超長(zhǎng)不設(shè)縫水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張廣杰

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430071）

引言

隨著城鎮(zhèn)污水處理廠的規(guī)模擴(kuò)大，污水處理水池呈現(xiàn)超長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，部分水池長(zhǎng)度接近甚至超過(guò)100 m?！督o水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50069-2002[1]規(guī)定在土基條件下地下或有保溫措施的矩形現(xiàn)澆鋼筋混凝土水池伸縮縫最大間距為30 m。對(duì)于超長(zhǎng)水池，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是通過(guò)設(shè)置伸縮縫解決各種裂縫問(wèn)題，但設(shè)置伸縮縫在實(shí)際使用中容易造成水池結(jié)構(gòu)整體性差、伸縮縫滲漏后修復(fù)困難等問(wèn)題。為達(dá)到超長(zhǎng)水池的整體不設(shè)縫設(shè)計(jì)要求，應(yīng)對(duì)超長(zhǎng)水池的溫度應(yīng)力及裂縫防治進(jìn)行研究。

1 水池結(jié)構(gòu)裂縫防治方法

水池混凝土裂縫產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)原因是混凝土受到的拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，拉應(yīng)力主要來(lái)自于外荷載、地基不均勻變形、混凝土干縮以及溫濕差作用等。控制混凝土裂縫的有效途徑是降低或消除混凝土的拉應(yīng)力。水池的混凝土裂縫主要由溫差作用導(dǎo)致，所以控制溫差作用是超長(zhǎng)水池裂縫防治的關(guān)鍵。

超長(zhǎng)水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要根據(jù)混凝土裂縫成因，采取相應(yīng)的技術(shù)控制措施。如外荷載引起的結(jié)構(gòu)性裂縫可通過(guò)抗裂度計(jì)算和設(shè)置抗裂鋼筋控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。為避免地基不均勻變形引起水池開(kāi)裂，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)情況和水池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取合理的基礎(chǔ)形式或地基處理方法。通過(guò)設(shè)置后澆帶或膨脹加強(qiáng)帶、采用補(bǔ)充收縮混凝土可有效降低或抵消水化熱溫差和收縮當(dāng)量溫差引起的混凝土的拉應(yīng)力。在季節(jié)性溫差作用水池采用有限元整體溫度應(yīng)力分析方法，將溫度作用下的內(nèi)力考慮長(zhǎng)期作用折減后與恒載、活載、水土壓力等組合后進(jìn)行水池抗裂計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行池體配筋設(shè)計(jì)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某污水處理站生化池為半地上鋼筋混凝土水池，平面尺寸為93 m×49 m，高6.6 m，地下埋深3.8 m，地面以上2.9 m，抗?jié)B等級(jí)P6。根據(jù)項(xiàng)目業(yè)主要求，從安全、經(jīng)濟(jì)、便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)等多方面考慮，該生化池?cái)M采用不設(shè)伸縮縫的結(jié)構(gòu)方案。本文通過(guò)采取樁網(wǎng)復(fù)合地基、在水池底板與地基土間設(shè)置滑動(dòng)層、設(shè)置后澆層及對(duì)水池進(jìn)行有限元溫度作用分析等措施實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)水池不設(shè)縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2 樁網(wǎng)復(fù)合地基處理

擬建工程場(chǎng)區(qū)從上而下土層分布依次為雜填土、素填土（粉質(zhì)黏土）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和強(qiáng)（中）風(fēng)化砂巖。生化池占地面積大，而地基土層分布不均勻，底板一半位于松散的雜填土區(qū)域、一半位于細(xì)砂回填區(qū)域，如不對(duì)地基加以處理，將難以控制地基的不均勻變形。地基變形發(fā)展是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，會(huì)引起水池在使用期間因底板受力不均衡而開(kāi)裂。由于樁對(duì)底板的水平約束作用較大，水池不宜采用樁筏基礎(chǔ)，宜采取地基加固處理的方法，使處理后地基土的承載力及工后沉降能夠滿足上部結(jié)構(gòu)的要求。

經(jīng)綜合比較，生化池?cái)M采用樁網(wǎng)復(fù)合地基的方法進(jìn)行地基處理，見(jiàn)圖1。樁網(wǎng)復(fù)合地基是由剛性樁、樁帽、樁間土、加筋體和墊層共同形成的一種復(fù)合地基。當(dāng)處理欠固結(jié)土?xí)r，確定土拱高度是樁網(wǎng)地基填土高度計(jì)算的前提和計(jì)算加筋體的依據(jù)，樁網(wǎng)復(fù)合地基的土拱模型見(jiàn)圖2。樁網(wǎng)復(fù)合地基在土拱產(chǎn)生之后，開(kāi)始樁帽及土拱以上部分填土荷載和上部水池荷載均通過(guò)土拱作用和加筋墊層傳遞至樁帽，由樁和樁間土共同承擔(dān)。由于剛性樁與樁間土模量相差較大，這種差異沉降會(huì)使樁間土與加筋材料脫開(kāi)，形成“膜下空穴”，這樣上部荷載通過(guò)加筋體的提拉作用會(huì)全部傳遞至樁帽，由樁承擔(dān)全部荷載。此時(shí)地基沉降包含樁基沉降與樁帽上填土的沉降，樁帽上填土沉降可通過(guò)壓實(shí)度控制，從而可有效控制水池的沉降量。

圖1 樁網(wǎng)復(fù)合地基構(gòu)造

圖2 樁網(wǎng)復(fù)合地基土拱模型

綜上所述，由于樁、樁帽和加筋體共同作用，提高了復(fù)合地基的承載力和壓縮模量，能有效防止地基土層的不均勻變形，控制水池的工后沉降，避免水池因地基不均勻變形而開(kāi)裂。

2.3 混凝土材料

水池施工階段的混凝土拉應(yīng)力主要由水化熱和干縮等效溫差產(chǎn)生，在混凝土中添加一定數(shù)量的膨脹劑，使混凝土產(chǎn)生膨脹自壓應(yīng)力，可抵消或減小水化熱和干縮等效溫差拉應(yīng)力，避免施工階段混凝土的干縮裂縫。補(bǔ)償混凝土的限制膨脹率通過(guò)計(jì)算混凝土收縮率確定?；炷劣?jì)算齡期的收縮率按公式（1）計(jì)算[2]，取b=0.01，按一年的收縮量考慮時(shí)，εy（365）=0.0214 %。因此，該生化池選擇補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率不小于0.025 %，可控制混凝土在硬化過(guò)程中不出現(xiàn)干縮裂縫。

式中：

εy－標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土的極限收縮值，一般為3.24×10-4；

t－混凝土齡期(d)；

Mi－修正系數(shù)。

2.4 后澆帶設(shè)置

后澆帶是為適應(yīng)環(huán)境溫度變化、混凝土收縮、結(jié)構(gòu)不均勻沉降等因素在現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中留設(shè)的一定寬度的混凝土帶，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后再澆筑混凝土形成整體的無(wú)縫結(jié)構(gòu)。生化池橫向設(shè)置1道后澆帶，縱向設(shè)置2 道后澆帶，將整個(gè)水池劃分為6 個(gè)分區(qū)，見(jiàn)圖 3，通過(guò)后澆帶的劃分，將施工過(guò)程中的收縮應(yīng)力主動(dòng)釋放掉。后澆帶只能解決施工階段水化熱溫差和收縮當(dāng)量溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力，不能解決使用階段因季節(jié)性溫差所產(chǎn)生的溫度拉應(yīng)力[3]。生化池后澆帶構(gòu)造見(jiàn)圖4。

圖3 后澆帶平面布置

圖4 后澆帶構(gòu)造

2.5 滑動(dòng)層及地基水平阻力系數(shù)

生化池基礎(chǔ)底板坐落于樁網(wǎng)復(fù)合地基上，為降低復(fù)合地基對(duì)底板的水平約束，減小季節(jié)性溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力，在地基土和底板間設(shè)置滑動(dòng)層，見(jiàn)圖5。水池底板滑動(dòng)層的常規(guī)做法如圖6 所示[4]。由于在塑料膜上澆筑素混凝土墊層過(guò)程中容易將局部的干細(xì)砂擾動(dòng)或擠走，造成滑動(dòng)層局部干細(xì)砂層缺失，影響滑動(dòng)層減小地基土對(duì)底板水平約束的效果。本文構(gòu)建了一種施工方便、安全可靠的滑動(dòng)層構(gòu)造，在常規(guī)滑動(dòng)層的基礎(chǔ)上采用預(yù)制鋼筋混凝土板代替現(xiàn)澆素混凝土墊層，并取消塑料膜，可較好地解決上述常規(guī)滑動(dòng)層施工方面的缺陷。

圖5 改進(jìn)滑動(dòng)層

圖6 常規(guī)滑動(dòng)層

地基水平阻力系數(shù)Cx 是指單位面積地基土引起單位水平位移所需施加的力，是計(jì)算水池結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的關(guān)鍵因素。Cx 取值主要與土的類別、基礎(chǔ)埋深、基底形狀及基礎(chǔ)剛度等因素有關(guān)[2]。生化池采用樁網(wǎng)復(fù)合地基，并設(shè)置改進(jìn)后的滑動(dòng)層，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)推力試驗(yàn)可確定地基水平阻力系數(shù)取值，試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置滑動(dòng)層后的地基水平阻力系數(shù)平均值約為Cx=0.007 N/mm3，與文獻(xiàn)4 的常規(guī)滑動(dòng)層的Cx=0.006 N/mm3較為接近。

2.6 水池溫度應(yīng)力有限元分析

水池溫度作用分析的綜合溫差主要考慮季節(jié)性溫差、水化熱溫差及混凝土收縮引起的當(dāng)量溫差。水池采用補(bǔ)償收縮混凝土并設(shè)置后澆帶后不再考慮水化熱溫差?；炷粮煽s主要受水泥品種和細(xì)度、骨料情況、水灰比、養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境相對(duì)濕度、混凝土齡期及構(gòu)件配筋率等因素影響，并且在鋼筋混凝土中混凝土與鋼筋的收縮不同步。采用膨脹劑可以在混凝土澆筑的早期使混凝土產(chǎn)生膨脹，抵消干縮效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)混凝土澆筑成型時(shí)不出現(xiàn)干縮裂縫[3]，所以也可不再考慮使用期間的混凝土收縮當(dāng)量溫差。季節(jié)性溫差可取后澆帶閉合時(shí)的溫度與水池使用期間最低溫度的差值[5]，生化池取后澆帶閉合時(shí)溫度為27℃，使用期間最低水溫取4℃，則綜合溫差同季節(jié)性溫差可取23℃。

采用有限元軟件SAP2000 進(jìn)行生化池溫度應(yīng)力分析，可得到混凝土拉應(yīng)力分布圖，以評(píng)價(jià)混凝土是否開(kāi)裂。生化池在溫度作用下底板的溫度應(yīng)力如圖7 所示，呈現(xiàn)沿長(zhǎng)向中間大兩側(cè)小的分布，最大拉應(yīng)力為1.89 N/mm2，小于C30 混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 N/mm2，所以生化池在長(zhǎng)期使用階段不會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。

圖7 水池底板溫度應(yīng)力分布

2.7 保溫層設(shè)置

生化池主體結(jié)構(gòu)施工完成后，在水池四周池壁外側(cè)設(shè)置由100 mm 厚聚苯板及磚墻組成的保溫層，并在池頂滿鋪0.6 m 厚覆土，既作池頂?shù)谋貙?，同時(shí)兼做綠化帶地基，保溫層構(gòu)造見(jiàn)圖8。當(dāng)水池不設(shè)置保溫層時(shí)，水池地上部分溫差接近于大氣溫差，設(shè)置保溫層后，池壁地上部分溫差可較大幅度降低，前述生化池有限元溫度應(yīng)力分析時(shí)未考慮該溫差降低的有利因素，把設(shè)置保溫層作為水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全儲(chǔ)備。

圖8 外池壁保溫構(gòu)造

2.8 施工注意事項(xiàng)

水池在混凝土澆筑后應(yīng)采取有效養(yǎng)護(hù)措施，防止混凝土因失水過(guò)快出現(xiàn)干縮裂縫。高溫季節(jié)施工要避免遇氣溫驟降時(shí)導(dǎo)致池體內(nèi)外部溫差過(guò)大，或當(dāng)水池在夏季進(jìn)行試水試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)避免池體在白天暴曬之后立即注入溫度相對(duì)池體較低的清水，導(dǎo)致池體內(nèi)外溫差在短時(shí)間內(nèi)急劇加大而產(chǎn)生大量裂縫，應(yīng)選擇在夜間池體溫度下降后再注水進(jìn)行試水試驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

生化池建成后已使用近2 年，水池表面無(wú)明顯裂縫，也無(wú)滲漏現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)超長(zhǎng)不設(shè)縫水池的裂縫防治、溫度應(yīng)力研究及實(shí)際應(yīng)用效果可得出以下結(jié)論：

1）采取樁網(wǎng)復(fù)合地基可有效解決欠固結(jié)土地基的不均勻沉降變形造成的水池開(kāi)裂問(wèn)題。

2）超長(zhǎng)水池采用補(bǔ)償收縮混凝土并設(shè)置后澆帶能抵消或減小施工階段水化熱溫差和收縮當(dāng)量溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

3）在超長(zhǎng)水池底板下設(shè)置滑動(dòng)層可減小地基水平阻力系數(shù)，降低水池在季節(jié)性溫差作用下的溫度應(yīng)力。

4）通過(guò)對(duì)水池進(jìn)行溫度作用下的有限元分析，可防止水池在長(zhǎng)期使用階段出現(xiàn)溫度裂縫，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)水池的不設(shè)縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。