同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻鋼筋籠后置試驗(yàn)與計(jì)算分析*

王 輝，王開強(qiáng)，周環(huán)宇，吳全龍

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

傳統(tǒng)地下連續(xù)墻施工工藝均在成槽及清孔后下放鋼筋籠，然后再進(jìn)行混凝土澆筑形成單幅地下連續(xù)墻墻體。根據(jù)同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻施工原理及技術(shù)特點(diǎn)[1]，提出的“鋸割成槽、連續(xù)排土、隨同澆筑、土-混凝土隔離、后置骨架”的工藝構(gòu)想，地下橫向連續(xù)切排土成槽，隔離成槽區(qū)與混凝土澆筑區(qū)，形成前端切排土成槽、后端混凝土隨同澆筑、混凝土中后置鋼筋籠的連續(xù)作業(yè)成墻施工模式。

目前暫無地下連續(xù)墻混凝土中后置鋼筋籠相關(guān)技術(shù)研究與應(yīng)用，因此，有必要對(duì)同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻鋼筋籠進(jìn)行設(shè)計(jì)、理論計(jì)算分析與后置試驗(yàn)研究。

1 后置鋼筋籠整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則與要求

地下連續(xù)墻作為豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)需滿足強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性要求，抵抗基坑外側(cè)的水土壓力，保證基坑安全，對(duì)于“兩墻合一”的地下連續(xù)墻，還需滿足豎向承載力與防水等方面的要求。因此，地下連續(xù)墻內(nèi)部“骨架”鋼筋籠的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。鋼筋籠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于地下連續(xù)墻的內(nèi)力分布、截面抗彎抗剪承載力進(jìn)行配筋與排布。地下連續(xù)墻鋼筋籠的構(gòu)造設(shè)計(jì)除了鋼筋的構(gòu)造外，主要涉及地下連續(xù)墻的接頭形式，墻段間根據(jù)受力狀態(tài)及功能要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式選擇，包括剛性、柔性和防水接頭。剛性接頭可承受地下連續(xù)墻全部或部分彎矩、剪力和水平拉力；柔性接頭不能傳遞內(nèi)力；防水接頭一般采用加設(shè)止水條或延長(zhǎng)滲透路徑的方式。

由于同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻后置鋼筋籠施工的特殊性，相較于常規(guī)鋼筋籠的設(shè)計(jì)，其鋼筋籠的設(shè)計(jì)需考慮工藝條件下的施工流程、結(jié)構(gòu)受力與構(gòu)造的要求。同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻鋼筋籠依據(jù)地下連續(xù)墻本身內(nèi)力進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)并無差別。同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻工藝為連續(xù)成墻，理論上墻身沒有施工接縫，不需要設(shè)置特殊的防水構(gòu)造。鋼筋籠在混凝土中置入時(shí)，要求鋼筋籠本身具有足夠的剛度，考慮同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻可應(yīng)用于永久結(jié)構(gòu)中，并滿足墻體強(qiáng)度、變形要求，采用剛性接頭。

根據(jù)同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻施工工藝特點(diǎn)，鋼筋籠設(shè)計(jì)需考慮以下要求。

1)滿足地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)受力的配筋要求，保證地下連續(xù)墻的承載能力與安全可靠性。

2)滿足鋼筋籠的整體剛度，方便鋼筋籠在混凝土中下插。

3)鋼筋籠間接頭要保證可靠性，滿足鋼筋籠連接的要求。

4)鋼筋籠尺寸與剛度滿足吊裝施工要求與下放垂直度控制要求。

1.2 鋼筋籠設(shè)計(jì)

根據(jù)同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻工藝及試驗(yàn)要求，為保證鋼筋籠下插具備足夠的剛度，滿足搭接接頭的構(gòu)造要求，鋼筋籠兩側(cè)采用不同規(guī)格的型鋼作為鋼筋籠“骨架”，不同規(guī)格型鋼可組合成公母接頭，中間鋼筋采用常規(guī)配筋法，依據(jù)地下連續(xù)墻內(nèi)力分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)成槽深度為16m，鋼筋籠豎向不分節(jié)，考慮鋼筋籠組合的靈活性及吊裝要求，鋼筋籠的設(shè)計(jì)寬度為3m。鋼筋籠頂部采用型鋼作為連系梁，連接兩側(cè)型鋼骨架，方便后續(xù)混凝土中后置鋼筋籠驗(yàn)證試驗(yàn)荷載施加。鋼筋籠如圖1所示。

圖1 鋼筋籠

2 后置理論計(jì)算

流態(tài)混凝土中后置鋼筋籠需考慮流態(tài)混凝土的流變特性。目前對(duì)流態(tài)混凝土的研究，無論是新拌混凝土還是硬化階段的混凝土，均將流態(tài)混凝土視為復(fù)雜流體，建立工作性能與流變參數(shù)間的相關(guān)性來研究混凝土物理力學(xué)特性[2]。

混凝土的流變模型可通過彈性、黏性和塑性流變基元以不同形式組合成流變模型，一般認(rèn)為，簡(jiǎn)化Bingham模型較符合混凝土在自重和外力振搗條件下產(chǎn)生的流動(dòng)與變形，簡(jiǎn)化Bingham模型如圖2所示(G為理想彈性模型)。

圖2 簡(jiǎn)化Bingham模型

簡(jiǎn)化Bingham模型的計(jì)算公式為：

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力(Pa)；τ0為屈服應(yīng)力(Pa)；ηp為塑性黏度(Pa·s)；γ為剪切應(yīng)變。

混凝土的流變性能用屈服應(yīng)力和黏度表示，但直接測(cè)試混凝土流變參數(shù)復(fù)雜且成本較高，較少應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)。因此，很多學(xué)者研究混凝土的流變性與工作性能間的相關(guān)性來解決這一難題。

1996年，F(xiàn)erraris等[3]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)流動(dòng)度較大的混凝土建立屈服應(yīng)力與坍落度表達(dá)式：

(2)

式中：ρ為拌合物的密度(kg/m3)；S為坍落度(mm)。

2012年，曹明莉等[4]通過倒坍落度試驗(yàn)推導(dǎo)得出黏度表達(dá)式：

(3)

式中：f為混凝土摩擦系數(shù)；H為坍落度筒高度，取300mm；t為倒坍落度筒排空時(shí)間(s)。

鋼筋籠在混凝土中的貫入阻力P主要由鋼筋籠側(cè)面的剪切阻力及投影端面的形狀阻力組成，其力學(xué)模型可表達(dá)為：

P=Fs+Fu+Ff

(4)

Fs=τSu

(5)

(6)

Ff=ρgV

(7)

SD=∑Bihtanθ

(8)

式中：Fs為鋼筋籠在混凝土中的黏滯阻力(kN)；Fu為鋼筋籠在混凝土中的形狀阻力(kN)；Ff為鋼筋籠在混凝土中的浮力(kN)；Su為下放狀態(tài)下的鋼筋籠側(cè)面總面積(m2)；C為鋼筋籠阻力系數(shù)；SD為下放狀態(tài)下的鋼筋籠中鋼筋與型鋼投影面積(m2)；v為鋼筋籠貫入速度(m/s)；V為貫入混凝土中鋼筋籠的體積(m3)；h為鋼筋籠灌入深度(m)；θ為鋼筋籠切斜角度(°)；Bi為鋼筋籠中的構(gòu)件垂直傾斜方向上的寬度(m)。

由表達(dá)式(1)，(4)～(8)可得出鋼筋籠在混凝土中貫入的簡(jiǎn)化模型，計(jì)算出鋼筋籠的貫入阻力：

(9)

阻力系數(shù)可用雷諾數(shù)Re來表示，但阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系難以用統(tǒng)一公式表示，可分段進(jìn)行擬合[5-6]：

(10)

(11)

(12)

式中：d為鋼筋籠投影面積的等效直徑(m)；ε為流體應(yīng)變。

通過式(2)和(3)可得到流態(tài)混凝土的流變參數(shù)，通過式(10)～(12)可得到混凝土中的阻力系數(shù)。

3 后置試驗(yàn)與分析

3.1 鋼筋籠后置試驗(yàn)

鋼筋籠的現(xiàn)場(chǎng)加工應(yīng)嚴(yán)格控制平整度及焊接質(zhì)量，根據(jù)鋼筋籠的質(zhì)量分布、吊裝高度與工作半徑選擇合適的吊裝點(diǎn)位與吊裝裝備。鋼筋籠在流態(tài)混凝土中后置驗(yàn)證試驗(yàn)的關(guān)鍵在于保證鋼筋籠順利貫入，在后置試驗(yàn)過程中嚴(yán)格控制鋼筋籠垂直度與下放速度；為減小鋼筋籠的下插阻力，對(duì)鋼筋籠底部進(jìn)行“收口”處理，兩側(cè)型鋼骨架底部設(shè)置為錐形，同時(shí)在鋼筋籠表面涂刷減摩劑。基于現(xiàn)場(chǎng)情況嚴(yán)格控制垂直度、下插速度，采取減阻保障措施，保證鋼筋籠順利下放到位(見圖3)。

圖3 鋼筋籠下放

3.2 試驗(yàn)分析對(duì)比

通過理論與試驗(yàn)驗(yàn)證在混凝土中后置鋼筋籠的可行性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)鋼筋籠下插速度v為0.04m/s，同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻技術(shù)中采用超緩凝高流態(tài)混凝土。混凝土拌合物坍落度為230mm，擴(kuò)展度為550mm，密度為2 400kg/m3，7,28,42d抗壓強(qiáng)度分別為9.1，30.1，33.4MPa。

根據(jù)式(2)和(3)可得到混凝土的屈服應(yīng)力τ0為696.1Pa，黏度為100Pa·s，由式(11)和(12)可得到雷諾數(shù)為5.5×10-3，由式(10)可得到阻力系數(shù)C為4 366。

經(jīng)計(jì)算得到鋼筋籠混凝土接觸側(cè)面積為79m2，現(xiàn)場(chǎng)后置試驗(yàn)鋼筋籠下放過程中在貫入深度6m位置開始出現(xiàn)傾斜，下放就位貫入深度14m，鋼筋籠傾斜3°，投影面積為1.87m2，假設(shè)貫入6～14m過程中鋼筋籠側(cè)向均勻傾斜，通過式(9)得到鋼筋籠整個(gè)下插過程中的貫入阻力。

理論模型將混凝土視為均質(zhì)流體，且僅考慮鋼筋籠在混凝土中的貫入阻力，不考慮鋼筋籠傾斜剮蹭槽壁土體產(chǎn)生的影響。理論模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示，由圖4可知，理論模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合。

圖4 理論模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 影響因素分析

4.1 傾斜角度

此算例主要討論下插過程中的鋼筋籠傾斜角度(不考慮剮蹭槽壁)對(duì)貫入阻力的影響。除傾斜角度，其他計(jì)算條件與3.2節(jié)相同，傾斜角度對(duì)貫入阻力影響曲線如圖5所示。

圖5 傾斜角度對(duì)貫入阻力影響曲線

由圖5可知，鋼筋籠在混凝土中的貫入阻力隨鋼筋籠傾斜角度增大而增大，且貫入深度越大，傾斜角度對(duì)貫入阻力的影響越顯著，因此，在進(jìn)行鋼筋籠后置過程中要嚴(yán)格控制鋼筋籠下放垂直度，特別是在貫入深度較大情況下要保證鋼筋籠呈豎直狀態(tài)。

4.2 貫入速度

鋼筋籠在混凝土中的貫入速度是鋼筋籠后置的重要控制要素，本算例的傾斜角度為3°，其他參數(shù)與3.2節(jié)相同。貫入速度對(duì)貫入阻力影響曲線如圖6所示。

圖6 貫入速度對(duì)貫入阻力影響曲線

由圖6可知，鋼筋籠貫入阻力隨貫入速度的增大而增大，且貫入深度越大，貫入速度對(duì)貫入阻力的影響越顯著。在本算例計(jì)算條件下，鋼筋籠貫入深度14m位置，貫入速度0.08m/s比0.04m/s的貫入阻力增加47.5%。因此，在鋼筋籠后置過程中盡量控制鋼筋籠的下放速度，以減小貫入阻力。

4.3 流變參數(shù)

混凝土的流動(dòng)性能是鋼筋籠后置工藝的重要影響因素，混凝土流變參數(shù)對(duì)貫入阻力影響曲線如圖7所示。

圖7 流變參數(shù)對(duì)貫入阻力影響

由圖7所示，貫入阻力隨混凝土屈服應(yīng)力和黏度的增大而增大。同比條件下，屈服應(yīng)力1 200Pa、黏度200Pa·s的貫入阻力是屈服應(yīng)力300Pa、黏度50Pa·s的貫入阻力的2.42倍。因此，針對(duì)同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻工藝，需根據(jù)成墻深度及工藝需求配制滿足條件的超緩凝高流態(tài)混凝土。

5 結(jié)語(yǔ)

基于同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻技術(shù)及工藝要求，對(duì)鋼筋籠后置工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)、理論模型計(jì)算與試驗(yàn)研究分析，得到如下結(jié)論。

1)本文設(shè)計(jì)的鋼筋籠形式基本滿足后置工藝要求，可完成后置驗(yàn)證試驗(yàn)。

2)混凝土中鋼筋籠下插姿態(tài)(傾斜角度)對(duì)鋼筋籠貫入阻力影響顯著，且隨貫入深度的增大影響加大；鋼筋籠在下插過程中需嚴(yán)格控制垂直度。

3)鋼筋籠在混凝土中的下插速度是貫入阻力的重要影響因素，貫入阻力隨貫入速度增大而增大，控制下插過程的貫入速度也是鋼筋籠后置工藝的重要指標(biāo)。

4)混凝土的流變特性對(duì)鋼筋籠下插阻力的影響顯著，需根據(jù)鋼筋籠后置工藝要求配制超緩凝高流態(tài)混凝土。