鉆孔灌注樁樁頭靜態破碎原理與裂紋發展機理

李小龍， 關盛杰， 高 帥， 王彥軍， 劉世強， 孔德森

(1.中國冶金地質總局青島地質勘查院， 青島 266061； 2.山東科技大學土木工程與建筑學院， 青島 266590；3.山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室， 青島 266590； 4.山東正元建設工程有限責任公司， 濟南 250101)

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

為了優化靜態破碎技術方案和推廣其應用，中外學者進行了相應的研究。Cambatese[2]等向素混凝土內灌注破碎劑漿液，研究發現：當孔深為孔徑的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數值試驗研究了單孔與雙孔混凝土試塊在靜態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展；雙孔混凝土試塊裂紋貫通的經理合理孔間距為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規律和體積膨脹規律，結果表明：初始拌合溫度只會影響前期反應溫度，對反應達到的最高溫度沒有影響。姜楠等[6]基于實驗數據和有限元數值計算結果，使用數據擬合方法對靜態破碎時巖石中的應力分布彈性模型進行修正，得到了應力分布方程。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，發現相同水灰比條件下，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]通過電阻應變測量法研究了孔徑對水化熱和膨脹壓的影響，結果表明：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，提出靜態破碎劑的最佳水灰比應控制在0.2～0.3，并總結分析出水化反應的4個階段：水化反應預熱、快速反應膨脹、熱量散逸降壓和壓力穩定。

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。基于此，現主要針對直徑為600、800 mm的樁基礎，研究利用靜態破碎劑破除樁頭時的致裂機理和破除方案優化，以期為靜態破碎技術推廣到樁頭處理實踐提供指導。

1 樁頭靜態破碎力學原理

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

(1)

(2)

式中：σr為徑向應力，MPa；σθ為環向應力，MPa；P為孔內膨脹壓力，MPa；r為厚壁圓筒內任意一點到孔心的距離，mm；R為鉆孔內半徑，mm。

對于雙向受力情況，膨脹孔內產生的膨脹壓為

σt=σθ-νσr

(3)

式(3)中：ν為泊松比。

聯立式(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 樁頭裂紋發展數值計算模型的建立

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為基礎的應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的破壞分析兩個階段，應力分析階段基于有限單元法，破壞分析階段是根據一定的破壞準則來判斷單元的損傷狀態，對于出現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力分析，軟件會遍歷每一單元的應力狀態來判斷單元是否出現損傷，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，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性質具有不均勻性，RFPA2D為了將介質單元的微觀與宏觀力學性質聯系起來，假定混凝土材料離散后的材料力學性質服從Weibull函數統計規律分布：

(6)

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

本次模擬C30強度混凝土樁頭的破除，材料單元力學參數列于表1。生成的數值模型彈性模量分布規律及膨脹孔布孔方式如圖1所示，在幾何中心點布設一個膨脹孔，在樁頭1/2半徑處環形均布6個孔。為了便于分析，在圖1中標注兩個膨脹孔位置，并編號為A、B。

表1 樁頭材料力學參數

圖1 彈性模量分布規律圖

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 樁頭裂紋發展規律分析

3.1 樁頭直徑為600 mm時裂紋發展規律

模型加載過程中最大主應力場分布如圖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形應力場，最大拉應力在孔壁面處，隨著與孔壁距離的增大，最大主應力逐漸減小，直至趨于穩定，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，存在應力疊加效應，最大主應力要高于兩側，連線處拉應力增大。當膨脹壓加大到10 MPa左右時，對應膨脹壓時程曲線，大約裝填破碎劑5 h后，孔壁周圍單元應力快速發展，一些弱單元進入損傷狀態，剛度開始退化，產生較大塑性變形，使得應力向外發展，造成臨近單元破壞。仔細研究發現，兩個膨脹孔相對方向的單元因為應力疊加效應，先于孔壁其他處的單元進入損傷狀態。當膨脹壓加大到15 MPa時，對應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，膨脹孔壁處開始產生裂紋，裂紋沿著相鄰孔洞連線發展，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展，并且每個模型裂紋發展方向不一樣。其原因為樁頭膨脹孔之間應力疊加造成孔洞連線處的單元拉應力最大，從而影響了單孔裂紋發展模式。當膨脹壓加到20 MPa時，對應膨脹壓時程曲線大約裝填破碎劑7 h后，最大主應力峰值集中在裂紋尖端部分，造成相鄰單元的損傷破壞，裂紋得以繼續發展，外圍膨脹孔大致以兩條裂紋的形式發展，一條沿著最小抵抗線方向，一條向著中心膨脹孔延伸。當膨脹壓加到25 MPa時，裂紋進一步擴展，B孔洞受應力場的影響，萌生出第三條裂紋，仍沿著膨脹孔連線方向發展。

圖3 直徑為600 mm樁頭最大主應力分布圖

圖4 直徑為600 mm樁頭A、B間主應力變化圖

3.2 樁頭直徑為800 mm時裂紋發展規律

模型加載過程中最大主應力場分布如圖5所示。在膨脹壓加載初期，膨脹孔周圍應力場分布規律與直徑為600 mm樁頭應力場分布相似，單個膨脹孔周圍形成一個均布的環形應力場，最大拉應力在孔壁面處，且隨著與孔壁距離的增大，最大主應力逐漸減小，直至趨于穩定，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力變化圖，對比圖4、圖6可以發現，加載初期，兩種樁徑膨脹孔孔壁處的主應力差異很小，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，最大主應力要高于兩側。當膨脹壓的加大到10 MPa左右時，對應膨脹壓時程曲線，大約裝填破碎劑5 h后，膨脹孔孔壁一些弱單元應力快速發展，并相繼出現了損傷破壞，裂紋開始萌生。并且兩個膨脹孔連線方向的單元因為應力疊加效應，先于孔壁其他處的單元進入損傷狀態。當膨脹壓加大到15 MPa時，對應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展，發展方向同直徑600 mm樁頭裂紋發展模式：沿著膨脹孔連線發展。當膨脹壓加到35 MPa時，對應膨脹壓時程曲線大約裝填破碎劑8～9 h后，裂紋迅速發展，接近抵抗線邊緣，樁頭即將破碎。直徑為800 mm的樁頭在靜態破碎過程中應力場變化和裂紋發展模式同直徑為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展。

圖6 直徑為800 mm樁頭A、B間主應力變化圖

3.3 樁頭裂紋發展規律對比分析

圖7為兩種直徑樁頭破碎過程中聲發射能量-加載步曲線，可以看出，直徑為600 mm樁頭對應加載步為23時，破壞能量逐漸開始明顯增大，當加載步為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樁頭裂紋發展過程略有延遲，但是兩種直徑的樁頭在破碎過程中表現出的應力分布和裂紋發展規律一致。

圖7 樁頭破壞能量-加載步曲線

4 結論與展望

為了將靜態破碎技術應用到鉆孔灌注樁樁頭破除工程中，利用RFPA2D模擬樁頭靜態破碎的過程，分析樁頭破碎模式，結論與展望如下。

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

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

(3)由于應力疊加效應，樁頭截面最大主應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展，一條伸向最小抵抗線位置，其余沿著膨脹孔連線發展。

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

(5)對于直徑為600 mm和800 mm的樁頭靜態破碎工程，采用“核心1孔+環形均布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展有較大的影響，后期可開展相關的模擬分析。