鉆孔灌注樁樁頭靜態(tài)破碎原理與裂紋發(fā)展機理

李小龍， 關(guān)盛杰， 高 帥， 王彥軍， 劉世強， 孔德森

(1.中國冶金地質(zhì)總局青島地質(zhì)勘查院， 青島 266061； 2.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 青島 266590；3.山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室， 青島 266590； 4.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 濟南 250101)

灌注樁是一種重要的基礎(chǔ)形式，其施工工藝成熟、成本相對較低，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種土木工程領(lǐng)域。目前常用的樁頭破除方法無法達到理想的處理效果。靜態(tài)破碎技術(shù)是將破碎劑(SCA)攪拌成漿體灌入結(jié)構(gòu)物的鉆孔中，破碎劑水化反應(yīng)過程體積膨脹而產(chǎn)生徑向膨脹壓，混凝土等脆性材料因抗拉強度低而產(chǎn)生裂紋并逐漸發(fā)展直至結(jié)構(gòu)物破碎。靜態(tài)破碎技術(shù)自問世以來，以其無噪音、無飛石、無振動、無有毒氣體等優(yōu)勢，在人口密集城區(qū)、重要交通干線和特殊設(shè)備周圍結(jié)構(gòu)物的拆除中得到了廣泛應(yīng)用[1]。因此，將靜態(tài)破碎技術(shù)應(yīng)用到樁頭處理工程中，是一個新的技術(shù)方案，可獲得顯著的經(jīng)濟技術(shù)效益。

為了優(yōu)化靜態(tài)破碎技術(shù)方案和推廣其應(yīng)用，中外學(xué)者進行了相應(yīng)的研究。Cambatese[2]等向素混凝土內(nèi)灌注破碎劑漿液，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)孔深為孔徑的6～12倍、孔距為孔徑的4～10倍時，混凝土開裂。唐烈先等[3-4]通過物理試驗與RFPA2D數(shù)值試驗研究了單孔與雙孔混凝土試塊在靜態(tài)破碎劑作用下的破壞過程，并得出：單孔方形混凝土試塊的裂紋擴展呈三條主裂紋形式發(fā)展；雙孔混凝土試塊裂紋貫通的經(jīng)理合理孔間距為50 cm。李巖等[5]研究了破碎劑溶液在不同拌合溫度下的溫度反應(yīng)規(guī)律和體積膨脹規(guī)律，結(jié)果表明：初始拌合溫度只會影響前期反應(yīng)溫度，對反應(yīng)達到的最高溫度沒有影響。姜楠等[6]基于實驗數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值計算結(jié)果，使用數(shù)據(jù)擬合方法對靜態(tài)破碎時巖石中的應(yīng)力分布彈性模型進行修正，得到了應(yīng)力分布方程。鄭志濤等[7]用不同直徑的高強鋼管來模擬不同直徑的鉆孔，研究了鉆孔直徑對膨脹壓的影響，發(fā)現(xiàn)相同水灰比條件下，膨脹壓隨著鉆孔直徑增大而增大，但不同直徑鉆孔膨脹壓達到最大值所需的時間基本相同。Laefer等[8]通過電阻應(yīng)變測量法研究了孔徑對水化熱和膨脹壓的影響，結(jié)果表明：孔洞中部膨脹壓最大，頂部由于破碎劑體積束縛減弱而膨脹壓最小。謝益盛等[9]對破碎劑的膨脹力學(xué)特性進行了深入的研究，對比分析了水灰比、拌合溫度和孔徑對膨脹壓力的影響，提出靜態(tài)破碎劑的最佳水灰比應(yīng)控制在0.2～0.3，并總結(jié)分析出水化反應(yīng)的4個階段：水化反應(yīng)預(yù)熱、快速反應(yīng)膨脹、熱量散逸降壓和壓力穩(wěn)定。

以上研究多是針對破碎劑作用機理和膨脹效果影響因素等方面的研究，而對于工程實踐的研究較少?；诖?，現(xiàn)主要針對直徑為600、800 mm的樁基礎(chǔ)，研究利用靜態(tài)破碎劑破除樁頭時的致裂機理和破除方案優(yōu)化，以期為靜態(tài)破碎技術(shù)推廣到樁頭處理實踐提供指導(dǎo)。

1 樁頭靜態(tài)破碎力學(xué)原理

混凝土屬于脆性材料，抗拉強度遠低于抗壓強度，當(dāng)單元拉應(yīng)力大于抗拉強度時混凝土即破壞，根據(jù)彈性力學(xué)厚壁圓筒理論，膨脹壓P與距離管壁任意半徑r處的一個單元體受力關(guān)系為

(1)

(2)

式中：σr為徑向應(yīng)力，MPa；σθ為環(huán)向應(yīng)力，MPa；P為孔內(nèi)膨脹壓力，MPa；r為厚壁圓筒內(nèi)任意一點到孔心的距離，mm；R為鉆孔內(nèi)半徑，mm。

對于雙向受力情況，膨脹孔內(nèi)產(chǎn)生的膨脹壓為

σt=σθ-νσr

(3)

式(3)中：ν為泊松比。

聯(lián)立式(1)～式(3)可得

(4)

由于膨脹壓直接作用在鉆孔孔壁上(即r=R)，則孔壁單元破壞并產(chǎn)生裂縫的條件是：

σt=(1+ν)P≥Rt

(5)

式(5)中：Rt為混凝土材料的抗拉強度。

2 樁頭裂紋發(fā)展數(shù)值計算模型的建立

RFPA2D(realistic failure process analysis)是模擬巖石、混凝土等脆性材料漸進破壞過程的分析軟件，分析過程包括以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的應(yīng)力分析階段和以彈性損傷理論及修正的摩爾-庫倫損傷準則為基礎(chǔ)的破壞分析兩個階段，應(yīng)力分析階段基于有限單元法，破壞分析階段是根據(jù)一定的破壞準則來判斷單元的損傷狀態(tài)，對于出現(xiàn)損傷的單元進行剛度退化處理[3]。在每一個加載步中首先進行的是應(yīng)力分析，軟件會遍歷每一單元的應(yīng)力狀態(tài)來判斷單元是否出現(xiàn)損傷，如果沒有損傷單元，則進行下一分析步的計算，如果有單元進入損傷狀態(tài)，則進行剛度退化處理，并重新進行本分析步的運算。

混凝土是細集料與粗骨料組合而成的混合材料，因此其微觀材料力學(xué)性質(zhì)具有不均勻性，RFPA2D為了將介質(zhì)單元的微觀與宏觀力學(xué)性質(zhì)聯(lián)系起來，假定混凝土材料離散后的材料力學(xué)性質(zhì)服從Weibull函數(shù)統(tǒng)計規(guī)律分布：

(6)

式(6)中：α為混凝土材料力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(彈性模量、密度、泊松比等)；α0為混凝土單元力學(xué)性質(zhì)的平均值；m為分布函數(shù)的性質(zhì)參數(shù)，定義為材料介質(zhì)的均勻性系數(shù)，反映材料的均勻程度。

本次模擬C30強度混凝土樁頭的破除，材料單元力學(xué)參數(shù)列于表1。生成的數(shù)值模型彈性模量分布規(guī)律及膨脹孔布孔方式如圖1所示，在幾何中心點布設(shè)一個膨脹孔，在樁頭1/2半徑處環(huán)形均布6個孔。為了便于分析，在圖1中標(biāo)注兩個膨脹孔位置，并編號為A、B。

表1 樁頭材料力學(xué)參數(shù)

圖1 彈性模量分布規(guī)律圖

文獻[9]研究了孔洞直徑為40 mm時不同水灰比下的膨脹壓力時程曲線，如圖2所示。為了能為樁頭破除工程提供參考，本次模擬鉆孔直徑取為40 mm。加載方式為分級加載，每個計算步施加1 MPa的膨脹壓。

圖2 膨脹壓力時程曲線[9]

3 樁頭裂紋發(fā)展規(guī)律分析

3.1 樁頭直徑為600 mm時裂紋發(fā)展規(guī)律

模型加載過程中最大主應(yīng)力場分布如圖3所示。在膨脹壓加載初期，單個膨脹孔周圍形成一個均布的環(huán)形應(yīng)力場，最大拉應(yīng)力在孔壁面處，隨著與孔壁距離的增大，最大主應(yīng)力逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定，圖4為膨脹壓為1 MPa時A、B兩個孔洞連線上單元的最大主應(yīng)力變化圖，可以看出，隨著與孔洞的距離增大，曲線先是快速下降然后保持在一個較低水平。在兩個膨脹孔中心點連線處，存在應(yīng)力疊加效應(yīng)，最大主應(yīng)力要高于兩側(cè)，連線處拉應(yīng)力增大。當(dāng)膨脹壓加大到10 MPa左右時，對應(yīng)膨脹壓時程曲線，大約裝填破碎劑5 h后，孔壁周圍單元應(yīng)力快速發(fā)展，一些弱單元進入損傷狀態(tài)，剛度開始退化，產(chǎn)生較大塑性變形，使得應(yīng)力向外發(fā)展，造成臨近單元破壞。仔細研究發(fā)現(xiàn)，兩個膨脹孔相對方向的單元因為應(yīng)力疊加效應(yīng)，先于孔壁其他處的單元進入損傷狀態(tài)。當(dāng)膨脹壓加大到15 MPa時，對應(yīng)膨脹壓時程曲線大約裝填破碎劑6～7 h后，進入損傷的相鄰單元接連破壞，膨脹孔壁處開始產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著相鄰孔洞連線發(fā)展，而不是像文獻[3-4]中得出的混凝土試塊在膨脹壓作用下的裂紋模式：以三條主裂紋形式發(fā)展，并且每個模型裂紋發(fā)展方向不一樣。其原因為樁頭膨脹孔之間應(yīng)力疊加造成孔洞連線處的單元拉應(yīng)力最大，從而影響了單孔裂紋發(fā)展模式。當(dāng)膨脹壓加到20 MPa時，對應(yīng)膨脹壓時程曲線大約裝填破碎劑7 h后，最大主應(yīng)力峰值集中在裂紋尖端部分，造成相鄰單元的損傷破壞，裂紋得以繼續(xù)發(fā)展，外圍膨脹孔大致以兩條裂紋的形式發(fā)展，一條沿著最小抵抗線方向，一條向著中心膨脹孔延伸。當(dāng)膨脹壓加到25 MPa時，裂紋進一步擴展，B孔洞受應(yīng)力場的影響，萌生出第三條裂紋，仍沿著膨脹孔連線方向發(fā)展。

圖3 直徑為600 mm樁頭最大主應(yīng)力分布圖

圖4 直徑為600 mm樁頭A、B間主應(yīng)力變化圖

3.2 樁頭直徑為800 mm時裂紋發(fā)展規(guī)律

模型加載過程中最大主應(yīng)力場分布如圖5所示。在膨脹壓加載初期，膨脹孔周圍應(yīng)力場分布規(guī)律與直徑為600 mm樁頭應(yīng)力場分布相似，單個膨脹孔周圍形成一個均布的環(huán)形應(yīng)力場，最大拉應(yīng)力在孔壁面處，且隨著與孔壁距離的增大，最大主應(yīng)力逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定，圖6為膨脹壓為1 MPa時A、B兩個孔洞連線上單元的最大主應(yīng)力變化圖，對比圖4、圖6可以發(fā)現(xiàn)，加載初期，兩種樁徑膨脹孔孔壁處的主應(yīng)力差異很小，表明此時灌注樁樁頭仍處于彈性階段。在兩個膨脹孔中心點連線處，最大主應(yīng)力要高于兩側(cè)。當(dāng)膨脹壓的加大到10 MPa左右時，對應(yīng)膨脹壓時程曲線，大約裝填破碎劑5 h后，膨脹孔孔壁一些弱單元應(yīng)力快速發(fā)展，并相繼出現(xiàn)了損傷破壞，裂紋開始萌生。并且兩個膨脹孔連線方向的單元因為應(yīng)力疊加效應(yīng)，先于孔壁其他處的單元進入損傷狀態(tài)。當(dāng)膨脹壓加大到15 MPa時，對應(yīng)膨脹壓時程曲線大約裝填破碎劑6～7 h后，進入損傷的單元相繼破壞，裂紋得以貫通并逐步發(fā)展，發(fā)展方向同直徑600 mm樁頭裂紋發(fā)展模式：沿著膨脹孔連線發(fā)展。當(dāng)膨脹壓加到35 MPa時，對應(yīng)膨脹壓時程曲線大約裝填破碎劑8～9 h后，裂紋迅速發(fā)展，接近抵抗線邊緣，樁頭即將破碎。直徑為800 mm的樁頭在靜態(tài)破碎過程中應(yīng)力場變化和裂紋發(fā)展模式同直徑為600 mm樁頭破碎過程相似，單個膨脹孔裂紋大致呈兩條或三條形式萌生，且每條裂紋都沿著最小抵抗線或者相鄰膨脹孔連線發(fā)展。

圖6 直徑為800 mm樁頭A、B間主應(yīng)力變化圖

3.3 樁頭裂紋發(fā)展規(guī)律對比分析

圖7為兩種直徑樁頭破碎過程中聲發(fā)射能量-加載步曲線，可以看出，直徑為600 mm樁頭對應(yīng)加載步為23時，破壞能量逐漸開始明顯增大，當(dāng)加載步為28時，破壞能量達到最大，此時裂紋即將擴展到模型邊界。對于直徑800 mm樁頭，第一次出現(xiàn)較大的破壞能量是在第24加載步，然而裂紋并沒有迅速擴展，隨后破壞能量隨著膨脹壓的增大而增大，直至加載到33步，破壞能量大幅增大，裂紋迅速發(fā)展。由此可見，由于其膨脹孔的間距及抵抗線長度略大，直徑800 mm樁頭裂紋發(fā)展過程略有延遲，但是兩種直徑的樁頭在破碎過程中表現(xiàn)出的應(yīng)力分布和裂紋發(fā)展規(guī)律一致。

圖7 樁頭破壞能量-加載步曲線

4 結(jié)論與展望

為了將靜態(tài)破碎技術(shù)應(yīng)用到鉆孔灌注樁樁頭破除工程中，利用RFPA2D模擬樁頭靜態(tài)破碎的過程，分析樁頭破碎模式，結(jié)論與展望如下。

(1)樁頭靜態(tài)破碎是一個持續(xù)漸進的過程，當(dāng)膨脹壓達到混凝土抗拉強度時，膨脹孔孔壁處產(chǎn)生破壞。隨著膨脹壓的增大，在尖端應(yīng)力的作用下裂紋繼續(xù)擴展延伸。

(2)膨脹孔的直徑取40 mm，當(dāng)膨脹壓達到20 MPa時，孔壁處開始破壞，對應(yīng)的膨脹壓應(yīng)力時程曲線，大約灌注破碎劑7 h后，樁頭開始產(chǎn)生裂紋。

(3)由于應(yīng)力疊加效應(yīng)，樁頭截面最大主應(yīng)力分布在膨脹孔連線處；外圍膨脹孔裂紋以兩條或三條形式發(fā)展，一條伸向最小抵抗線位置，其余沿著膨脹孔連線發(fā)展。

(4)直徑為600 mm和800 mm的樁頭在應(yīng)力場分布和裂紋發(fā)展模式上，差異不大。

(5)對于直徑為600 mm和800 mm的樁頭靜態(tài)破碎工程，采用“核心1孔+環(huán)形均布6孔”的布孔方式，可獲取較好的破碎效果。

(6)膨脹孔的直徑和間距對樁頭裂紋發(fā)展有較大的影響，后期可開展相關(guān)的模擬分析。