李小龍， 關(guān)盛杰， 高 帥， 王彥軍， 劉世強(qiáng)， 孔德森

(1.中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青島 266590； 4.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 濟(jì)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(duì)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(wú)法達(dá)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(guò)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(qiáng)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(wèn)世以來(lái)，以其無(wú)噪音、無(wú)飛石、無(wú)振動(dòng)、無(wú)有毒氣體等優(yōu)勢(shì)，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(gè)新的技術(shù)方案，可獲得顯著的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(shí)，混凝土開(kāi)裂。唐烈先等[3-4]通過(guò)物理試驗(yàn)與RFPA2D數(shù)值試驗(yàn)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(guò)程，并得出：?jiǎn)慰追叫位炷猎噳K的裂紋擴(kuò)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(huì)影響前期反應(yīng)溫度，對(duì)反應(yīng)達(dá)到的最高溫度沒(méi)有影響。姜楠等[6]基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果，使用數(shù)據(jù)擬合方法對(duì)靜態(tài)破碎時(shí)巖石中的應(yīng)力分布彈性模型進(jìn)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(qiáng)鋼管來(lái)模擬不同直徑的鉆孔，研究了鉆孔直徑對(duì)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(dá)到最大值所需的時(shí)間基本相同。Laefer等[8]通過(guò)電阻應(yīng)變測(cè)量法研究了孔徑對(duì)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(duì)破碎劑的膨脹力學(xué)特性進(jìn)行了深入的研究，對(duì)比分析了水灰比、拌合溫度和孔徑對(duì)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(gè)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(duì)破碎劑作用機(jī)理和膨脹效果影響因素等方面的研究，而對(duì)于工程實(shí)踐的研究較少?；诖耍F(xiàn)主要針對(duì)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(shí)的致裂機(jī)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(shí)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(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)單元拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)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(gè)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(diǎn)到孔心的距離，mm；R為鉆孔內(nèi)半徑，mm。

對(duì)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(qiáng)度。

2 樁頭裂紋發(fā)展數(shù)值計(jì)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(jìn)破壞過(guò)程的分析軟件，分析過(guò)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(kù)倫損傷準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的破壞分析兩個(gè)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(zhǔn)則來(lái)判斷單元的損傷狀態(tài)，對(duì)于出現(xiàn)損傷的單元進(jìn)行剛度退化處理[3]。在每一個(gè)加載步中首先進(jìn)行的是應(yīng)力分析，軟件會(huì)遍歷每一單元的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)判斷單元是否出現(xiàn)損傷，如果沒(méi)有損傷單元，則進(jìn)行下一分析步的計(jì)算，如果有單元進(jìn)入損傷狀態(tài)，則進(jìn)行剛度退化處理，并重新進(jìn)行本分析步的運(yùn)算。

混凝土是細(xì)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(lái)，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(jì)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(qiáng)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(diǎn)布設(shè)一個(gè)膨脹孔，在樁頭1/2半徑處環(huán)形均布6個(gè)孔。為了便于分析，在圖1中標(biāo)注兩個(gè)膨脹孔位置，并編號(hào)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(xiàn)[9]研究了孔洞直徑為40 mm時(shí)不同水灰比下的膨脹壓力時(shí)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(jí)加載，每個(gè)計(jì)算步施加1 MPa的膨脹壓。

圖2 膨脹壓力時(shí)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(shí)裂紋發(fā)展規(guī)律

模型加載過(guò)程中最大主應(yīng)力場(chǎng)分布如圖3所示。在膨脹壓加載初期，單個(gè)膨脹孔周圍形成一個(gè)均布的環(huán)形應(yīng)力場(chǎng)，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(shí)A、B兩個(gè)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(gè)較低水平。在兩個(gè)膨脹孔中心點(diǎn)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(shí)，對(duì)應(yīng)膨脹壓時(shí)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(jìn)入損傷狀態(tài)，剛度開(kāi)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(xì)研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)膨脹孔相對(duì)方向的單元因?yàn)閼?yīng)力疊加效應(yīng)，先于孔壁其他處的單元進(jìn)入損傷狀態(tài)。當(dāng)膨脹壓加大到15 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)膨脹壓時(shí)程曲線大約裝填破碎劑6～7 h后，進(jìn)入損傷的相鄰單元接連破壞，膨脹孔壁處開(kāi)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(xiàn)[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(gè)模型裂紋發(fā)展方向不一樣。其原因?yàn)闃额^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(shí)，對(duì)應(yīng)膨脹壓時(shí)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(shí)，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，B孔洞受應(yīng)力場(chǎng)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(shí)裂紋發(fā)展規(guī)律

模型加載過(guò)程中最大主應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5所示。在膨脹壓加載初期，膨脹孔周圍應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律與直徑為600 mm樁頭應(yīng)力場(chǎng)分布相似，單個(gè)膨脹孔周圍形成一個(gè)均布的環(huán)形應(yīng)力場(chǎng)，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(shí)A、B兩個(gè)孔洞連線上單元的最大主應(yīng)力變化圖，對(duì)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(shí)灌注樁樁頭仍處于彈性階段。在兩個(gè)膨脹孔中心點(diǎn)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(shí)，對(duì)應(yīng)膨脹壓時(shí)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(kāi)始萌生。并且兩個(gè)膨脹孔連線方向的單元因?yàn)閼?yīng)力疊加效應(yīng)，先于孔壁其他處的單元進(jìn)入損傷狀態(tài)。當(dāng)膨脹壓加大到15 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)膨脹壓時(shí)程曲線大約裝填破碎劑6～7 h后，進(jìn)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(shí)，對(duì)應(yīng)膨脹壓時(shí)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(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)變化和裂紋發(fā)展模式同直徑為600 mm樁頭破碎過(guò)程相似，單個(gè)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(duì)比分析

圖7為兩種直徑樁頭破碎過(guò)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(duì)應(yīng)加載步為23時(shí)，破壞能量逐漸開(kāi)始明顯增大，當(dāng)加載步為28時(shí)，破壞能量達(dá)到最大，此時(shí)裂紋即將擴(kuò)展到模型邊界。對(duì)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(méi)有迅速擴(kuò)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(jiàn)，由于其膨脹孔的間距及抵抗線長(zhǎng)度略大，直徑800 mm樁頭裂紋發(fā)展過(guò)程略有延遲，但是兩種直徑的樁頭在破碎過(guò)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(guò)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(gè)持續(xù)漸進(jìn)的過(guò)程，當(dāng)膨脹壓達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，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(kuò)展延伸。

(2)膨脹孔的直徑取40 mm，當(dāng)膨脹壓達(dá)到20 MPa時(shí)，孔壁處開(kāi)始破壞，對(duì)應(yīng)的膨脹壓應(yīng)力時(shí)程曲線，大約灌注破碎劑7 h后，樁頭開(kāi)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(chǎng)分布和裂紋發(fā)展模式上，差異不大。

(5)對(duì)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(duì)樁頭裂紋發(fā)展有較大的影響，后期可開(kāi)展相關(guān)的模擬分析。