新型預制地下連續墻接頭力學與抗滲性能研究*

銀 霞，袁 昌，李棟偉，張潮潮，劉小敏，侯劉鎖

(1.深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026； 2.東華理工大學，江西 南昌 330013)

0 引言

近年來，裝配式結構得到大力發展，其在基坑工程中的應用越來越多。目前，對裝配式結構在基坑工程中的應用研究較少，設計方法、施工技術等仍不成熟，存在廣闊研究空間。裝配式基坑工程中，圍護結構一般采用預制墻板，墻板通過接頭連接，接頭易發生破壞和滲漏等，且形式復雜，增加了施工難度與成本。為此，設計新型預制地下連續墻接頭，并對接頭力學與抗滲性能進行研究。

1 力學性能試驗

1.1 試驗概況

為研究新型預制地下連續墻接頭力學性能，開展接頭板沖切試驗。

1)試驗材料

制作2塊截面尺寸、材料相同的接頭板(編號為1，2)，每塊板均由混凝土、凹凸接頭及外覆3mm厚鋼板組成，接頭板截面尺寸如圖1所示，接頭形式與尺寸如圖2所示。

圖1 接頭板示意

圖2 接頭示意

2)試驗方案

試驗平臺作動器可提供的最大液壓值為10t，試驗裝置如圖3所示。作動器利用頂部鋼梁向接頭施加壓力，接頭板兩端放置在鋼樁上，接頭板與作動器、鋼樁接觸點為鉸接點，根據接頭板尺寸調整支座間距，采用“三點彎曲”加載方式。荷載以1kN為增量，由1kN遞增至10kN。上級荷載施加結束且應變及位移傳感器示數穩定后，施加下級荷載，直至接頭發生開裂破壞或達到作動器最大液壓值，停止加載，試驗結束。通過粘貼應變片和位移傳感器監測接頭板在加載過程中的應變和撓度，將應變片布置在接頭板單側面及下表面，位移傳感器布置在接頭板下表面，如圖4所示。

圖3 試驗裝置

圖4 應變片和位移傳感器布置

1.2 試驗結果與分析

1.2.1接頭板變形

1號接頭板加載初期撓度增長較快，當加載至破壞荷載(9kN)的10%時，凸接頭底部出現細微裂縫，此時接頭板中心部位撓度為7mm；隨著荷載的增加，裂縫增多并向接頭板中心部位延伸，當加載至7kN時，接頭裂縫大量擴展，接頭板中心部位撓度達25mm；繼續加載，接頭板撓度急劇增大，接頭破壞，接頭底面混凝土裂縫寬度最大達1.5mm，接頭變形明顯，凸接頭下部豎向鋼板與混凝土脫離，接頭板中心部位撓度達最大值27.5mm。1號接頭板接頭破壞形態如圖5所示。

圖5 1號接頭板接頭破壞形態

2號接頭板加載初期撓度增長較快，當加載至破壞荷載(7kN)的10.1%，凸接頭底部出現細微裂縫，此時接頭板中心部位撓度為7.5mm；隨著荷載的增加，裂縫增多并向接頭板中心部位延伸，當加載至6.3kN時，接頭裂縫大量擴展，接頭板中心部位撓度達23mm；繼續加載，接頭板撓度急劇增大，接頭破壞，接頭底面混凝土裂縫寬度最大達3mm，形成上下貫穿裂縫，接頭變形明顯，凸接頭下部豎向鋼板與混凝土脫離，接頭板中心部位撓度達最大值27.5mm。2號接頭板接頭破壞形態如圖6所示。

圖6 2號接頭板接頭破壞形態

1，2號接頭板荷載-位移曲線如圖7所示，由圖7可知，1，2號接頭板荷載、位移大致呈線性關系，荷載-位移曲線變化趨勢基本一致。

圖7 接頭板荷載-位移曲線

1.2.2混凝土應變

隨著荷載的增加，1號接頭板1～5號應變片應變增速先快后慢；荷載增至7kN時，應變曲線均出現明顯拐點，說明此時混凝土已達極限壓應變；隨著荷載的繼續增加，混凝土應變逐漸減小，當荷載達9kN時接頭板破壞。

隨著荷載的增加，1號接頭板7～10號應變片應變增速先快后慢；荷載增至7kN時，應變曲線均出現明顯拐點，說明此時混凝土已達極限壓應變；7，8號應變片應變為負值，9，10號應變片應變為正值，說明接頭板頂部混凝土受壓，底部混凝土受拉。

隨著荷載的增加，2號接頭板1～5號應變片應變增速先快后慢；荷載增至6.3kN時，應變曲線均出現明顯拐點，說明此時混凝土已達極限壓應變；隨著荷載的繼續增加，混凝土應變逐漸減小，當荷載達7kN時接頭板破壞。

隨著荷載的增加，2號接頭板7～10號應變片應變增速先快后慢；荷載增至6.3kN時，應變曲線均出現明顯拐點，說明此時混凝土已達極限壓應變；7，8號應變片應變為負值，9，10號應變片應變為正值，說明接頭板頂部混凝土受壓，底部混凝土受拉。

1.2.3接頭板破壞特征

1，2號接頭板極限承載力分別為9，7kN，均發生接頭破壞，破壞階段如下。

1)第Ⅰ階段 開始加載至接頭板側面出現裂縫，此時接頭板荷載、位移大致呈線性關系，處于線彈性工作狀態。

2)第Ⅱ階段 隨著荷載的增加，裂縫增多并向接頭板中心部位延伸，加載至一定值后，接頭裂縫大量出現并延伸開展，接頭板撓度隨荷載的增加而增大，接頭破壞，且形成上下貫穿裂縫，接頭變形明顯，凸接頭下部豎向鋼板與混凝土脫離，接頭板中心部位撓度達最大值。

2 有限元分析

2.1 模型建立

采用Solid70三維實體單元建立1，2號接頭板有限元模型，如圖8所示，模型材料、尺寸及邊界條件與試件一致。

圖8 有限元模型

2.2 計算結果與分析

試驗得到1，2號接頭板極限承載力分別為9，7kN，因此選取7，9kN作為外荷載計算接頭板受力與變形，結果如圖9，10所示。由圖9可知，7kN荷載作用下，左、右板最大應力分別為12.8，13.5MPa，左、右板最大撓度均為10.08mm。由圖10可知，9kN荷載作用下，左、右板最大應力分別為16.5，17.5MPa，左、右板最大撓度均為12.871mm。

圖9 7kN荷載作用下接頭板受力與變形

圖10 9kN荷載作用下接頭板受力與變形

有限元模型為理想模型，凹凸接頭緊密貼合，且設置水平約束，因此接頭不發生滑移脫落，且受力均勻，不存在應力集中現象。而試驗中凹凸接頭貼合不緊密，存在水平滑移及應力集中現象，導致試驗得到的接頭板撓度較大。實際工程中，應提高接頭強度，特別是受拉側接頭強度，且應加強橫向連接，并在地下連續墻兩端設置水平約束，防止墻體發生水平滑移。

3 抗滲性能試驗

3.1 試驗概況

地下連續墻除需滿足強度要求外，還需具有一定抗滲能力。為了解新型預制地下連續墻接頭抗滲性能，根據接頭形狀，自行設計試驗裝置(見圖11)，開展接頭抗滲性能試驗。在接頭豎向接縫上粘貼3道遇水膨脹止水條，如圖12所示。試驗過程中在試驗槽、接頭表面涂抹密封油，并在試驗槽內及混凝土上表面墊橡膠密封圈，以保證試驗結果準確。

圖11 抗滲性能試驗裝置

圖12 接頭板抗滲處理

將接頭出現滲水時的水壓力作為判斷抗滲等級的依據，通過壓力泵向水箱內分別施加10，50，100，150，200，300，400，600，800，1 000kPa水壓力，分別對應1，5，10，15，20，30，40，60，80，100m水頭，每個水壓力等級持續2h后，如果接頭處未滲水，則可判斷接頭板抗滲性能良好。接頭出現滲水時結束試驗，記錄水壓力數據。

3.2 試驗結果與分析

接頭在300kPa水壓力作用下出現滲水，表明接頭板可抵御30m水頭，可知新型預制地下連續墻接頭通過防滲處理可滿足常規裝配式基坑工程施工要求。實際工程中，可通過采取壓緊止水條、在接頭部位涂抹止水膠等措施，提高新型預制地下連續墻接頭抗滲性能。

4 結語

為解決裝配式基坑預制墻板接頭常見質量問題，設計新型預制地下連續墻接頭。通過試驗與有限元分析，研究新型預制地下連續墻接頭力學與抗滲性能，根據研究結果提出提高接頭性能的措施。將新型預制地下連續墻接頭應用于實際工程時，應提高接頭強度，特別是受拉側接頭強度，且應加強橫向連接，并在地下連續墻兩端設置水平約束，防止墻體發生水平滑移。需通過采取壓緊止水條、在接頭部位涂抹止水膠等措施，進一步提高接頭抗滲性能。