后張預(yù)應(yīng)力地連墻的探討

趙明時，申立明，鄭建民

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津　300222）

后張預(yù)應(yīng)力地連墻的探討

趙明時，申立明，鄭建民

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津300222）

摘要：針對地連墻建設(shè)風(fēng)險和成本不斷上升的現(xiàn)狀，以傳統(tǒng)地連墻和預(yù)應(yīng)力技術(shù)為基礎(chǔ)，首次提出后張預(yù)應(yīng)力地連墻結(jié)構(gòu)及實施方案。著重從施加初始預(yù)應(yīng)力、換標(biāo)號連續(xù)澆筑混凝土及孔道灌漿三方面解決傳統(tǒng)地連墻和預(yù)應(yīng)力技術(shù)不融合的問題，確保地連墻施工的質(zhì)量和效益，可為其它預(yù)應(yīng)力地下空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：后張預(yù)應(yīng)力；地連墻；結(jié)構(gòu)；實施方案

中圖分類號：U655.54；TU378

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-7874（2015）03-0045-04

doi：10.7640/zggWjs201503009

收稿日期：2014-10-16修回日期：2014-11-25

作者簡介：趙明時（1983—），男，河北唐山市人，碩士，工程師，主要從事地基基礎(chǔ)與港口工程施工技術(shù)管理工作。E-mail：dushe004@163.com

Discussion on cast-in-p lace post-tensioned diaphragMwall

ZHAO Ming-shi，SHEN Li-ming，ZHENG Jian-min
（CCCC FirstHarbor ConsultantsCo.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Abstract：By now,the risks and costs of diaphragMwall construction keep rising.In this case,the structure and implement solution of cast-in-place post-tensioned diaphragMwall is proposed based on the traditional cast-in-place diaphragMwall technology and prestress technology.Applying the initial prestress,continuous pouring differentgrade concrete and ductgrouting are mainly introduced.These three aspects solve the incompatible contradictions between traditional cast-in-place diaphragMwall technology and prestress technology.The research willensure the quality and efficiency during the process of diaphragMwall construction,provide references for design and construction ofother cast-in-place underground space structure.

Keywords：post-tensioned prestress；diaphragMwall；structure；implement solution

1　研究背景

1.1設(shè)計背景

目前，地連墻結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用在房建、市政及港口等地下工程和近岸工程領(lǐng)域，并作為主體或者圍護(hù)結(jié)構(gòu)。隨著科技的快速進(jìn)步和社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大型基坑和深水板樁碼頭等工程對地連墻強(qiáng)度、剛度和耐久性提出了更高的要求，為了滿足地連墻承載力、變形和裂縫控制的要求，地連墻的截面尺寸、深度及鋼筋量不斷增加。帶來的問題是，一旦地連墻厚度、深度和用鋼量增大，其抗震性能將會削弱，同時地連墻成槽、鋼筋籠吊裝和混凝土澆筑等施工難度和風(fēng)險也將會上升，隨之帶來的地連墻成本也會加大。

在港口工程建設(shè)中，單錨地連墻通常僅適用于3萬噸級以下的中小型碼頭，船舶大型化和碼頭深水化的發(fā)展趨勢對該種結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。當(dāng)碼頭前沿水深達(dá)到一定深度，單純靠增加地連墻的厚度已經(jīng)無法解決承載力的問題，因為厚度的增加也加劇了彎矩的增大。此時，為使地連墻能滿足深水碼頭的使用功能，往往需要在地連墻后增設(shè)遮簾樁或卸荷承臺等其他減小土壓力的結(jié)構(gòu)措施，以達(dá)到減小前地連墻彎矩的目的，以上措施大大增加了碼頭水工建筑物的造價。而如果采用后張預(yù)應(yīng)力地連墻結(jié)構(gòu)，則可以考慮取消地連墻后的減壓構(gòu)件。以唐山港曹妃甸港區(qū)某10萬噸級煤炭碼頭為例，如果按照常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要采用后面帶有遮簾樁的地連墻結(jié)構(gòu)[1]，如圖1。此時，前墻彎矩為1 708 kN·m/m，地連墻含鋼量為μ非預(yù)應(yīng)力＝180 kg/m3；如果采用后張預(yù)應(yīng)力地連墻形式，則可以取消遮簾樁，此時前地連

墻彎矩為2 971 kN·m/m，地連墻所需含鋼量為μ預(yù)應(yīng)力＝29 kg/m3，μ非預(yù)應(yīng)力＝142 kg/m3。在以上斷面優(yōu)化設(shè)計中，碼頭工程按照每單延米考慮，在前墻總含鋼量基本沒有增加的前提下，取消遮簾樁可以節(jié)省約30％鋼筋混凝土。傳統(tǒng)地連墻采用HRB400鋼筋作為抗拉材料，該鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值fy= 360 N/mm2。而后張預(yù)應(yīng)力地連墻是采用鋼絞線作為抗拉材料，鋼絞線的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值fpy=1 320 N/mm2。在同等的拉力作用下，采用鋼絞線能有效降低用鋼量，從而節(jié)約成本，減少資源的消耗。與傳統(tǒng)地連墻相比，在同樣受力條件下，后張預(yù)應(yīng)力地連墻截面減少15％、抗震性增加20％、鋼筋節(jié)約30％，混凝土節(jié)約15％。由此可見后張預(yù)應(yīng)力地連墻的開發(fā)應(yīng)用帶來的經(jīng)濟(jì)效益是非常顯著的。

圖1　遮簾式板樁碼頭Fig.1 Covered type of sheet pilewharf

另一方面，地連墻的組成主要為鋼筋和混凝土。理論上講，通過提高地連墻鋼筋和混凝土的強(qiáng)度可以提高地連墻的承載力。但是，從以往大型基坑和深水板樁碼頭的地連墻原型觀測來看，地連墻受力在遠(yuǎn)沒達(dá)到設(shè)計值時，地連墻的變形和裂縫就已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計值，這說明對于使用高強(qiáng)鋼筋和混凝土的地連墻來說，承載力已經(jīng)不是影響地連墻的主要因素，撓度和裂縫才是地連墻設(shè)計和施工的決定性因素，因此地連墻采用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土不能充分發(fā)揮它們的作用。另外，地連墻施工需要水下澆筑混凝土，混凝土必須具有良好的和易性和流動性，在地連墻施工中混凝土強(qiáng)度等級一般不會超過C40，而提高混凝土強(qiáng)度等級對提高地連墻的抗裂性和控制裂縫的寬度作用也是極其有限的[2]。

1.2施工背景

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在房建及橋梁等地上結(jié)構(gòu)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而在地連墻結(jié)構(gòu)中之所以遲遲不采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，很重要的原因就是其施工質(zhì)量難以滿足設(shè)計及規(guī)范要求。如果地連墻繼續(xù)沿用房建及橋梁等預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的工藝施工，會出現(xiàn)以下主要問題：

1）預(yù)應(yīng)力鋼筋鋪設(shè)完成后，需要吊裝方能到達(dá)預(yù)定位置，預(yù)應(yīng)力鋼筋在下放過程中可能發(fā)生局部變形或移位，影響受力效果。

2）水下澆筑混凝土，混凝土質(zhì)量控制難度較陸上大，特別是預(yù)應(yīng)力固定端和張拉端附近混凝土一旦強(qiáng)度不足，將嚴(yán)重影響后續(xù)施工，即施加預(yù)應(yīng)力時固定端或張拉端混凝土破碎。

3）由于地連墻埋于地下，故孔道灌漿時無法像橋梁、房建等預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一樣在側(cè)壁開排氣孔。

綜上，傳統(tǒng)的地連墻結(jié)構(gòu)在面臨大型基坑和深水板樁碼頭等工程建設(shè)時，已經(jīng)出現(xiàn)施工風(fēng)險大、耗材多和成本高等弊病，地連墻的發(fā)展已經(jīng)不再符合我國向節(jié)約型和科技創(chuàng)新型社會發(fā)展的趨勢，需要一種新的地連墻形式來實現(xiàn)其可靠性和經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)一致[3]。

2　后張預(yù)應(yīng)力地連墻結(jié)構(gòu)

2.1設(shè)計思路

利用預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后的彈性回縮，對地連墻混凝土施加壓力，使后張預(yù)應(yīng)力地連墻充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度高和混凝土抗壓能力強(qiáng)的特點，可以顯著提高地連墻的承載能力。另一方面，后張預(yù)應(yīng)力地連墻在外荷載作用時，首先抵消預(yù)壓應(yīng)力，然后隨著外荷載的增加，受拉區(qū)混凝土才開始受拉，從而延遲了地連墻裂縫的出現(xiàn)和開展，提高了地連墻的剛度和抗裂能力，設(shè)計思路如圖2。

圖2　設(shè)計思路Fig.2 Design idea

2.2后張預(yù)應(yīng)力地連墻結(jié)構(gòu)組成

后張預(yù)應(yīng)力地連墻主要包括：固定端錨具、

張拉端錨具、預(yù)應(yīng)力鋼筋、波紋管、鋼筋籠及混凝土[4]。

1）固定端錨具包括：固定端錨板、固定端錨墊板、固定端夾片、固定端螺旋筋，固定端錨板有錐孔，與固定端夾片配合，利用錐孔的楔緊將預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固，固定端錨墊板和固定端螺旋筋共同組成固定端錨板下受力構(gòu)件，以滿足承載和傳遞預(yù)應(yīng)力的要求。

2）張拉端錨具包括：張拉端錨板、張拉端錨墊板、張拉端夾片、張拉端螺旋筋，其連接方式與固定端錨具相同。

3）預(yù)應(yīng)力鋼筋從波紋管中穿過，鋪設(shè)并固定在鋼筋籠上之后，預(yù)應(yīng)力鋼筋兩端再分別固定到固定端錨具和張拉端錨具上。

3　后張預(yù)應(yīng)力地連墻的實施方案

3.1預(yù)應(yīng)力鋼筋的下料

預(yù)應(yīng)力鋼筋一定要先按要求的下料長度，在下料場做出明顯下料長度標(biāo)記，下料時要用輪片式砂輪機(jī)斷料，嚴(yán)禁采用電焊或風(fēng)割斷料。

由于后張預(yù)應(yīng)力地連墻施工的特殊性，張拉時必須采用一端張拉，一般情況下預(yù)應(yīng)力鋼筋的下料長度按下式計算，并通過試用后進(jìn)行修正，如圖3所示。

L= L1+ L2+ L3+ L4+ L5+ L6

式中：L為預(yù)應(yīng)力鋼筋的下料長度；L1為預(yù)應(yīng)力孔道長度；L2為固定端錨具厚度；L3為張拉端錨具厚度；L4為千斤頂工作長度；L5為固定端長度富余量；L6為張拉端長度富余量。

圖3　預(yù)應(yīng)力鋼筋長度Fig.3 Length of prestressed steel

3.2地連墻鋼筋籠的制作與預(yù)應(yīng)力鋼筋的穿束

預(yù)應(yīng)力鋼筋由于其剛度不滿足起吊要求，因此要想將預(yù)應(yīng)力鋼筋下放至地連墻指定位置，必須依附于地連墻鋼筋籠骨架，也就是說鋼筋籠的吊裝必須攜帶預(yù)應(yīng)力鋼筋。

相比其它預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，地連墻預(yù)應(yīng)力鋼筋較長，因此地連墻預(yù)應(yīng)力穿束時，宜采取整束拖拉法，即將卷揚機(jī)鋼絲繩套在鋼絞線束前端，人工將預(yù)應(yīng)力鋼筋端頭抬高并放入管道口內(nèi)，并拖帶一段距離，開動卷揚機(jī)拖拉，使整束預(yù)應(yīng)力鋼筋緩緩進(jìn)入孔道。預(yù)應(yīng)力鋼筋的穿束必須對預(yù)應(yīng)力鋼筋端頭加以保護(hù)，以防損傷波紋管。

地連墻鋼筋籠制作一般采用焊接，預(yù)應(yīng)力鋼筋與鋼筋籠的連接與固定采用綁扎，同時在焊接和綁扎過程中注意保護(hù)錨具與波紋管。

3.3施加初始預(yù)應(yīng)力

鋼筋籠下放完成后，預(yù)應(yīng)力鋼筋往往存在一定的局部變形或者位移，如圖4所示，因此必須對預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行調(diào)直，以保證預(yù)應(yīng)力鋼筋在混凝土澆筑前能夠處于設(shè)計的位置上。

圖4　調(diào)直預(yù)應(yīng)力鋼筋Fig.4 Straightening prestressed steel

將卷揚機(jī)等小型設(shè)備放置于導(dǎo)墻上對預(yù)應(yīng)力鋼筋施加初始預(yù)應(yīng)力，待預(yù)應(yīng)力鋼筋伸直即可停止施加預(yù)應(yīng)力，并將預(yù)應(yīng)力鋼筋固定在相鄰加長主筋上?？紤]到需要在導(dǎo)墻上施加初始預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼筋一般要超出導(dǎo)墻不少于1 m；另外，為了將調(diào)直的預(yù)應(yīng)力鋼筋固定住，需要將距離預(yù)應(yīng)力鋼筋最近的主筋延伸出導(dǎo)墻不少于0.5 m，如圖4所示。

3.4換標(biāo)號連續(xù)澆筑混凝土

水下?lián)Q標(biāo)號連續(xù)澆筑混凝土，固定端和張拉端至少2 m范圍內(nèi)混凝土提高一個標(biāo)號，同時在該范圍內(nèi)降低混凝土澆筑速度，以保證固定端和張拉端受力范圍內(nèi)混凝土的密實度，如圖5所示。特別是固定端混凝土澆筑加強(qiáng)區(qū)，根據(jù)地連墻的施工特點，預(yù)應(yīng)力鋼筋固定端埋置較深，混凝土澆筑時探摸固定端混凝土面高度精確度不高，因此固定端混凝土澆筑加強(qiáng)區(qū)要大于張拉端混凝土澆筑加強(qiáng)區(qū)。另外，為了防止加強(qiáng)區(qū)混凝土出現(xiàn)開裂，可以在混凝土中摻入一定量的纖維。

圖5　換標(biāo)號連續(xù)澆筑混凝土Fig.5 Continuous pouring differentgrade concrete

3.5樁頭鑿除

地連墻混凝土澆筑結(jié)束后，頂部混凝土存在一定的沉渣或者浮漿，因此地連墻澆筑高度一般要較實際地連墻面高，這部分高出的混凝土在澆筑完成后，需要鑿除后方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉。因此，在混凝土澆筑前，需要對鑿除范圍內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋用套筒保護(hù)起來，防止在樁頭鑿除過程中破壞預(yù)應(yīng)力鋼筋。

3.6預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉

預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉設(shè)備為千斤頂，千斤頂定位時，要保證千斤頂軸線、錨具軸線與預(yù)應(yīng)力鋼筋軸線的“三軸同心”。

張拉前實施混凝土強(qiáng)度、彈性模量、混凝土齡期“三控”。張拉應(yīng)在地連墻混凝土強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計值后、齡期不少于20 d時進(jìn)行。

張拉中實施張拉應(yīng)力、應(yīng)變、時間“三控”：即張拉時以油壓表讀數(shù)為主，以預(yù)應(yīng)力鋼筋的伸長值作校核，在張拉力作用下維持一定的時間[5]?？紤]到預(yù)應(yīng)力鋼筋的制作偏差及應(yīng)力損失（孔道摩擦損失、錨固損失、彈性壓縮損失、鋼材應(yīng)力松弛損失及混凝土收縮形變損失等），張拉力宜采用預(yù)應(yīng)力鋼筋破斷力的0.65～0.75倍，實際伸長值與計算伸長值的允許偏差為-5％ ～10％。

3.7孔道灌漿

后張預(yù)應(yīng)力地連墻接觸介質(zhì)為地下水或海水，這些介質(zhì)中常含有對鋼筋腐蝕性較強(qiáng)的離子，一旦這些離子侵入混凝土內(nèi)部破壞預(yù)應(yīng)力鋼筋，地連墻結(jié)構(gòu)的安全性將嚴(yán)重降低，因此后張預(yù)應(yīng)力地連墻在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后，需進(jìn)行灌漿處理。

根據(jù)后張預(yù)應(yīng)力地連墻的施工特點，孔道灌漿不能像房建、橋梁等預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一樣在側(cè)壁開排氣孔，為此需要預(yù)先安置一道通長的壓漿孔道，并在頂端預(yù)留幾道排氣孔道，以保證水泥漿能夠充分包裹預(yù)應(yīng)力鋼筋。另外為了減少地下水或海水對預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕，灌漿材料可適當(dāng)添加阻銹劑；預(yù)應(yīng)力鋼筋所在地連墻范圍內(nèi)可適當(dāng)加密鋼筋籠墊塊，以確保預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)層厚度。

4　結(jié)語

1）后張預(yù)應(yīng)力地連墻首次將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入地連墻結(jié)構(gòu)中，解決了傳統(tǒng)房建及橋梁等預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于地連墻中的問題，為地連墻的發(fā)展探索了一條新的道路。

2）后張預(yù)應(yīng)力地連墻能夠提高地連墻的強(qiáng)度、剛度、抗裂性，減少用鋼量。與傳統(tǒng)地連墻相比，在同樣受力條件下，后張預(yù)應(yīng)力地連墻具有截面小、抗震性能好、材料省等優(yōu)點。

3）后張預(yù)應(yīng)力地連墻的出現(xiàn)，為預(yù)應(yīng)力技術(shù)向地下空間結(jié)構(gòu)發(fā)展提供了新的思路，為建筑結(jié)構(gòu)中地下建筑與地上建筑的協(xié)調(diào)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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