新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭力學(xué)與抗?jié)B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(xué)，江西 南昌 330013)

0 引言

近年來，裝配式結(jié)構(gòu)得到大力發(fā)展，其在基坑工程中的應(yīng)用越來越多。目前，對裝配式結(jié)構(gòu)在基坑工程中的應(yīng)用研究較少，設(shè)計方法、施工技術(shù)等仍不成熟，存在廣闊研究空間。裝配式基坑工程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般采用預(yù)制墻板，墻板通過接頭連接，接頭易發(fā)生破壞和滲漏等，且形式復(fù)雜，增加了施工難度與成本。為此，設(shè)計新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭，并對接頭力學(xué)與抗?jié)B性能進(jìn)行研究。

1 力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

為研究新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭力學(xué)性能，開展接頭板沖切試驗(yàn)。

1)試驗(yàn)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(yàn)方案

試驗(yàn)平臺作動器可提供的最大液壓值為10t，試驗(yàn)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(diǎn)為鉸接點(diǎn)，根據(jù)接頭板尺寸調(diào)整支座間距，采用“三點(diǎn)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(jié)束且應(yīng)變及位移傳感器示數(shù)穩(wěn)定后，施加下級荷載，直至接頭發(fā)生開裂破壞或達(dá)到作動器最大液壓值，停止加載，試驗(yàn)結(jié)束。通過粘貼應(yīng)變片和位移傳感器監(jiān)測接頭板在加載過程中的應(yīng)變和撓度，將應(yīng)變片布置在接頭板單側(cè)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(yàn)裝置

圖4 應(yīng)變片和位移傳感器布置

1.2 試驗(yàn)結(jié)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(dāng)加載至破壞荷載(9kN)的10%時，凸接頭底部出現(xiàn)細(xì)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(dāng)加載至7kN時，接頭裂縫大量擴(kuò)展，接頭板中心部位撓度達(dá)25mm；繼續(xù)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(dá)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(dá)最大值27.5mm。1號接頭板接頭破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 1號接頭板接頭破壞形態(tài)

2號接頭板加載初期撓度增長較快，當(dāng)加載至破壞荷載(7kN)的10.1%，凸接頭底部出現(xiàn)細(xì)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(dāng)加載至6.3kN時，接頭裂縫大量擴(kuò)展，接頭板中心部位撓度達(dá)23mm；繼續(xù)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(dá)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(dá)最大值27.5mm。2號接頭板接頭破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 2號接頭板接頭破壞形態(tài)

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(guān)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(yīng)變

隨著荷載的增加，1號接頭板1～5號應(yīng)變片應(yīng)變增速先快后慢；荷載增至7kN時，應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，說明此時混凝土已達(dá)極限壓應(yīng)變；隨著荷載的繼續(xù)增加，混凝土應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)荷載達(dá)9kN時接頭板破壞。

隨著荷載的增加，1號接頭板7～10號應(yīng)變片應(yīng)變增速先快后慢；荷載增至7kN時，應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，說明此時混凝土已達(dá)極限壓應(yīng)變；7，8號應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，9，10號應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)檎?，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(yīng)變片應(yīng)變增速先快后慢；荷載增至6.3kN時，應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，說明此時混凝土已達(dá)極限壓應(yīng)變；隨著荷載的繼續(xù)增加，混凝土應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)荷載達(dá)7kN時接頭板破壞。

隨著荷載的增加，2號接頭板7～10號應(yīng)變片應(yīng)變增速先快后慢；荷載增至6.3kN時，應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，說明此時混凝土已達(dá)極限壓應(yīng)變；7，8號應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，9，10號應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)檎?，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(fā)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(cè)面出現(xiàn)裂縫，此時接頭板荷載、位移大致呈線性關(guān)系，處于線彈性工作狀態(tài)。

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(xiàn)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(dá)最大值。

2 有限元分析

2.1 模型建立

采用Solid70三維實(shí)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(jié)果與分析

試驗(yàn)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(jié)果如圖9，10所示。由圖9可知，7kN荷載作用下，左、右板最大應(yīng)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(yīng)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(shè)置水平約束，因此接頭不發(fā)生滑移脫落，且受力均勻，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。而試驗(yàn)中凹凸接頭貼合不緊密，存在水平滑移及應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)得到的接頭板撓度較大。實(shí)際工程中，應(yīng)提高接頭強(qiáng)度，特別是受拉側(cè)接頭強(qiáng)度，且應(yīng)加強(qiáng)橫向連接，并在地下連續(xù)墻兩端設(shè)置水平約束，防止墻體發(fā)生水平滑移。

3 抗?jié)B性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

地下連續(xù)墻除需滿足強(qiáng)度要求外，還需具有一定抗?jié)B能力。為了解新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭抗?jié)B性能，根據(jù)接頭形狀，自行設(shè)計試驗(yàn)裝置(見圖11)，開展接頭抗?jié)B性能試驗(yàn)。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(yàn)過程中在試驗(yàn)槽、接頭表面涂抹密封油，并在試驗(yàn)槽內(nèi)及混凝土上表面墊橡膠密封圈，以保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。

圖11 抗?jié)B性能試驗(yàn)裝置

圖12 接頭板抗?jié)B處理

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

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

接頭在300kPa水壓力作用下出現(xiàn)滲水，表明接頭板可抵御30m水頭，可知新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭通過防滲處理可滿足常規(guī)裝配式基坑工程施工要求。實(shí)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(yù)制地下連續(xù)墻接頭抗?jié)B性能。

4 結(jié)語

為解決裝配式基坑預(yù)制墻板接頭常見質(zhì)量問題，設(shè)計新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭。通過試驗(yàn)與有限元分析，研究新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭力學(xué)與抗?jié)B性能，根據(jù)研究結(jié)果提出提高接頭性能的措施。將新型預(yù)制地下連續(xù)墻接頭應(yīng)用于實(shí)際工程時，應(yīng)提高接頭強(qiáng)度，特別是受拉側(cè)接頭強(qiáng)度，且應(yīng)加強(qiáng)橫向連接，并在地下連續(xù)墻兩端設(shè)置水平約束，防止墻體發(fā)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(jìn)一步提高接頭抗?jié)B性能。