钻孔压灌桩通过压灌混凝土这种非常规方法成桩，其桩土接触面会契合得更加紧密，桩土作用效果加强，从而有效提高了桩的承载力，因此研究钻孔压灌桩的桩土相互作用具有重要的工程意义．当前国内外学者对钻孔压灌桩的桩土作用开展了大量研究．文献[1]通过静载试验发现钻孔压灌桩竖向承载力的差异是由桩周向外突出引起的；文献[2]用POLUS模拟了螺旋桩的桩土作用，提出了螺旋桩承载力的分析模型；文献[3]研究了长螺旋压灌桩压灌混凝土对桩周土的挤密渗透作用．然而这些研究大都着眼于宏观层面，忽视了压灌水泥浆液对桩周土体的不规则渗透作用在微观层面对钻孔压灌桩承载力的影响．目前以微观角度对钻孔压灌桩桩土作用进行分析还鲜有研究．对此，区别于宏观力学研究，国内外学者采用不同方法研究了土体的微观结构特征．文献[4-6]利用土体扫描电镜(SEM)图像，定量化分析了土体颗粒面积比和孔隙率、孔隙直径、形态比及概率熵等微观结构参数；文献[7]利用电子探针EPMA研究了孔隙和颗粒的各向异性；文献[8]对长螺旋压灌桩钻芯取样，利用SEM在微观层面探究了沿深度变化时水泥浆液在粉质黏土中的渗透规律．这些研究提供了从微观角度研究土体结构的思路和方法，与宏观试验研究相互对应，起到了验证与支撑的作用．本研究结合上述方法，基于室内模型试验对钻孔压灌桩桩土接触面微观结构进行研究．利用自行研制的室内试验装置，通过正交试验的方法，使用图像处理软件IPP6.0和地理信息系统(GIS)技术处理分析钻孔压灌桩与粉质黏土之间桩土接触面的宏、微观图像，计算分析土体孔隙率、孔隙数量、孔隙定向频率及孔隙分形维数等特征参数，探究了压灌压力、水灰比、土体密实度和含水率对钻孔压灌桩在粉质黏土中成桩及水泥浆液渗透效果的影响，探讨桩土接触面微观结构变化规律及与工程宏观表征之间的相互联系．1 试验概况1.1　相似比设计及试验材料对桩径600 mm的钻孔压灌桩取1:15的相似比，模型桩径40 mm，试验单一土层对应地下水位下粉质黏土层，其含水率为21.4%，孔隙比为0.957，重度为17.1 kN·m3，厚度为1.5 m，按相似比取试验桩长为10 cm．考虑实际工程中压灌混凝土中的砂石大颗粒基本不存在渗透情况，本次试验采用纯水泥浆液进行注浆，水泥为P.O 42.5水泥．1.2　试验装置本研究模拟钻孔压灌桩成孔后边压灌混凝土边提升钻杆的工序，试验装置由试验箱、注浆管、钻杆提升机构、压力提供设备和压力调节系统组成．试验箱为高20 cm、半径15 cm的有机玻璃筒，内装土体模拟实际土层；注浆管为长90 cm、内径10 mm的亚克力管，下端外套长15 cm、外径40 mm的注射器针筒并埋在土层中用于模拟土层成孔，可得长10 cm、直径40 mm的模型桩；钻杆提升机构为同轴传动的齿轮-滑条装置，带动注浆管整体匀速上提；压力提供设备为一台最大压力为0.8 MPa的空压机；压力调节系统由调压阀和吹尘枪两部分组成．1.3　正交试验设计因注浆条件和土体情况等因素都会对注浆效果产生影响[9]，故本研究采用正交试验的方法，选取压灌压力、水灰比、土体密实度(用干密度表示)和含水率四个影响因素，每个因素选三个水平，其中压灌压力对应实际工程的3~5 MPa[10]，按相似比取值为0.2~0.4 MPa，水灰比、干密度和含水率的中间水平与实际施工或原土层参数一致，并上下等比例取值(水灰比取20%，干密度取5%，含水率取20%)进行试验，各因素和水平见表1，试验方案见表2．10.13245/j.hust.210512.T001表1正交试验因素水平表水平因素压灌压力/MPa水灰比干密度/(g•cm-3)含水率/%10.20.41.33817.1220.30.51.40821.4030.40.61.47825.6810.13245/j.hust.210512.T002表2正交试验方案表组号压灌压力/MPa水灰比干密度/(g•cm-3)含水率/%10.40.41.33817.1220.40.51.47821.4030.40.61.40825.6840.30.41.47825.6850.30.51.40817.1260.30.61.33821.4070.20.41.40821.4080.20.51.33825.6890.20.61.47817.121.4　试验过程将粉质黏土烘干、碾碎、过筛后，按量分次称取粉质黏土和水；在试验箱中铺一层2 cm厚粉质黏土，均匀洒水振实后，将注浆管置于正中央并保持竖直，用钻杆提升机构下部卡住注浆管边沿；继续以每层2 cm的厚度分层铺土至土层厚度达12 cm，将土表面整平，上覆2 cm厚铁环模拟上层土体荷载；按每组设定的水灰比配置水泥浆液后将其添至注浆管中，依次连接吹尘枪、开关、调压阀和空压机，检查整体连接后打开开关，调节调压阀以调整压灌压力，然后边控制吹尘枪缓慢进气边匀速缓慢提升注浆管开始注浆，对应实际工程中1.5 m/min的提钻速度，按1:15的相似比，试验提杆速度设为10 cm/min，当注浆管完全提出后，试验结束．1.5　试样制备待水泥浆液终凝后，取出模型桩及桩周2 cm内的土体并对其进行切割．为观察到完整的桩土接触面及水泥浆液向桩周土层的渗透情况，将切割机的割片对准桩的正中心沿桩径方向从桩侧进行纵向一次切割，得到试验桩切割后的A，B面，见图1(a)．10.13245/j.hust.210512.F001图1桩土接触面样品加工图将切割后的样品放入50~60 ℃的烘箱中，烘干时间不少于24 h，然后将其置于数码显微镜下用20倍镜对A，B面水泥浆液渗透区域进行低倍显微镜观察；在A，B面的半高处将桩土接触面再次加工为边长小于5 mm的样品，共18个试样，见图1(b)，清洁待观察面后，用导电双面胶将试样固定，经过喷金处理增强导电性后，在扫描电镜下以1 500倍放大观察试样的微观结构，每个试样随机选取无大颗粒和大孔隙的5处进行图像拍摄．2 试验结果分析2.1　桩土接触面表观及微观特征钻孔压灌桩桩土接触面并不是规则的圆滑接触面，会因水泥浆液的渗透和挤土作用不同程度地出现毛刺现象，见图2(a)．水泥浆液在压灌压力的作用下，向成孔周围土体进行渗透和压密，压缩土体孔隙的空间，增大桩周及桩径，并留下长短不一的渗透路径，最长距离达5.57 mm，最宽路径达3.68 mm；部分周围土体在外部出现压力的情况下产生松动并发生位移，对水泥浆液产生挤压，进而压缩水泥浆液空间，小幅度减小桩径．两者共同作用使桩周呈现出凹凸不平的毛刺状态，毛刺的长度多在2 mm以内，在桩周普遍存在，有效增大了桩身与土体的接触面积，同时水泥浆液和土体形成相互咬合的状态，使得桩土接触面契合得更加紧密，桩土作用加强且整体性提高，从而增大桩侧摩阻力．10.13245/j.hust.210512.F002图2桩土接触面表、微观图像在SEM的1 500倍镜下观察桩土接触面试样微观结构如图2(b)，可以看到：桩周黏土颗粒之间存在大小不一的孔隙，在压灌压力的作用下，水泥浆液会向四周土体渗透扩散，普通硅酸盐水泥水化反应主要产物水化硅酸钙开始在孔隙中累积，黏土颗粒表面也出现絮状水泥水化产物；随着水泥水化反应的进行，絮状水化硅酸钙生长成为纤维状，并相互穿插、胶结，将原有孔隙不断划分为更小的孔隙，孔隙逐渐被三维网状的水泥水化产物填充，孔隙空间也被逐渐压缩，最终有效降低土体孔隙率，加强黏土颗粒间的连接，增大桩土接触面土体骨架结构强度和密实度，从而增强桩土作用效果．2.2　桩土接触面孔隙率特征利用Matlab的Otsu算法计算SEM图像的最佳阈值并将图像二值化，灰度低于阈值的区域变为黑色代表孔隙，反之白色代表土颗粒[11]，孔隙与颗粒的像素个数之比即为二维孔隙率；利用GIS将图像灰度值信息转化成高程信息并建立三维模型，模型体积与空间总体积之比即为三维孔隙率[12]．计算后取孔隙率的均值作为试验结果，结果见表3．10.13245/j.hust.210512.T003表3正交试验结果统计表组号二维孔隙率/%三维孔隙率/%定向分布标准差分形维数概率熵148.7152.680.423 71.258 40.989 6254.2355.740.656 21.288 00.987 3350.9951.060.823 41.277 60.989 9460.4163.930.919 31.274 70.993 2555.7858.551.441 81.240 80.978 5657.9262.121.289 31.217 30.991 4760.7465.031.398 11.233 00.981 7861.2164.870.738 51.226 40.987 3965.6067.411.530 41.240 10.966 2进一步进行极差和方差计算，极差计算得孔隙率均值统计表见表4．通过计算不同因素的偏差平方和及自由度，相除得到方差结果，再分别与组内方差最小值相比得到显著性差异值F，与不同显著性水平下的F临界值相比得到各因素影响的显著性程度，结果见表5，表中：F0.01(2，2)=99表示自由度为2和2的两个指标在0.01显著性水平下的F临界值(Fc)为99，以此类推；*的数量代表显著性的程度；—表示不具备显著性．10.13245/j.hust.210512.T004表4孔隙率均值统计表孔隙率水平压灌压力水灰比干密度含水率二维162.5256.6255.9556.70258.0457.0855.8457.63351.3158.1760.0857.54三维165.7760.5559.8959.55261.5359.7258.2160.95353.1660.2062.3659.95%10.13245/j.hust.210512.T005表5正交试验方差分析结果表方差来源偏差平方和自由度方差FFc显著性二维孔隙率/%压灌压力190.80295.40119.79F0.01(2，2)=99F0.05(2，2)=19F0.10(2，2)=9F0.25(2，2)=3***水灰比3.8121.912.39—干密度35.12217.5622.05**含水率1.5920.801.00—三维孔隙率/%压灌压力246.982123.49236.92F0.01(2，2)=99F0.05(2，2)=19F0.10(2，2)=9F0.25(2，2)=3***水灰比1.0420.521.00—干密度26.12213.0625.07**含水率3.1921.603.06*定向分布标准差压灌压力0.68420.3424.18F0.01(2，2)=99F0.05(2，2)=19F0.10(2，2)=9F0.25(2，2)=3*水灰比0.16420.0821.00—干密度0.24520.1231.50—含水率0.17620.0881.07—分形维数压灌压力2.70×10-321.39×10-316.68F0.01(2，2)=99F0.05(2，2)=19F0.10(2，2)=9F0.25(2，2)=3**水灰比1.66×10-420.83×10-41.00—干密度1.69×10-320.85×10-310.18**含水率3.54×10-421.77×10-42.13—由表4可以看出：二维孔隙率和三维孔隙率在四个因素的影响下变化趋势一致，三维孔隙率比二维孔隙率大1.85%~3.94%，这是因为三维模型可以较具体地体现土体颗粒的形状和空间起伏，计算更加精细，而且计算二维孔隙率时阈值的选取也会造成结果差异；孔隙率极差的最大值和最小值分别为12.6%和0.8%，分别由压灌压力和水灰比引起，这说明压灌压力对孔隙率的影响最为显著，而水灰比影响程度最小；随着压灌压力的增大，土体孔隙率不断减小，这是因为压灌状态下水泥浆液对土体挤压程度增大，孔隙被不断渗透填充，孔隙率相应减少，桩土接触面连接更为紧密，实际工程中可以通过适当增大压灌压力(小于土体劈裂强度)的方式有效减小桩周土体的孔隙率，增强桩土相互作用，增大桩侧摩阻力；干密度对孔隙率影响较小，随着干密度的增大，孔隙率先降低后增大，变化范围为4.25%，这表明当土体干密度较低时，土体内部原有孔隙较多，水泥浆液渗透填充相对简单，孔隙率随之降低，当干密度过大时，土体内部结构密实，水泥浆液渗透量较少，对孔隙率影响减小；水灰比和含水率的改变对孔隙率影响不大，孔隙率在1.55%范围内变化．根据表5中方差分析结果可知：压灌压力的F值最大，对孔隙率的影响最为显著，干密度次之，二维孔隙率中含水率和三维孔隙率中水灰比对应F值分别最小，影响最小，结论一致．2.3　桩土接触面孔隙数量分布特征孔隙按孔径(d)可分为四类：d≤1.0 μm为微孔隙；1.0 μmd≤4.0 μm为小孔隙；4.0 μmd≤16.0 μm为中孔隙；d16.0 μm为大孔隙．统计SEM图像中各类孔隙数量如表6所示，其中：中、大孔隙数量均在个位数以内，相对微、小孔隙来说占比很小[13]，不具有统计学意义，故未列出．10.13245/j.hust.210512.T006表6孔隙数量统计表孔隙数量水平压灌压力水灰比干密度含水率微孔隙149166771763924126265985963982591569615小孔隙15693100992648685803139817580由表6可知：微孔隙数量占比最多且变化较为明显，其均值为628个，而除压灌压力影响外，小孔隙数量基本在100个以内呈减少趋势，侧面反映出孔隙率的减小．微孔隙的数量在因素取值小的条件下均高于平均值，这是因为此时水泥浆液渗透力度较小，能将较大孔隙划分为微孔隙而无法将微孔隙完全填充，此消彼长下使得微孔隙数量增多；在各因素取值增大后，微孔隙填充率不断增大，其数量也随之减少，表明桩土接触面内骨架结构压密且强度增大，桩土结合效果变好，桩侧摩阻力增大．另外，压灌压力的改变对微孔隙数量影响最大，随着压力增大，水泥浆液不断渗透，微孔隙数量变化趋势取决于分化速度与微孔隙填充速度的快慢差异，呈现先减后增趋势．随着水灰比和干密度的增大，孔隙被水泥浆液和土颗粒互相挤压填充，微孔隙数量在600个上下呈减少趋势．当含水率变化时，微孔隙数量相对在小范围波动，影响较小．2.4　桩土接触面孔隙定向分布特征通常认为孔隙角度为其等效椭圆长轴与垂线的夹角，统计某一角度内的孔隙数量就可以确定其定向频率，将其0°~180°内所有区域的孔隙定向频率进行统计就可以反映孔隙的平面定向性规律[14]．以10°为一区间统计每区间内孔隙的数量所占百分比，其范围为3.08%~8.49%，组内区间之间孔隙数量占比最大极差为4.90%，进一步计算每组所有区间内的孔隙个数占比标准差，其大小反映孔隙定向性的强弱，结果见表3．孔隙定向分布标准差方差分析和均值统计结果见表5和表7，可以看出：孔隙定向分布标准差范围为0.63%~1.22%，数值小且变化较小，表明桩土接触面孔隙方向总体趋于均匀，定向性较弱，反映出区域内土体颗粒结构复杂，桩土整体性和相互作用强，各因素的F均较小，显著性不太明显．其中压灌压力对应的极差最大为0.59%，F的显著性也最大，表明其对孔隙定向性影响最大，随着压灌压力的增大，定向分布标准差减小，这是因为随着水泥浆液渗入，孔隙填充效果明显，较大孔隙网状水化产物被分割为非定向的小孔隙，孔隙在水化产物将不同方向的分布趋于相近，定向性减弱．另外，土体干密度直接影响内部孔隙的数量和大小，随着干密度增大，土体颗粒压密，孔隙压缩，方向趋于一致，当干密度过大时，部分大的土颗粒破碎成小颗粒，孔隙进一步压缩成定向性差的小孔隙，定向性相应减弱．而随着水灰比的增大，水泥浆液逐渐变稀，单位体积内水泥水化产物减少，孔隙分化填充效果减弱，定向分布标准差持续增大，定向性增强．此外，土体含水率的增大便于水泥浆液渗透填充，导致孔隙定向性能减弱．但由于后三因素的改变对定向分布标准差的影响最大只有0.4%，其F也不具备显著性，因此对孔隙定向频率分布影响较小．10.13245/j.hust.210512.T007表7孔隙定向分布标准差均值统计表水平压灌压力水灰比干密度含水率11.222 30.913 70.817 21.132 021.216 80.945 51.221 11.114 530.634 41.214 41.035 30.827 1%概率熵H同样是用来描述孔隙定向性的参数，其定义为H=-∑i=1kQilgQi，式中：Qi为特定区间内孔隙数量占比；k为区间数．通过18个区间的孔隙占比值计算每组试样的概率熵，若H趋近于1，则孔隙定向性弱，各方向孔隙数量均匀；反之，则孔隙趋近于同一方向[15-16]．孔隙概率熵计算结果见表3，其均值统计见表8．10.13245/j.hust.210512.T008表8孔隙概率熵均值统计表水平压灌压力水灰比干密度含水率10.978 10.988 20.989 40.978 120.987 70.984 40.983 40.986 830.988 90.982 50.982 20.990 1对比表7和表8可知：概率熵与孔隙定向分布标准差代表的意义相反，除干密度外，孔隙定向性随因素变化趋势一致，均可用于分析孔隙定向性．概率熵Ｈ值变化范围为0.918 7~0.990 1，均靠近1且差距较小，表明孔隙各方向分布较均匀．F计算值非常小，故未列出，表明各因素均不具有显著性，而这可能是造成干密度的影响趋势不一致的原因．2.5　桩土接触面孔隙形状分布特征孔隙形状多用分形维数(D)来定义，用以描述孔隙复杂度随其面积的变化规律，通过统计孔隙的周长(C)和面积(S)并转化为对数值，代入如下公式，即lgCm=D/2lgSm2+c，式中c为常数．在获得其双对数图像后，拟合直线的斜率乘以2即为分形维数的值．分形维数越大，表明孔隙轮廓越曲折复杂，微观结构越复杂[17]．其计算结果在表3中已给出，均值统计见表9．10.13245/j.hust.210512.T009表9孔隙分形维数均值统计表水平压灌压力水灰比干密度含水率11.233 21.245 41.234 01.246 421.244 31.261 71.250 51.246 131.274 71.245 01.267 61.259 6由表9可知：孔隙分形维数在1.23~1.28范围内变化，压灌压力和干密度影响下的分形维数极差较大，影响显著，与表5中F值显著性结果一致．随着压灌压力的增大，孔隙分形维数不断变大，这是因为孔隙结构反映土体颗粒结构，当压灌压力增大时，孔隙被纤维网状水泥水化产物填充，颗粒骨架结构复杂化，孔隙复杂程度加深，表明桩土结合更加紧密且整体性相应提高，有利于工程施工；随着干密度的增大，孔隙不断被压缩并由大变小，变化的过程中结构复杂程度加深，导致孔隙分形维数持续变大．而水灰比和含水率的极差和F值相对较小，影响不显著．2.6　回归分析利用多元线性回归模型对上述二维孔隙率、三维孔隙率、定向分布标准差、分形维数和概率熵微观结构参数进行线性回归分析，分别记为y1~y5，回归方程见表10，表中α，β，χ和δ分别为压灌压力、水灰比、干密度和含水率．10.13245/j.hust.210512.T010表10回归方程回归方程R2y1=26.909-56.033{α}MPa+7.750β+29.952{χ}g/cm3+0.098δ0.945y2=54.294-63.050{α}MPa-1.750β+17.899{χ}g/cm3+0.048δ0.894y3=-0.258-2.940{α}MPa+1.503β+1.581{χ}g/cm3-0.036δ0.681y4=0.847+0.208{α}MPa-0.052β+0.243{χ}g/cm3+0.002δ0.942y5=1.025+0.053{α}MPa-0.028β-0.052{χ}g/cm3+0.001δ0.893可以看出：回归方程y3的相关系数R2值较小，表明各试验因素与定向分布标准差的相关性较差，而其余R2值都接近于1，相关性较好，相应回归方程组可用于实际工程中，为压灌桩施工提供参数选取的理论依据．通过对比各变量系数可知：压灌压力变量系数绝对值最大，对各微观结构参数的影响最为显著，其次是干密度，含水率的影响程度最小，与前面的结果符合．3 结论本研究利用自主设计的试验装置对钻孔灌注桩进行室内正交试验，分析了不同压灌压力、水灰比、干密度和含水率下钻孔灌注桩桩土接触面的表观、微观特征及孔隙率、孔隙定向性和孔隙分形维数等微观结构参数随之变化的规律，得出以下结论．a. 在压灌作用下，水泥浆液的渗透填充作用使桩土接触面出现大量毛刺，加大桩土接触面积，增强桩土作用及整体性以增大桩侧摩阻力，微观层面表现为颗粒间孔隙被三维网状水泥水化产物填充，颗粒间互相连接，土体结构加强加密．b. 压灌压力对微观结构参数影响最显著，随着压灌压力的增大，水泥渗透作用增强，孔隙被分割填充，孔隙率减小，微孔隙数量增多，孔隙定向性减弱，孔隙结构趋向复杂化；土体干密度对孔隙率和分形维数影响较为显著，当干密度增大时，水泥渗透影响减小，孔隙率先减后增，孔隙复杂程度加大．c. 水灰比仅对三维孔隙率有一些显著影响，而含水率则对所有微观结构参数影响均不显著，在施工过程中可忽略其对桩土作用的影响．d. 多元线性回归分析结果显示：除定向分布标准差外，其余微观结构参数与各因素相关性均较好，回归方程组可用于实际工程中，为压灌桩施工提供参数选取的理论依据．综上可知：当工程中应用钻孔压灌桩时，可通过适当加大压灌压力和压密土体的方法，加强水泥浆液的渗透效果和孔隙填充效果，增强桩土接触面土体结构强度及桩土相互作用，促进桩土整体性提高，从而提升桩侧摩阻力．