框格式地下連續(xù)墻接頭保護板研究與設(shè)計

蔣萬江，潘 洪

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都，611130)

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框格式地下連續(xù)墻接頭保護板研究與設(shè)計

蔣萬江1，潘 洪2

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都，611130)

本文根據(jù)地下連續(xù)墻接頭管相關(guān)理論，成功研制出一種接頭保護板技術(shù)，通過大規(guī)模的施工應用，有效地解決了框格式地下連續(xù)墻接頭搭接難的問題。

接頭保護板 框格式地下連續(xù)墻 接頭處理 桐子林水電站

1 概述

桐子林水電站廠壩下游縱向?qū)Τ兄亟Y(jié)構(gòu)為框格式地下連續(xù)墻，順河向布置4道，框格間距為8.43m，橫河向布置3道，框格間距為8.75m；最大設(shè)計墻深25m，設(shè)計墻厚1.2m，通過擴大節(jié)點樁連接，節(jié)點樁樁徑2.5m，最大設(shè)計樁深28m，搭接接頭(包括“L”型搭接、“丁”型搭接和“十”字型搭接)采用12mm厚Q235鋼板制成。地下連續(xù)墻、節(jié)點樁均采用C35F100W8鋼筋混凝土作為墻體(樁)材料。地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。

圖1 框格式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)平面布置示意

2 接頭處理難點及解決方案

2.1 接頭處理難點

在進行擴大節(jié)點樁混凝土澆筑時，混凝土會通過鋼板接頭與節(jié)點樁孔壁之前的縫隙擴散到鋼板接頭“凹”型槽內(nèi)，與鋼制接頭黏結(jié)、凝固在一起，且很難清理，直接影響到接頭的搭接質(zhì)量。若縫隙過大，混凝土可能充滿整個鋼板接頭，形成一個與鋼板接頭形狀相同的“混凝土柱”，一側(cè)與鋼板接頭壁板緊貼，另一側(cè)與孔壁緊貼，造成一邊軟一邊硬，給二次造孔帶來困難。在同一個節(jié)點樁接頭處理時，因搭接接頭較多，施工布置上難以展開。在一個節(jié)點樁施工中，如何保護好多個鋼板接頭不被混凝土包裹，是一個極大的技術(shù)難題?！笆毙痛罱庸?jié)點樁澆筑時混凝土的擴散(見圖2)所示。

圖2 混凝土擴散示意

2.2 解決方案

為防止節(jié)點樁澆筑時混凝土擴散至鋼板接頭凹槽內(nèi)，借鑒地下連續(xù)墻接頭管施工原理，并結(jié)合框格式地下連續(xù)墻接頭搭接樣式，研究出框格式地下連續(xù)墻接頭搭接的保護板技術(shù)。保護板技術(shù)原理是在鋼板接頭凹槽口處，設(shè)計一道弧形擋板來防止節(jié)點樁澆筑時混凝土擴散到凹槽內(nèi)，保護鋼板接頭不被混凝土填充包裹，保證鋼板接頭的搭接質(zhì)量。接頭保護板見圖3所示。

圖3 接頭保護板平面結(jié)構(gòu)

3 接頭保護板受力分析

接頭保護板在節(jié)點樁混凝土澆筑時，其主要起拔阻力包括接頭保護板自重、混凝土與接頭保護板之間的摩擦力和混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力(握裹力)[1]。

3.1 接頭保護板自重

對于接頭保護板，常采用10mm～15mm厚的Q235鋼板卷制而成。對于最大設(shè)計孔深為28m的節(jié)點樁來說，其自重Q不會超過5t，一般小噸位吊車便可吊裝。

3.2 混凝土與接頭保護板間的摩擦阻力

根據(jù)參考文獻，混凝土與接頭保護板間摩擦力F表達式可簡化為[2]：

F=μπDPmax(H-hg/3)

(1)

式中，μ——摩擦系數(shù),一般取0.38～0.47；D——接頭保護板直徑(m)；Pmax——混凝土最大側(cè)向壓力(kN)；hg——最大側(cè)向壓力對應的距混凝土面深度(m)；H——接頭保護板插入混凝土深度(m)。

水平壓力P為：

(2)

式中,γch為混凝土在泥漿中的容重；h為距混凝土面計算深度(m)；V為混凝土面上升速度。

根據(jù)公式(2)，得出混凝土面在不同上升速度下的側(cè)壓力曲線(見圖4)。

圖4 不同速度下的側(cè)壓力曲線

據(jù)圖4可知，混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力沿深度方向呈曲線變化，在最大側(cè)壓深度下，由于混凝土失去了流動性而自撐力增強，因此側(cè)壓會隨著深度的增加而減小?；炷翆宇^保護板的側(cè)壓力計算簡圖如圖5所示。最大側(cè)壓力Pmax位于混凝土面以下hg深度處，側(cè)壓力假定為常數(shù)。為計算簡便，hg以上的側(cè)壓力符合二次拋物線的變化規(guī)律。即：

當h

P=Pmax=〔2h/hg-(h/hg)2〕

(3)

當h≥hg時，

(4)

圖5 側(cè)壓力計算簡圖

最大側(cè)壓力Pmax和最大側(cè)壓力點深度hg都與混凝土的流動性及混凝土面的上升速度有關(guān)。最大側(cè)向壓力Pmax與對應的深度hg可由圖4查出。

3.3 混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力

根據(jù)相關(guān)研究成果，混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力C與水泥的水化作用有關(guān)，隨時間變化而變化[1]?；炷脸跄?，粘結(jié)力較小，通過實測一般為摩擦力F的5%，可以忽略[1]；但起拔時間超過混凝土初凝時間后，粘結(jié)力迅速增大，直接影響到接頭保護板的起拔，此時不能忽略粘結(jié)力。其粘結(jié)力C計算公式[2]為：

C=1/4πDvH

(5)

式中，v為粘結(jié)系數(shù)，一般取50kN/m2。

隨著時間推移，當混凝土初凝后1h再進行接頭保護板起拔，接頭保護板自重及摩擦力變化不大，但粘結(jié)力將會是前兩項的3倍多。

綜上所述，接頭保護板起拔阻力E應該包括接頭保護板自重Q，混凝土與接頭保護板間摩擦力F，及混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力C。其綜合表達式[2]為：

E=μπDPmax(H-1/3hg)+Q+1/4πDvH

(6)

為最大限度消除粘結(jié)力，須在混凝土初凝時刻進行接頭保護板起拔工作，或在混凝土澆筑后1h～2h內(nèi)進行小幅度起拔(微拔)，起拔位移約為10cm左右即可破壞粘結(jié)力，后者更為安全可靠。

4 起拔阻力計算

4.1 基本參數(shù)

4.1.1 框格式地下連續(xù)墻工程施工參數(shù)。地連墻墻厚1.2m，節(jié)點樁樁徑2.5m，混凝土容重為2373kg/m3，清孔后泥漿容重根據(jù)規(guī)范要求不大于1.3g/cm3(取值1150kg/m3)?；炷脸跄龝r間4h，混凝土澆注上升速度為4m/h，混凝土與接頭保護板間的摩擦力系數(shù)0.4。

4.1.2 根據(jù)地連墻(墻厚1.2m)鋼板接頭凹槽開口為1.2m，弧形接頭保護板寬度1.1m，直徑1.6m，采用12mm厚Q235鋼板卷制而成，接頭保護板單位質(zhì)量0.116t/m。

4.1.3 框格式地下連續(xù)墻節(jié)點樁最大設(shè)計深度28m，接頭保護板總長30m。

4.2 起拔阻力計算

4.2.1 接頭保護板自重計算

接頭保護板在泥漿中的重量Q，因接頭保護板體積小，可忽略泥漿浮力，又因接頭保護板單位質(zhì)量為0.116t/m，即：Q=(116×9.8/1000)×30=34.1kN。

4.2.2 混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的摩擦力計算

由圖4可知，Pmax=38kN/m2，hg=10.8m，因摩擦力大小與混凝土包裹接頭保護板面大小有關(guān)，即接頭管未被混凝土完全包裹住時，摩擦力降低為70%[2]。考慮到接頭保護板弧長約為同徑圓周的1/4，所以摩擦力F要大大降低，可取35%，則摩擦力F=0.35μπDPmax(H-hg/3)=0.35×0.4×3.14×1.6×38×(28-10.8/3)≈652kN。

4.2.3 混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力計算

若混凝土初凝后1h進行接頭保護板起拔，混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力C=1/4πDvH=0.25×3.14×1.6×50×28=1758.4kN。

綜上所述，若在接頭保護板起拔前進行了微拔(不考慮粘結(jié)力影響)，接頭保護板起拔阻力Emax=Q+F=34.1+652=686.1kN；若混凝土初凝后1h起拔接頭保護板(接頭保護板未進行微拔，考慮粘結(jié)力影響)，接頭保護板阻力Emax=Q+F+C=34.1+652+1758.4=2445.5kN。

5 接頭保護板連接設(shè)計

5.1 設(shè)計方案

上述計算結(jié)果表明，混凝土粘結(jié)力是影響接頭板起拔的關(guān)鍵，為了保證接頭板起拔安全，必須在混凝土初凝前進行微動以克服其產(chǎn)生的粘結(jié)力。因此，接頭板設(shè)計工況主要考慮起拔時接頭板自重、摩擦力，同時按安全系數(shù)1.4進行接頭保護板連接設(shè)計。

參照混凝土防滲墻接頭管配管原理，結(jié)合框格式地下連續(xù)墻工程實際，接頭保護板配置了起拔板、標準板和底板。在起拔板和底板的一端、以及在標準板的兩端，焊有20mm厚的Q235螺栓連接板，標準板的上下兩端通過螺栓連接板分別連接起拔板和底板，螺栓連接板預采用3支10.9級M36型高強螺栓連接。

5.2 螺栓抗剪承載力驗算

現(xiàn)計算M36型高強螺栓、螺栓連接板為20mm厚Q235鋼板的單栓抗剪承載力，連接方式如圖6所示。計算如下：

因此，M36型高強螺栓單栓抗剪承載力為338.4kN。而本接頭保護板采用的是3支M36型高強螺栓連接，其抗剪承載力總和為1015.2kN(338.4kN×3)。

若接頭保護板下設(shè)深度按照28m計算，在不考慮粘結(jié)力(握裹力)對接頭保護板起拔影響情況下(施工過程中進行接頭保護板微拔)，接頭保護板最大起拔阻力為686.1kN，安全系數(shù)k=1.5。因此，通過驗算表明，采用3支10.9級M36高強螺栓和20mm厚Q235的螺栓連接板連接接頭保護板是安全可行的。

6 接頭保護板起拔系統(tǒng)設(shè)計

6.1 起拔系統(tǒng)工作原理

根據(jù)地下連續(xù)墻接頭管起拔原理，結(jié)合框格式地下連續(xù)墻節(jié)點施工特點，研制了接頭保護板起拔系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括軌道銷梁和拔板機，軌道銷梁兩端分別由拔板機支撐。系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 拔板系統(tǒng)原理圖

6.2 起拔系統(tǒng)受力分析

根據(jù)圖6，該系統(tǒng)受力特點可簡化成兩端自由的簡支梁受力體系，其力學分析如圖7。

圖7 拔板系統(tǒng)受力分析簡圖

若接頭保護板下設(shè)深度同樣按照28m計算，根據(jù)接頭保護板連接設(shè)計計算，起拔阻力為1015.2kN。即圖7中P=1015.2kN；A、B支座反力(剪力)則為P/2=507.6kN。根據(jù)施工布置確定，軌道銷梁長度L為1.7m，跨中彎矩M=PL/4=431.46kN.m。因此，拔板系統(tǒng)可選用單根承載力大于507.6kN的拔板機；軌道銷梁可選用能承受跨中彎矩值為431.46kN.m和支座反力為507.6kN的軌道鋼。

7 結(jié)語

在本工程中，根據(jù)上述自行研究設(shè)計的接頭板系統(tǒng)，共完成拔板600m，避免了二次造孔，加快了施工進度，運用過程中未發(fā)生混凝土繞流至鋼板接頭凹槽內(nèi)，施工操作安全、快捷，降低了人工勞動強度。通過實踐應用，得出以下結(jié)論：

(1)接頭保護板設(shè)計理論在工程中應用是可行的。接頭保護板起拔阻力理論值略大于實際值，但偏差不大，為接頭保護板施工提供了理論依據(jù)；

(2)接頭保護板結(jié)構(gòu)及起拔系統(tǒng)使用時安全可靠，未出現(xiàn)任何異常，表明該系統(tǒng)設(shè)計成功；

(3)接頭保護板技術(shù)的出現(xiàn)，為地下連續(xù)墻接頭處理增添了一種新穎的施工方法，具有較好的參考價值。

〔1〕閻逢君，方 紅.地下連續(xù)墻接頭管起拔研究討論.探礦工程，2003年增刊.

〔2〕王 斌.地下連續(xù)墻接頭管提拔時間的實驗研究.價值工程.

〔3〕中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)高強螺栓連接技術(shù)規(guī)程.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.4.

潘 洪(1986-)，男，助理工程師，二級建造師，從事水利水電施工技術(shù)及管理工作。

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2095-1809(2015)05-0011-05

蔣萬江(1970-)，男，高級工程師，一級建造師，主要從事水利水電工程施工、地基與基礎(chǔ)工程施工技術(shù)及管理工作；