大直徑超長灌注樁施工技術(shù)分析

摘要 隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，大直徑超長灌注樁在工程中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于其施工難度大、技術(shù)要求高，給工程建設(shè)帶來一定的挑戰(zhàn)。因此，該文通過對灌注樁施工過程中各種施工工藝和發(fā)生劈裂行為綜合分析，深入探討大直徑超長灌注樁施工技術(shù)的關(guān)鍵問題。首先，對大直徑超長灌注樁的概念和特點進行了介紹，包括其在地基加固中的重要性和應(yīng)用領(lǐng)域。隨后，通過數(shù)值模擬搭建了大直徑超長灌注樁靜態(tài)劈裂模型，對大直徑超長灌注樁進行有限元分析。結(jié)果表明：模擬結(jié)果與理論計算的曲線吻合度較高，驗證了模型參數(shù)的正確性。

關(guān)鍵詞 大直徑超長樁；灌注樁；施工技術(shù)；靜態(tài)劈裂

中圖分類號 U445 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0142-03

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，橋梁、碼頭、地鐵等工程建設(shè)日益增多，對建筑根基的穩(wěn)定性與可靠性提出了更高的要求[1]。大直徑超長灌注樁作為一種普遍且重要的基礎(chǔ)加固形式，其施工工藝簡單成熟、成本較低，被廣泛應(yīng)用于各種土工建設(shè)中。大直徑超長灌注樁基礎(chǔ)的施工過程流程為場地平整、定位測量和埋設(shè)護筒，隨后進行鉆孔作業(yè)、清孔作業(yè)、安裝鋼筋籠，最后放置導(dǎo)管灌注混凝土從而順利成樁。樁基礎(chǔ)施工完成后，進行樁內(nèi)鋼筋與基礎(chǔ)底板、承臺等連接作業(yè)，最終形成穩(wěn)固的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。然而在成樁過程中，由于澆筑所用的混凝土存在離析現(xiàn)象，當(dāng)澆筑到樁頂位置處時，混凝土拌和物材料間存在的黏聚力不足以抵抗材料本身的重力作用，造成粗粒集料下沉，使樁頂位置處的粗顆粒大大減少，導(dǎo)致樁頭強度不足，很容易發(fā)生破壞，影響地基基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定[2]。為了解決此類問題，該文以大直徑超長灌注樁施工技術(shù)為研究對象，通過對灌注樁施工過程中各種工藝、設(shè)備及工時等方面的綜合分析，深入探討了大直徑超長灌注樁施工技術(shù)的關(guān)鍵問題，能夠為大直徑超長灌注樁施工提供有效的技術(shù)支持，促進我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進一步發(fā)展[3]。

1 大直徑超長灌注樁施工工藝分析

1.1 灌注樁設(shè)計

灌注樁設(shè)計是大直徑超長灌注樁施工中的重要環(huán)節(jié)之一，其設(shè)計質(zhì)量直接影響著施工效率和質(zhì)量。在進行灌注樁設(shè)計時，需要充分考慮工程實際情況與要求，結(jié)合地質(zhì)勘察資料和設(shè)計要求進行綜合分析。

首先，灌注樁直徑與長度設(shè)計。大直徑超長灌注樁直徑為1 m，長度為30 m，根據(jù)工程承載要求和地質(zhì)條件等因素設(shè)計灌注樁直徑和長度，能夠滿足工程需求。其次，樁基布置的方式和間距設(shè)計。灌注樁的布置方式有直線布置、曲線布置等多種方式，根據(jù)地質(zhì)條件設(shè)計布置方式和間距，滿足灌注樁的承載能力和穩(wěn)定性。此外，灌注樁樁身強度和截面形式設(shè)計。灌注樁可以選擇圓形、方形、多邊形等多種截面形式，根據(jù)實際需要設(shè)計截面形式和強度，滿足灌注樁能夠承受工程加載和環(huán)境影響[4]。

1.2 材料選用

在大直徑超長灌注樁的施工過程中，選用合適的材料對于工程質(zhì)量和施工效率至關(guān)重要，在選擇灌注樁的材料時，設(shè)計需要滿足強度、耐久性、施工性能等因素，以保證工程所需的要求。首先，對于大直徑超長灌注樁的混凝土材料，一般應(yīng)選用高標(biāo)號的水泥進行配比，以滿足混凝土的強度和耐久性。此外，混凝土中的骨料應(yīng)選擇合適的粒徑和質(zhì)量，以提高混凝土的密實性和抗壓性能。其次，選擇合適的灌注樁鋼筋材料，選用耐腐蝕性能好的鋼筋，并嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行防護處理，確保鋼筋的連接牢固和受力性能良好。此外，在灌注樁施工過程中所用的攪拌設(shè)備和澆筑工具等也需要選擇質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定的設(shè)備，以保證施工工藝的順利進行和灌注樁的質(zhì)量要求[5]。

1.3 樁基布置

灌注樁樁頭中常見的劈裂孔布設(shè)方式為“中心孔+環(huán)布孔”的孔形，基于此，探討在兩種不同布孔形式下的模型破壞情況。當(dāng)劈裂孔布設(shè)的最小抵抗線為R/2即樁頭半徑長度的一半時，采用常見的“中心1孔+環(huán)布5孔”的6孔布設(shè)形式；為使得樁頭表面裂紋更易擴展至樁頭邊緣，將劈裂孔最小抵抗線縮短至R/3即樁頭的三分之一半徑長度，此時若仍采用上述孔形會使得中心孔與環(huán)布孔的間距過大，因此選擇采用“中心斜布2孔+環(huán)布4孔”的孔形，同樣為6孔布設(shè)形式，該方案在樁頭表面中心位置斜向布設(shè)兩個中心孔，兩個中心孔的間距為R/2，周邊環(huán)向布設(shè)4孔，以此方式適應(yīng)劈裂孔最小抵抗線為R/3時中心孔與周邊孔間距過大的情況[6]。

2 大直徑超長灌注樁劈裂行為機理研究

2.1 大直徑超長灌注樁孔壓致裂

將靜態(tài)劈裂劑注入灌注樁樁頭劈裂孔中，藥劑的膨脹受到封閉的劈裂孔約束，在樁壁內(nèi)產(chǎn)生的膨脹壓力逐漸增大，混凝土作為脆性材料，其最大的物理力學(xué)特點就是抗壓強度大，而抗拉強度只有抗壓強度的十幾分之一，且極限應(yīng)變小，在建筑工程中常用混凝土的抗壓強度為15～50 MPa，對應(yīng)抗拉強度僅為1.5～3 MPa，極限拉應(yīng)變?yōu)?.000 1～0.000 15，因此，通常小于10～20 MPa的樁壁膨脹壓即可使樁頭發(fā)生開裂破碎。當(dāng)靜態(tài)劈裂劑漿體置于樁頭劈裂時，藥劑隨著其化學(xué)反應(yīng)體積增大，反應(yīng)粒子在孔中相互碰撞、擠壓孔壁，混凝土材料在這種膨脹壓力的作用下會產(chǎn)生徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力，從而引起開裂破碎。樁頭劈裂孔受靜態(tài)劈裂劑產(chǎn)生膨脹壓力作用的孔口受力情況如圖1所示。

可見，當(dāng)拉應(yīng)力達到介質(zhì)的極限拉應(yīng)力時，混凝土即開裂破碎?？讐阂鸾橘|(zhì)的破壞，可通過厚壁圓筒理論進行分析，其作用機理如圖1所示?？變?nèi)膨脹壓P與圓筒內(nèi)任意半徑r處一點的受力關(guān)系為：

（1）

（2）

式中：σr——厚壁圓筒內(nèi)所受徑向應(yīng)力（MPa）；σ?——厚壁圓筒內(nèi)所受環(huán)向應(yīng)力（MPa）；P——孔內(nèi)膨脹壓力（MPa）；a——厚壁圓筒內(nèi)半徑（mm）；b——厚壁圓筒外半徑（mm）；r——厚壁圓筒內(nèi)任意一點到孔心的距離（mm）。

在實際樁頭破除工程中，被破碎體樁徑往往是劈裂孔孔徑的10倍以上，即可看作壁厚遠(yuǎn)大于（b> >a）圓筒內(nèi)的小孔孔徑，則其孔壓作用可由式（1）與式（2）轉(zhuǎn)化為：

（3）

（4）

當(dāng)存在兩個劈裂孔（劈裂孔A、劈裂孔B）距離較近時，其間的相互作用力如圖1所示，討論孔間任意位置處一點Q的受力情況。雙孔聯(lián)合致裂情況受力分析：靜態(tài)劈裂劑的反應(yīng)過程是緩慢而持續(xù)的，作用于劈裂孔中可視為是準(zhǔn)靜態(tài)的施力過程，可視為在無限大彈性介質(zhì)上存在有兩個受穩(wěn)定孔壓作用的劈裂孔，那么彈性介質(zhì)的受力情況即為A、B兩個劈裂孔單獨作用效果的疊加，結(jié)合式得：

（5）

式中：σr——徑向應(yīng)力（MPa）；σr1、σr2分別為Q點在A、B孔壓作用下產(chǎn)生的徑向應(yīng)力（MPa）；σθ——切向應(yīng)力，σθ1、σθ2分別為Q點在A、B孔壓作用下產(chǎn)生的切向應(yīng)力（MPa）；q1（t）、q2（t）分別為孔A、B內(nèi)膨脹應(yīng)力（MPa）；R1、R2分別為圓孔A、B半徑（mm）；r（r>R）——兩孔間任意一點Q到孔心A的距離（mm）；L——A、B兩孔心間總距離（mm）。在實際的樁頭靜態(tài)劈裂技術(shù)應(yīng)用過程中，劈裂孔往往是多個同時布設(shè)并發(fā)揮作用，當(dāng)?shù)染嗖荚O(shè)多個劈裂孔時，彈性介質(zhì)將受到較大的膨脹壓力。在彈性介質(zhì)中等距布設(shè)N個孔，顯然圓孔軸心面為主應(yīng)力面，該面的拉應(yīng)力值最大。

2.2 裂縫擴展分析

當(dāng)樁壁開裂后，樁頭的力學(xué)模型發(fā)生改變，彈塑性強度理論已無法對其解答，材料由彈性體變?yōu)榱鸭y體。此時在孔內(nèi)膨脹壓力影響下，裂紋尖端會出現(xiàn)高度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此只能采取斷裂力學(xué)理論進行分析。靜態(tài)劈裂劑破碎樁頭的過程是一個斷裂的過程，運用斷裂力學(xué)中的應(yīng)力強度因子進行討論。應(yīng)力強度因子的大小主要與分布在裂紋尖端的應(yīng)力場有關(guān)，當(dāng)應(yīng)力場強度越大，則應(yīng)力強度因子越大，越容易失穩(wěn)。當(dāng)材料裂紋尖端的應(yīng)力強度因子達到其斷裂韌性時，裂紋將發(fā)生擴展。

樁頭內(nèi)劈裂孔的初始斷裂狀態(tài)可看作為單孔雙邊斷裂模型狀態(tài)，隨雙邊裂紋長度的不斷增大，樁頭平面內(nèi)劈裂孔的影響程度逐漸削弱，模型的受力情況可簡化為單一裂紋表面的部分位置受均布荷載的斷裂模型。受均布荷載作用下的單孔應(yīng)力模型，其應(yīng)力強度因子為：

（6）

式中：K——應(yīng)力強度因子；a——單邊裂縫長度（mm）。

由公式可知，應(yīng)力強度因子的數(shù)值大小受外力情況、裂紋長度以及材料構(gòu)件的形狀尺寸影響。應(yīng)力強度因子主要反映了裂紋尖端應(yīng)力場的強度與分布情況，構(gòu)件所受的外部荷載越大，裂紋尖端的應(yīng)力強度因子越大，當(dāng)應(yīng)力強度因子增大到超過材料承受極限后，構(gòu)件就會發(fā)生斷裂破壞。同種材料在同類型外荷載的作用下，其發(fā)生失穩(wěn)時的應(yīng)力強度因子大小是恒定的。材料發(fā)生失穩(wěn)時的應(yīng)力強度因子定義為材料的斷裂韌度，根據(jù)斷裂韌度與應(yīng)力強度因子的大小關(guān)系以及構(gòu)件的失穩(wěn)情況建立材料斷裂準(zhǔn)則，即：當(dāng)K≥Kc時，材料發(fā)生破壞；K≤Kc時，材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3 基于數(shù)值模擬的大直徑超長灌注樁靜態(tài)劈裂分析

采用有限元軟件模擬樁頭的靜態(tài)劈裂過程，數(shù)值模擬中樁頭的材料其彈性階段的力學(xué)行為以彈性模量和泊松比定義，非彈性階段的力學(xué)行為采用混凝土損傷塑性本構(gòu)（CDP）定義，在分析其斷裂行為時通過模型全局預(yù)插內(nèi)聚力單元對樁頭的裂紋擴展進行模擬?；谝陨蠘额^材料屬性與數(shù)值模擬手段，從而對不同強度、樁徑的樁頭劈裂孔布設(shè)形式進行合理優(yōu)化，在使樁頭正常劈裂的基礎(chǔ)上節(jié)約成本、提高效率，進而完善樁頭靜態(tài)劈裂技術(shù)，為其方案設(shè)計提供參考。

3.1 大直徑超長灌注樁模型參數(shù)確定

大直徑超長灌注樁混凝土模型（CDP）主要是為分析混凝土結(jié)構(gòu)在循環(huán)和動力荷載作用下提供的一個普遍分析模型。針對混凝土力學(xué)行為的模擬，CDP模型的特點為：低圍壓下混凝土表現(xiàn)為脆性材料，失效機制為拉應(yīng)力作用下的拉裂和壓應(yīng)力作用下的壓碎；高圍壓下混凝土裂紋開裂的脆性特征不再明顯，該情況下混凝土失效主要表現(xiàn)為微孔洞結(jié)構(gòu)的聚集和坍塌，導(dǎo)致混凝土的宏觀力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為具有強化性質(zhì)的延性材料。與失效機制相關(guān)的損傷導(dǎo)致了材料彈性剛度的退化，混凝土塑性損傷模型認(rèn)為混凝土的彈性剛度退化是各向同性的，且可以用一個單標(biāo)量損傷因子d寫成如下形式：

De1=（1?d）De1 0 （7）

式中，d——模型損傷因子，其值在0（無損）到1（完全失效）之間變化；De1 0——材料的初始（無損）剛度（N/m）；De1——有損剛度（N/m）。

已知幾種一般強度等級的常規(guī)混凝土的基本抗壓力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

3.2 模型有效性驗證

為了驗證混凝土模型參數(shù)輸入的有效性，數(shù)值模型驗證方法，建立一個簡單的混凝土單軸試驗二維模型進行數(shù)值分析。模型的建立情況如圖2所示。其中，混凝土試樣模型尺寸為，模型的下部為固定約束，上端通過施加位移荷載控制模型的受壓、拉情況。

模擬結(jié)果的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示，同時圖中給出了理論計算下模型的結(jié)果對比，其中，圖中單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的理論結(jié)果是由式3計算得到，單軸受拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是由式4計算得到。由圖可知，模擬結(jié)果與理論計算的曲線吻合度較高，說明了采用上述參數(shù)得到的結(jié)果與理論值相符合，驗證了上述模型參數(shù)的正確性。

4 結(jié)論

該文對大直徑超長灌注樁施工技術(shù)進行了系統(tǒng)全面的分析和研究，為解決大直徑超長灌注樁施工中存在的問題提供了一定的參考和借鑒，對于推動我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進一步發(fā)展具有一定的實用價值和指導(dǎo)意義。

參考文獻

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收稿日期：2024-07-24

作者簡介：姚青松（1979—），男，本科，高級工程師，研究方向：連續(xù)梁，跨鐵轉(zhuǎn)體橋、頂推橋，臨江深基坑。