受動(dòng)力打樁影響的泥巖宏細(xì)觀力學(xué)特性室內(nèi)試驗(yàn)研究

張亞妹，孫淦，白曉宇，桑松魁，張明義，許永亮，麻棟棟

(1. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島，266033；2. 中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京，100043)

動(dòng)力打樁對地基土?xí)a(chǎn)生擾動(dòng)，也會(huì)改變地基土中的應(yīng)力分布，進(jìn)而影響周圍巖土體的巖石強(qiáng)度，此現(xiàn)象在泥巖地基中尤為突出。因此，探究打樁影響下泥巖強(qiáng)度的變化特性尤為重要。

土體微觀結(jié)構(gòu)作為土體的一個(gè)重要力學(xué)指標(biāo)，在確定土的工程性質(zhì)時(shí)十分關(guān)鍵。它既反映了土體的形成條件，又是決定土體物理、力學(xué)及其他性質(zhì)的重要因素[1]。工程土體在宏觀上所表現(xiàn)出的非連續(xù)性、不均勻、各向異性和不確定性等復(fù)雜特性，從根本上取決于土體微觀結(jié)構(gòu)的非連續(xù)性和不確定性，是其介質(zhì)結(jié)構(gòu)與組分非線性的直接體現(xiàn)，因此，分析土體的微觀結(jié)構(gòu)，獲得相應(yīng)定性、定量化的信息意義重大。目前，掃描電子顯微鏡是觀察土體微觀結(jié)構(gòu)最常用也是最有效的手段，通過掃描電子顯微鏡可獲得大量直觀的土體結(jié)構(gòu)形貌信息[2-6]。倪驍慧等[7-8]利用掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，實(shí)現(xiàn)了巖石破裂全過程的顯微與宏觀實(shí)時(shí)的數(shù)字化監(jiān)測、控制、記錄及分析的巖石力學(xué)試驗(yàn)，得到了巖石受荷過程中微裂紋的面積、長度、寬度和方位角等基本幾何數(shù)據(jù)，描述了巖石試樣單軸壓縮過程中的破壞機(jī)制，并對循環(huán)荷載作用下花崗巖SEM 圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)微裂紋中以沿晶裂紋發(fā)育速度最快，且晶裂紋的發(fā)展過程消耗了大部分能量。ALVARADO 等[9]對比了零應(yīng)力狀態(tài)和卸載后的砂巖SEM 圖像，發(fā)現(xiàn)卸載后的砂巖試樣SEM 圖像出現(xiàn)裂縫，表明卸載可能是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。張強(qiáng)等[10]開展了鹽巖試樣的單軸疲勞試驗(yàn)，利用SEM 觀測試驗(yàn)前后鹽巖試樣的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在循環(huán)荷載的作用下，鹽巖試驗(yàn)內(nèi)部的大孔隙和總孔隙數(shù)量增加，小孔隙數(shù)量減小，鹽巖內(nèi)部裂紋發(fā)育以晶間裂紋的生成為主。

三軸試驗(yàn)是測定巖石強(qiáng)度指標(biāo)的基本方法，通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得到巖土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)——黏聚力c和摩擦角φ。不同巖石的強(qiáng)度指標(biāo)不同，而泥巖作為軟質(zhì)巖石，其性質(zhì)不同于一般的硬巖、硬土，當(dāng)泥巖中含有較多的親水礦物(主要為蒙脫石)時(shí)，往往表現(xiàn)出膨脹性[11]，因此，通過三軸試驗(yàn)來確定泥巖的強(qiáng)度指標(biāo)十分重要。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對巖石的力學(xué)特性開展了室內(nèi)外試驗(yàn)研究。LIU 等[12]通過對完整和節(jié)理巖樣的循環(huán)單軸壓縮試驗(yàn)，對模擬得到的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和疲勞變形模量的理論進(jìn)行驗(yàn)證，證明了模擬理論的準(zhǔn)確性。YANG等[13]對泥巖試樣進(jìn)行了單級和多級三軸壓縮試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值模擬，通過力場分析揭示了多級三軸壓縮下泥巖試樣的損傷演化機(jī)制。王貴榮等[14]對紅砂巖試樣在不同圍壓條件下的三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增大，巖石的峰值強(qiáng)度也隨著增高；體積應(yīng)變在峰值后表現(xiàn)出很大的剪脹性，并提出了一種線性本構(gòu)模型。肖維民等[15]通過對柱狀節(jié)理巖體在不同圍壓下的三軸試驗(yàn)，研究了柱狀節(jié)理巖體的變形和強(qiáng)度特性，總結(jié)了柱狀節(jié)理巖體在三軸壓縮狀態(tài)下的4種典型破壞類型，并分析了其破壞機(jī)制。馬秋峰等[16]通過不同圍壓下巖樣的加-卸載三軸試驗(yàn)，分析了巖石損傷過程中耗散能-損傷變量的關(guān)系，建立了損傷耗能率表達(dá)式和損傷-塑性本構(gòu)模型。

綜上所述，目前對巖石的力學(xué)特性已經(jīng)開展了豐富的研究，并取得了一些有益的研究成果，但是大部分研究僅針對巖石的SEM 圖像進(jìn)行細(xì)觀分析或巖石三軸/單軸試驗(yàn)研究，鮮有對泥巖尤其是動(dòng)力打樁前后泥巖的宏觀力學(xué)特性與其微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行深入剖析。鑒于此，本文作者從宏細(xì)觀角度對打樁影響的泥巖強(qiáng)度變化進(jìn)行研究，對青島地區(qū)受打樁影響的樁周泥巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行SEM 分析，通過單軸與三軸抗壓試驗(yàn)分析其單軸抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度的演化；然后，將宏觀上三軸試驗(yàn)測得的內(nèi)摩擦角與細(xì)觀上利用圖像處理軟件確定的破裂面角度ψ進(jìn)行對比，揭示受動(dòng)力打樁及靜載試驗(yàn)影響下樁周泥巖力學(xué)性能的演化機(jī)制。

1 泥巖樣品電鏡掃描分析

為探究動(dòng)力打樁作用下樁周泥巖的損傷情況與微觀結(jié)構(gòu)特征以及泥巖地基打入樁承載力異常的樁周泥巖力學(xué)特征，對靜載試驗(yàn)破壞樁和未破壞樁的樁周泥巖進(jìn)行取樣，其中，破壞樁是指單樁承載力不滿足設(shè)計(jì)要求的樁，未破壞樁是指承載力滿足設(shè)計(jì)要求的樁，使用掃描電子顯微鏡(SEM)對泥巖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀分析。SEM試樣信息見表1。

表1 掃描電鏡樣品信息Table 1 Scanning electron microscope (SEM) sample details

1.1 SEM試驗(yàn)準(zhǔn)備

為明確探查不同貫入度的樁周泥巖損傷情況，取樁端以上0.5 m 處、樁端處及樁端以下0.5 m 處的樣品進(jìn)行SEM 分析。為獲得較真實(shí)泥巖樣品的微觀結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡可能保持樣品的原有狀態(tài)，并保持干燥以保證其良好的導(dǎo)電性。掃描觀察前，將泥巖樣品切成小塊，然后用膠帶紙粘去表面的碎屑，接著將小塊小心掰斷，獲得未受擾動(dòng)的新鮮結(jié)構(gòu)面，作為電鏡掃描的觀察面。注意盡量保持新鮮面的平整，并用洗耳球吹除樣品表面的浮層及擾動(dòng)顆粒。最后，用小型離子濺射儀噴鍍一層薄金膜，鍍膜完成將樣品固定在樣品臺(tái)上進(jìn)行觀察。

試驗(yàn)儀器采用日立SU8000 型掃描電鏡，其具有分辨率高、信號(hào)探測系統(tǒng)范圍廣、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，放大倍率范圍為10～100 000倍。

1.2 SEM試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)所用砂質(zhì)泥巖的黏粒大于5 μm 的顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于60%，用放大2 000 倍的SEM 觀察發(fā)現(xiàn)，單個(gè)顆粒粒徑顯示為10 mm，顯示比例過大，SEM 圖像中不能完整地顯示裂隙及孔隙結(jié)構(gòu)，不利于觀察。因此，對泥巖樣品進(jìn)行微細(xì)觀分析時(shí)，SEM 放大倍數(shù)不宜過大。潘留生[17]對泥巖在不同放大倍數(shù)下的SEM 分析，結(jié)果表明：放大500倍時(shí)能夠清晰反映整體結(jié)構(gòu)分布，放大1 000 倍時(shí)可以探查具體結(jié)構(gòu)特征。因此，本文在研究分析泥巖因動(dòng)力作用導(dǎo)致出現(xiàn)的損傷裂隙時(shí)，采用500 倍和1 000 倍的SEM 圖像，分別如圖1和圖2所示。

圖1 放大500倍巖樣SEM圖像Fig. 1 SEM images of rock sample magnified by 500 times

圖2 放大1 000倍巖樣SEM圖像Fig. 2 SEM images of rock sample magnified by 1 000 times

由圖1(a)和2(a)可知：未受打樁影響的泥巖樣品的微觀結(jié)構(gòu)有初始缺陷但不明顯，整體上為均勻的絮凝結(jié)構(gòu)，黏土礦物集粒、石英和長石等礦物相互搭接，顆粒粒度及孔隙分布基本均勻。由圖1(b)、1(c)和圖2(b)、2(c)可知：受打樁影響，靜載未破壞的泥巖樣品的微觀結(jié)構(gòu)基本均勻，但與未受打樁影響鉆孔取出的樣品相比，孔隙量增加、裂隙寬度有所增大。由圖1(d)、1(e)和圖2(d)、2(e)可知，對于受打樁影響且靜載試驗(yàn)破壞的樁周泥巖，樁端上0.5 m處泥巖的微觀結(jié)構(gòu)受打樁影響表現(xiàn)出不規(guī)則形貌，顆粒粒度和分布不均勻，孔隙有所增大，局部出現(xiàn)裂隙且有出現(xiàn)空洞的趨勢；而樁端下方0.5 m處泥巖原本的均勻絮狀結(jié)構(gòu)完全被破壞，聯(lián)結(jié)較好的黏土礦物集粒和碎片狀或塊狀集合體仍保持整體性，而聯(lián)結(jié)較差的分解為碎屑，顆粒粒度不均勻，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生重分布，局部出現(xiàn)較大的裂隙。

由上述可知：1) 動(dòng)力打樁對樁周泥巖的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，未受打樁影響的巖樣雖然有初始缺陷，但微觀絮凝結(jié)構(gòu)均勻，無連續(xù)結(jié)構(gòu)裂縫與孔隙；而受動(dòng)力打樁影響的巖樣在樁端上、下方均產(chǎn)生了打樁引起的結(jié)構(gòu)裂縫，且樁端下方結(jié)構(gòu)損傷程度更為明顯；2) 受打樁影響且靜載試驗(yàn)破壞樁的樁端以下泥巖受到的二次損傷更為嚴(yán)重，裂隙數(shù)量與面積明顯增大，結(jié)構(gòu)完整度差，與靜載試驗(yàn)非破壞樁相同位置處泥巖相比發(fā)生了明顯的結(jié)構(gòu)損傷演化。

2 泥巖的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為探究動(dòng)力打樁后樁周泥巖抗壓強(qiáng)度的變化，分別選取打樁前和打樁后樁端附近的中風(fēng)化泥巖進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，試樣直徑×高度為50 mm×100 mm，試驗(yàn)儀器采用GDS-ETAS，最大軸向力為100 kN。泥巖樣品浸水飽和且易發(fā)生崩解，故在保持原狀且時(shí)間較短的情況下，規(guī)范允許不進(jìn)行飽和，即泥巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度可用天然含水量的單軸抗壓強(qiáng)度代替。

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

泥巖力學(xué)性質(zhì)具有不均勻性，同時(shí)，為了比對試驗(yàn)結(jié)果與整個(gè)場地的泥巖強(qiáng)度差異，在勘察階段對場地內(nèi)的泥巖進(jìn)行了巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)，換算得到單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。

表2 中風(fēng)化泥巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果Table 2 results of medium weathered mudstone point load test

打樁前后單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果分別見表3和表4。由表3 可知：泥巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度平均值為1.56 MPa，低于點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果。究其原因，巖塊點(diǎn)荷載試驗(yàn)的中風(fēng)化泥巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度是由強(qiáng)度偏高的巖石推算得到，而且試驗(yàn)得出的泥巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度普遍低于國內(nèi)其他文獻(xiàn)給出的泥巖抗壓強(qiáng)度，這與其他文獻(xiàn)的都是微風(fēng)化或未風(fēng)化泥巖的抗壓強(qiáng)度有關(guān)。另外，對試樣BP01～BP04是在三軸儀上進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，可以由獲得的試驗(yàn)曲線的初始段計(jì)算彈性模量。試樣BP01～BP04 的彈性模量分別為127、181、166、174 MPa，平均值為162 MPa。工程勘察階段點(diǎn)荷載試驗(yàn)得到泥巖彈性模量的平均值為35 MPa，可見，試樣實(shí)測彈性模量平均值為點(diǎn)荷載試驗(yàn)彈性模量平均值的4.6倍。

表4 打樁后泥巖單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of uniaxial compression test of mudstone after piling

對比表3和表4可知，打樁后不同深度處泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度下降了6.2%～51.4%；打樁前后泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度平均值分別為1.56 MPa和1.12 MPa，相較于打樁前，打樁后泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值降低約28.2%，由此可見打樁對樁周泥巖單軸抗壓強(qiáng)度的影響較為明顯。

3 泥巖三軸試驗(yàn)

對打樁后泥巖進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，獲得動(dòng)力打樁影響的泥巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并分析打樁對泥巖抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)儀器為GDS-ETAS，最大圍壓為32 MPa，最大軸向力為100 kN，試驗(yàn)圍壓選取0.5、1.0、1.5、2.0 MPa 共4 個(gè)等級，試樣直徑×高度為50 mm×100 mm。因受打樁影響的泥巖損傷，部分試驗(yàn)無法取得理想的數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)結(jié)果較差的試驗(yàn)追加一次平行試驗(yàn)，選取試驗(yàn)結(jié)果中較為理想的試樣。

3.1 試樣制備

研究者對泥巖的單軸及三軸試驗(yàn)開展了較多研究[18-20]，但一般取微風(fēng)化或未風(fēng)化的泥巖，因微風(fēng)化或未風(fēng)化的泥巖具有硬質(zhì)巖石的特征，能夠按常規(guī)巖石的試驗(yàn)方法測試其力學(xué)指標(biāo)，鮮見有對中風(fēng)化泥巖制備試樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)的報(bào)道。對于中風(fēng)化泥巖，特別是泥巖受到動(dòng)力打樁影響后，試樣制備難度更大。用于普通巖石的截?cái)嗄ブ品椒ㄒ巡贿m用，因?yàn)樵谠嚇又苽溥^程中稍加打磨試樣就會(huì)發(fā)生破壞；同時(shí)，用于黏性土制樣的削土刀、普通鋼絲鋸也不適用，因?yàn)闃悠诽?，只能用鋒利的美工刀(刻刀、壁紙刀)精細(xì)緩慢地削刻，用銳齒鋼絲鋸切斷試樣，試樣制作完畢后立即裝入塑料袋并儲(chǔ)存于密封容器內(nèi)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

受動(dòng)力打樁影響的樁端處泥巖三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3，其中，縱坐標(biāo)為偏應(yīng)力q=σ1-σ3，橫坐標(biāo)為軸向應(yīng)變?chǔ)?。

圖3 受打樁影響的樁端附近泥巖三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Stress-strain curves of t mudstone triaxial test near pile end affected by piling

根據(jù)圖3的試驗(yàn)曲線，并參考陳立宏等[21-22]提出的理論，整理抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，σ1-σ3曲線為線性關(guān)系為

式中：a和b分別為擬合直線的截距及斜率。

從而可得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ分別為

根據(jù)式(1)～(3)，求得第1 組和第2 組泥巖三軸試驗(yàn)結(jié)果分別為c=208.1 kPa、φ=20.7°以及c=226.3 kPa、φ=22.5°，其平均值為c=217.2 kPa、φ=21.6°。

鑒于試樣的破裂面規(guī)則且明顯可測，嘗試根據(jù)試樣破裂角推算內(nèi)摩擦角。首先確保垂直于試樣破裂面拍照，再利用圖像處理軟件PicPick 確定照片中破裂面的角度ψ，泥巖試樣破裂角ψ量測示意圖如圖4所示，最后按式(4)計(jì)算內(nèi)摩擦角。

圖4 泥巖試樣破裂角量測示意圖Fig. 4 Measurement diagram of fracture angle of mudstone samples

由破裂角確定的內(nèi)摩擦角為23.2°，與按三軸試驗(yàn)曲線計(jì)算的內(nèi)摩擦角平均值21.6°相差6.9%，二者吻合較好。本試驗(yàn)得到受擾動(dòng)泥巖的內(nèi)摩擦角較小，分析原因主要有兩方面：一是本文泥巖為中風(fēng)化泥巖，力學(xué)性質(zhì)比微風(fēng)化或未風(fēng)化泥巖的低；二是因動(dòng)力打樁過程樁端附近的泥巖損傷較嚴(yán)重，三軸試驗(yàn)的試樣取自樁端附近的中風(fēng)化泥巖，樁端附近泥巖在樁動(dòng)力貫入過程中遭受動(dòng)力擠壓擾動(dòng)，易造成結(jié)構(gòu)損傷，SEM 試驗(yàn)結(jié)果也表明樁周泥巖微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，單軸試驗(yàn)結(jié)果表明樁周泥巖打樁后強(qiáng)度平均降低28.2%，這些結(jié)果與泥巖的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)摩擦角較小的結(jié)論相一致。

4 結(jié)論

1) 對受動(dòng)力打樁影響的中風(fēng)化泥巖進(jìn)行掃描電鏡、單軸抗壓及三軸剪切試驗(yàn)，根據(jù)泥巖實(shí)際性狀提出了適宜的取樣及制樣制備方法，驗(yàn)證了采用本文提出的試樣制備方法制備強(qiáng)度偏低的泥巖的可行性。

2) 受動(dòng)力打樁影響和不受打樁影響的泥巖試樣SEM 圖像對比分析結(jié)果表明動(dòng)力打樁對樁周泥巖結(jié)構(gòu)影響顯著，致使泥巖造成結(jié)構(gòu)性損傷，且樁端下方泥巖的結(jié)構(gòu)損傷程度更為明顯。

3) 動(dòng)力打樁對泥巖強(qiáng)度的影響明顯，未受打樁影響的中風(fēng)化泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值為1.56 MPa，受動(dòng)力打樁影響的中風(fēng)化泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均降低了28.2%。原狀巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度比基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)得到的結(jié)果偏低，說明泥巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)選用的巖塊可能高估了其單軸抗壓強(qiáng)度。

4) 通過不同方法獲取了打樁擾動(dòng)后樁周泥巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。三軸試驗(yàn)曲線得到的黏聚力為217.2 kPa、內(nèi)摩擦角為21.6°。采用圖像處理軟件可精準(zhǔn)確定泥巖試樣的破裂面角度，進(jìn)而推算出泥巖的內(nèi)摩擦角，其與三軸試驗(yàn)曲線獲得的結(jié)果僅相差6.9%。