現(xiàn)時，Q-s曲線均為陡降曲線，但泥巖地基中的樁并不完全是摩擦型樁，說明錘擊打入對樁造成了影響。

圖2 單樁破壞模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of failure mode of single pile

關于陡降型曲線，陳龍珠等[64]采用彈性理論導出了樁的軸向荷載-沉降(P-s)曲線的解析算式，在此基礎上分析了樁側和樁底土的影響，認為如圖3所示的3根初始剛度相同的樁，其陡降型破壞荷載的不同是由樁端持力層性狀的差異造成的。

ub為樁底土彈性極限位移圖3 樁的Q-s理論曲線[64]Fig.3 Q-s theoretical curve of pile[64]

陳智昌[65]考慮損傷作用，采用類似于折減彈性模量E的方法，折減樁周土損傷后的抗剪剛度系數(shù)λ，用于計算樁體位移，對后續(xù)的相關研究具有重要參考價值。

2.3 樁周泥巖損傷特性研究

泥巖屬于典型的巖土材料，當巖土材料受外荷載作用時，內(nèi)部會產(chǎn)生一系列的破壞，已經(jīng)超出彈性材料的范圍，嚴格意義也不屬于塑性材料，所以基于彈性或塑性理論的描述都不適用，而損傷理論從其基本假定到研究方法都比較適合巖土這種材料的特性，且泥巖本身存在初始損傷，預制樁打入時產(chǎn)生的擠土效應，使其產(chǎn)生二次損傷。鑒于此，諸學者針對泥巖損傷問題開展了大量理論試驗研究并取得了一定有益成果。

所謂損傷理論，是結合固體物理學、材料強度理論和連續(xù)介質力學對材料進行研究。通過損傷理論分析所得的結果，既能反映材料的微觀結構變化，又可以說明材料的宏觀特性變化，且計算參數(shù)還是宏觀可測的。損傷理論有兩大分支：能量損傷理論和幾何損傷理論。能量損傷理論將損傷過程視為能量轉換過程，主要應用于金屬類固體材料的損傷、斷裂研究中；而幾何損傷理論認為損傷是因為材料的微裂縫等造成的，它充分利用數(shù)學工具，不局限于微觀機理，實用價值更大。特別是損傷統(tǒng)計理論， 主要關注微觀損傷對宏觀應力應變的影響，緊密聯(lián)系宏觀唯象(唯象理論是試驗現(xiàn)象的概括和提煉)，其數(shù)學處理方法更為簡潔。幾何統(tǒng)計損傷理論已經(jīng)廣泛應用于巖土和混凝土材料的分析計算中。

國外研究方面，文獻[66-69]通過三軸試驗研究了泥巖損傷的彈塑性耦合、考慮熱力學的彈塑耦合、孔隙-塑性耦合以及損傷的非線性均勻化方法，并基于微觀分析和宏觀驗證提出了各自的建模方法及本構模型。

在國內(nèi)，許寶田等[70]對泥巖進行三軸試驗，發(fā)現(xiàn)應力應變曲線存在轉折點，轉折點后應變加大，將該點定為初始損傷點，認為泥巖基元(微元)強度服從Weibull分布，計算了基元強度F和損傷變量D，其中損傷變量與主應力差呈雙曲線函數(shù)關系。

曹文貴等[71-72]認為巖石損傷存在閾值，在閾值前(線彈性變形階段)，巖石變形不會產(chǎn)生損傷，只有在閾值后(巖石材料屈服)，才會產(chǎn)生損傷，且?guī)r石材料的損傷與其所受應力狀態(tài)密切相關，泥巖的應力-應變(σ-ε)軟化過程如圖4所示。強調(diào)建立巖石損傷演化模型時考慮損傷閾值影響的必要性，提出可考慮損傷閾值影響的巖石基元強度度量方法，結合統(tǒng)計損傷理論，建立可考慮損傷閾值影響的巖石損傷演化模型，并提出確定模型參數(shù)的新方法。

OA為彈性變形階段；AB為塑性變形階段；BC為破壞階段圖4 泥巖應變軟化過程[71]Fig.4 Mudstone strain softening process[71]

賈善坡等[73]建立了泥巖彈塑性損傷本構模型反映泥巖軟硬化行為，推導出了泥巖的損傷演化方程，編制了基于泥巖彈塑性損傷本構模型的參數(shù)反演程序，采用反分析法確定泥巖損傷本構模型參數(shù)。

泥巖的細觀損傷力學是巖石力學領域中備受矚目的研究課題之一[74-76]。巖石細觀損傷力學從巖石材料內(nèi)的微裂紋、空洞等細觀尺度出發(fā)，研究巖石內(nèi)各類損傷的形態(tài)、分布及其演化特性，對于受沉積環(huán)境及地質應力影響大的泥巖而言，此研究非常必要。

2.4 泥巖樁現(xiàn)場測試方法及室內(nèi)模型試驗

光纖光柵(FBG)測試方法自1989年問世以來，經(jīng)過多次優(yōu)化和完善，目前此傳感技術已用于各種工程監(jiān)測中[77-79]。在土木工程領域監(jiān)測中，多位學者進行了不斷推進，將不同中心波長的FBG連接多個光柵形成準分布式FBG監(jiān)測網(wǎng)，成功應用于高強混凝土(pre-stress high-strength concrete，PHC)管樁的樁身受力監(jiān)測中[80-83]。

王文靈[84]利用樁邊鉆孔資料研究樁端持力層缺陷，認為白堊系泥巖中管樁樁端承載力不足的原因是存在軟硬相間的地層或持力層厚度不滿足要求。張凱等[85]基于神東礦區(qū)泥巖的吸水、滲流和單三軸壓縮等試驗，獲得了自然和飽水狀態(tài)下砂質泥巖的力學參數(shù)與拉壓變形、滲流曲線及其特征，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)泥巖有顯著的水巖固體軟化效應和流體傳質效應。陸翔等[86]對不同溫度范圍及凍融循環(huán)次數(shù)的泥巖進行室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)泥巖的質量密度、縱波波速變化率、孔隙率和峰值應變與凍融循環(huán)次數(shù)呈正比，抗壓強度和彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)呈反比。Ghadr等[87]采用水力學測試、無損測試和掃描電子顯微鏡監(jiān)測的方法，研究了親水性和疏水性納米硅對泥巖土壤力學性質的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過納米硅處理后的泥巖土具有更高的抗壓強度，為提高泥巖地基承載力提供了新的方法。

由于泥巖取樣及保持天然狀態(tài)的困難性，鮮有泥巖原狀土模型試驗的報道。王炳忠等[88]研制了可加載滲透儀，對膨脹泥巖進行了原狀土和重塑土在不同荷載等級下的滲透試驗。劉傳成[89]采用半相似材料室內(nèi)模型試驗的方法，對降雨影響下黃土泥巖接觸面滑坡的啟動條件及滑移機理進行了模型試驗研究，但半相似材料的制作較為困難，很難準確地反映原狀材料的性質，如果直接采用大直徑的原狀巖芯進行室內(nèi)打樁及靜載模擬試驗則意義較大。

在受打樁影響泥巖的測試方法方面，因為泥巖遇水膨脹的特性，不易制作原狀土樣，因此首先需要解決泥巖取樣制樣的問題，王曉雷[90]研制鉆進及切割設備系統(tǒng)，成功采取和制作出帶有傾斜節(jié)理的泥巖巖芯試樣，用于泥巖性質的研究。

2.5 泥巖地層中樁的數(shù)值模擬

胡啟軍等[91]通過泥巖樁土接觸面的直剪試驗，研究泥巖樁樁土接觸面的力學特性，指出接觸面剪應力先隨剪切位移增大而增大，達到峰值后隨著剪切位移增大而降低，并最終趨于穩(wěn)定值，應力應變曲線表現(xiàn)為應變軟化形態(tài)。羅吉安等[92]基于西原體，將非線性黏塑性體與西原體串聯(lián)得到一種新的泥巖蠕變模型，通過拉式變換得到了相應的蠕變方程。

2Li等[93]對蒙古國某地區(qū)泥巖進行剪切蠕變實驗，揭示了不同法向應力和剪切應力下泥巖的蠕變特征；通過引入非線性彈性體，建立了一種新型的非線性剪切蠕變損傷模型，可以更好地描述不同法向、剪切應力水平下巖石的蠕變特征；采用最小二乘法對變量測試數(shù)據(jù)進行模型驗證。周家全等[94]考慮泥巖中膠結作用的影響，建立了樁-巖界面的剪切本構模型，并結合滑移線法和荷載傳遞理論進行分析，發(fā)現(xiàn)樁-巖界面膠結作用直接影響軟巖嵌巖樁的極限承載力，并在考慮界面膠結作用的前提下，推導了巖石力學性質對剪脹區(qū)、剪切區(qū)樁側摩阻力的影響，如圖5所示。Hu等[95]在室內(nèi)直剪試驗的基礎上，建立了界面軟化本構模型，并結合數(shù)值模擬進行分析，發(fā)現(xiàn)混凝土-泥巖界面軟化作用削弱了樁的承載力。Zhang等[96]在軟巖地區(qū)開口管樁靜載試驗的基礎上，結合軟巖的節(jié)理模型開展了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)軟巖的節(jié)理密度對管樁的承載力有較大影響。

σc為軟巖的單軸抗壓強度；τ為樁側阻力；φ為巖石內(nèi)摩擦角；Δs為樁-巖界面剪切位移；Er為樁側巖土體彈性模量；Ep為樁身彈性模量圖5 巖石力學性質對樁側摩阻力的影響[94]Fig.5 Rock mechanics properties of the influence of pile side friction[94]

3 結論

隨著打入樁在軟弱地基的廣泛應用，泥巖打入樁承載力不足的問題亟待解決，通過對泥巖打入樁承載特性的總結與研究，得到的結論如下。

(1)泥巖因含水量的變化表現(xiàn)出一定程度的膨縮性，打樁會對樁周土產(chǎn)生擠土效應，由于短時間內(nèi)土的不可壓縮性，孔隙水壓力將迅速增加，泥巖遇水軟化崩解的性質則會導致泥巖地基的承載力降低，如果可以人為地控制打樁對泥巖中孔隙水的影響，將極大地提高泥巖地基的承載力。

(2)排除打樁過程對泥巖的影響，對成樁后的泥巖地基中的樁-土作用、樁的破壞模式及靜載曲線的分析表明，泥巖打入樁破壞呈現(xiàn)摩擦型樁特性，證明打樁對泥巖造成不可逆的影響，引起地基承載力的降低。

(3)泥巖細觀損傷力學認為，泥巖的內(nèi)部細觀結構存在微裂縫、微孔洞，且在外荷載的作用下，這些損傷將發(fā)生不可逆的演化，在宏觀層次上，巖石則會表現(xiàn)出力學性能逐漸劣化直至破壞的現(xiàn)象。因此，從細觀的角度研究巖石損傷的形態(tài)、分布及演化特性，并試圖將其與巖石的宏觀破壞機制相關聯(lián)進行研究，必將推動巖石力學的發(fā)展，成為解決泥巖打入樁承載力不足的關鍵。

(4)現(xiàn)場原位試驗與室內(nèi)試驗的開展，可以更好地對受打樁影響的泥巖特性、泥巖樁的承載特性進行研究，進一步推動理論發(fā)展，試驗所得數(shù)據(jù)可為數(shù)值模擬提供參考，數(shù)值模擬的結果又可對試驗結果進行驗證，二者相輔相成，對解決泥巖樁基承載力異常問題至關重要。

4 展望

泥巖樁承載力異常問題存在多年，并且反復出現(xiàn)，與科學技術高度發(fā)展的今天大相徑庭，且現(xiàn)有技術也存在不足之處，考慮到未來泥巖地區(qū)的發(fā)展及樁基工程的實際工程需要，對泥巖樁承載力問題提出以下展望。

(1)完善泥巖取樣技術。目前的單管鉆具鉆取泥巖樣品，因泥巖遇水膨脹，鉆取后巖芯容易在管中脹死，難以取出，強行取出則會對泥巖試樣造成擾動，影響試驗結果，且鉆取的巖芯試樣直徑不符合試驗要求，針對強度不高的巖芯無法進行進一步的切割研磨。建議用單動雙管鉆具取芯代替單管鉆具鉆取泥巖樣品，雙管鉆具中的內(nèi)管固定不動，采用對開管(半合管)，直徑也應直接對應于試驗要求。

(2)在室內(nèi)模型試驗方面，可進行以下改進升級。①利用旋挖鉆取得更大直徑的原狀泥巖巖芯，采用更大的模擬樁直徑及打樁能量；②在模型樁表面涂刷材料，仿制混凝土粗糙度的表面；③在模型樁樁端設傳感器測試打樁和靜載階段的樁端受力；④在原狀泥巖上面加筑黏性重塑土，做成多層土，模擬工程層狀土情況。

(3)動力打樁造成泥巖損傷，與黏性土等第四系土不同，這種損傷不易觸變恢復，因此對泥巖的承載能力影響較大?？紤]這種情況，在進行數(shù)值模擬時應該對損傷區(qū)域賦予不同的參數(shù)值，而不只是按不同土層進行賦值模擬。

(4)泥巖樁承載力問題是一個全國性的難題，不能因為它的工程屬性而降低了對其科學研究價值的評價，希望學術界有更多的力量投入研究。