深基坑超大體積混凝土施工技術(shù)研究與應(yīng)用

楊 勇 （廈門建發(fā)城服工程管理有限公司，福建 廈門 361000）

近年來，隨著各類商業(yè)建筑和民用建筑建設(shè)規(guī)模的增長，對應(yīng)的深基坑混凝土施工工程量越來越大。特別是隨著一些大型商業(yè)綜合體以及超高層建筑的建設(shè)實施，對應(yīng)的深基坑超大體積混凝土施工質(zhì)量控制越來越受到同行者們的關(guān)注。

1 深基坑超大體積混凝土施工材料選擇及配比設(shè)置

正確選擇深基坑超大體積混凝土的施工原材料，并進(jìn)行合理的施工配比設(shè)置，是開展深基坑超大體積混凝土施工技術(shù)的第一步。

1.1 深基坑超大體積混凝土原材料選擇

根據(jù)我國福建省廈門市各地深基坑超大體積混凝土施工現(xiàn)場的調(diào)研及數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來看，在我國廈門市地區(qū)，深基坑超大體積混凝土施工原材料主要有水泥、粉煤灰、礦渣粉、粗細(xì)骨料、減水劑、膨脹劑、拌合水。上述主要原材料的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

（1）水泥：最常用的水泥規(guī)格型號為P·O 42.5，該類水泥在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期間，7d 抗壓強度平均值為33.6MPa、抗折強度平均值為5.5MPa；28d 抗壓強度平均值為48.3MPa、抗折強度平均值為8.7MPa。

（2）粉煤灰：粉煤灰作為深基坑超大體積混凝土中重要的膠凝礦物摻合料，其物理性能與化學(xué)成分對超大體積混凝土的水化熱有很大的影響。在廈門市地區(qū)的各施工現(xiàn)場，其混凝土中所含粉煤灰細(xì)度均值為23.5%、燒失量均值為4.0%、含水率均值為0.2%、需水量比均值為98%；在其化學(xué)成分中，Al2O3含量均值為29.26%、CaO 含量均值為3.43%、Fe2O3的含量均值為6.48%、TiO2的含量均值為1.89%、K2O 的含量均值為1.54%、SO3的含量均值為1.17%、Na2O 的含量均值為0.36%、MgO 的含量均值為0.65%、MnO 含量均值為0.38%。

（3）在廈門市區(qū)域范圍內(nèi)，深基坑超大體積混凝土所用粗骨料主要為連續(xù)級配碎石，細(xì)骨料主要為砂，連續(xù)級配碎石的表觀密度均值為2640kg/m3、堆積密度均值為1540kg/m3、孔隙率均值為44%、緊密堆積密度均值為1640kg/m3、緊密堆積孔隙率均值為40%、硫化物和硫酸鹽含量均值為0、堅固性均值為3%、堿活性均值為0.06%；砂細(xì)度模數(shù)均值2.7、表觀密度均值為2650kg/m3、堿活性均值0.03%。

（4）減水劑：摻量均值為2.0%、氯離子含量≤0.5%、硫酸鈉含量≤5.0%、堿含量≤10.0%、甲醛含量≤0.05%、減水率≥25%、含氣量≤6.0%、常壓泌水率比≤15.0%。

（5）膨脹劑：堿含量均值為0.60%、抗腐蝕系數(shù)均為0.92、水中7d限制膨脹率均值為0.028%、空氣中21d限制膨脹率均值為-0.012%。

（6）拌合水：pH 均值為6.7、堿含量均值為1300mg/L、SO42-含量均值為1600mg/L、Cl-含量均值為700mg/L、不溶物含量均值為12mg/L、可溶物含量均值為1600mg/L。

1.2 深基坑超大體積混凝土配合比設(shè)置

通過實地調(diào)研弄清了廈門市各地的深基坑超大體積混凝土原材料及其技術(shù)參數(shù)后，需要進(jìn)一步對有關(guān)材料的最佳配合比進(jìn)行試驗確認(rèn)。根據(jù)施工現(xiàn)場調(diào)研情況來看，目前廈門市區(qū)域范圍內(nèi)各深基坑超大體積混凝土施工現(xiàn)場所用配比及具體配比參數(shù)如下：

（1）配比型號-1：水泥215kg/m3、粉煤灰68kg/m3、礦渣105kg/m3、細(xì)骨料砂705kg/m3、粗骨料石1000kg/m3、拌合水150kg/m3、減水劑10.3kg/m3、膨脹劑30kg/m3。

（2）配比型號-2：水泥220kg/m3、粉煤灰70kg/m3、礦渣110kg/m3、細(xì)骨料砂710kg/m3、粗骨料石1050kg/m3、拌合水155kg/m3、減水劑10.5kg/m3、膨脹劑31kg/m3。

（3）配比型號-3：水泥220kg/m3、粉煤灰70kg/m3、礦渣110kg/m3、細(xì)骨料砂710kg/m3、粗骨料石1100kg/m3、拌合水160kg/m3、減水劑10.5kg/m3、膨脹劑32kg/m3。

根據(jù)上述三個配比分別制作混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并通過試驗測定試塊7d、28d 抗壓強度與抗折強度，經(jīng)試驗測定配比型號-3 所對應(yīng)的試塊抗壓強度和抗折強度值最大，因此，判斷配比型號-3所對應(yīng)的混凝土配合比宜為廈門市區(qū)域范圍內(nèi)深基坑超大體積混凝土施工的最佳配比。

2 深基坑超大體積混凝土施工期間溫度裂縫控制

對施工期間的溫度裂縫進(jìn)行控制，需要掌握溫度裂縫的控制原理，包括各齡期溫度收縮應(yīng)力計算、最大自約束應(yīng)力計算、抗拉強度計算、防裂性能判斷等四個方面的內(nèi)容。

2.1 各齡期溫度收縮應(yīng)力計算

深基坑超大體積混凝土在施工過程中的各齡期溫度收縮應(yīng)力計算式如式（1）所示[1]。

式中σ(t)-溫度收縮應(yīng)力，MPa；

v-泊松比（經(jīng)測定，配比型號-3的泊松比為0.15）；

Sh(t)-松弛系數(shù)（經(jīng)測定，配比型號-3的松弛系數(shù)為0.000032）；

Rk-外約束系數(shù)（經(jīng)測定，配比型號-3 的外約束系數(shù)為0.4）。

2.2 最大自約束應(yīng)力計算

深基坑超大體積混凝土在施工過程中的最大自約束應(yīng)力計算式如式（2）所示[2]。

式中σzmax-最大自約束應(yīng)力，MPa；

ΔTmax-施工階段的最大內(nèi)外溫度差，℃；

E(t)-施工階段各齡期的彈性模量，MPa；

部門用戶管理——系統(tǒng)管理員可以進(jìn)行部門管理和用戶管理等操作，如添加刪除部門、調(diào)整部門從屬關(guān)系、查看部門詳細(xì)信息和部門下包含用戶、查看用戶詳細(xì)信息、調(diào)整用戶部門等。

H(t,τ)-施工階段各齡期的松弛系數(shù)均值（經(jīng)測定，配比型號-3在各齡期的松弛系數(shù)均值為0.00003）。

2.3 抗拉強度計算

深基坑超大體積混凝土在施工過程中的抗拉強度計算式如式（3）所示[3]。

式中ftk(t)-齡期為t時對應(yīng)的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，其單位為MPa；

ftk-抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，其單位為MPa（經(jīng)測定，配比型號-3的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為2.39MPa）。

2.4 防裂性能判斷

根據(jù)大量的文獻(xiàn)查閱可知，要判斷深基坑超大體積混凝土在施工期間是否產(chǎn)生裂縫，可根據(jù)式（4）所示的函數(shù)關(guān)系開展防裂性能判斷[4]。

式中σzmax-最大自約束應(yīng)力，MPa。

K-防裂安全系數(shù)（經(jīng)測定，配比型號-3的防裂安全系數(shù)為1.15）。

3 深基坑超大體積混凝土工程案例應(yīng)用分析

3.1 工程概況

位于福建省廈門市的某深基坑超大體積混凝土施工項目，其深基坑混凝土施工區(qū)域范圍如圖1所示。該項目總用地面積26901.499m2，總建筑面積57915m2，其中地上建筑面積43210m2，地下建筑面積14705㎡，由1A#樓、1B#樓、1C#樓、1D#樓、2#樓及地下室組成?；A(chǔ)工程采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)，分別有混凝土承臺、混凝土筏板、混凝土獨立基礎(chǔ)，其中1A#樓的筏板基礎(chǔ)為超大體積混凝土基礎(chǔ)，筏板施工面積約11000m2、厚度1500mm、混凝土等級為C30、混凝土抗?jié)B等級為P6。根據(jù)圖1可以看出，該項目1A#樓的筏板基礎(chǔ)施工區(qū)域范圍是一個占地面積較大的不規(guī)則形狀，而且根據(jù)設(shè)計要求，該深基坑的挖土深度需要達(dá)到10m，基坑內(nèi)筏板基礎(chǔ)的平均厚度為1.5m，屬于典型的深基坑超大體積混凝土施工。

圖1 深基坑超大混凝土施工范圍

3.2 案例工程項目施工技術(shù)措施

由于深基坑超大體積混凝土施工期間，裂縫防控的關(guān)鍵在于溫度控制，因此，計劃在混凝土筏板基礎(chǔ)施工區(qū)域范圍內(nèi)安裝循環(huán)水泵和冷水循環(huán)輸送管，在混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)過程中，通過循環(huán)水泵向混凝土內(nèi)部輸送冷水，從而達(dá)到吸收混凝土水化反應(yīng)熱量，降低混凝土內(nèi)、外部溫差的效果，以此實現(xiàn)對深基坑超大體積混凝土內(nèi)溫度應(yīng)力、約束應(yīng)力以及溫度裂縫的控制。溫控措施中，循環(huán)水泵的安裝位置以及循環(huán)水管的安裝方式如圖2所示。

圖2 深基坑超大混凝土施工溫控措施示意圖

但是，在溫度控制的過程中，還需要確定循環(huán)水泵功率、循環(huán)水管直徑、循環(huán)水溫度、循環(huán)水流量等技術(shù)參數(shù)。經(jīng)過大量的技術(shù)討論和專家咨詢，認(rèn)為將有關(guān)溫控技術(shù)參數(shù)設(shè)置暫定為以下3種：

（1）溫控技術(shù)參數(shù)-1：循環(huán)水泵功率11kW、循環(huán)水管直徑200mm、循環(huán)水溫度控制為5℃、循環(huán)水流量控制為1L/s。

（2）溫控技術(shù)參數(shù)-2：循環(huán)水泵功率12kW、循環(huán)水管直徑250mm、循環(huán)水溫度控制為5℃、循環(huán)水流量控制為2L/s。

（3）溫控技術(shù)參數(shù)-3：循環(huán)水泵功率13kW、循環(huán)水管直徑300mm、循環(huán)水溫度控制為5℃、循環(huán)水流量控制為3L/s。

3.3 案例項目施工溫控模擬結(jié)果

為了驗證何種措施能夠達(dá)到效果，采用有限元建模分析軟件，根據(jù)案例項目的施工區(qū)域范圍、超大體積混凝土原材料參數(shù)、配合比型號-3所對應(yīng)的配合比，建立混凝土施工澆筑養(yǎng)護(hù)模型，而后按照前文所述的3種溫控技術(shù)參數(shù)開展溫控防裂模擬，并在有限元計算分析軟件中錄入式（1）～式（4）所示的函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行計算驗證，以此查驗案例項目的深基坑超大體積混凝土施工是否能達(dá)到式（4）的防裂性能判斷關(guān)系。根據(jù)有限元建模計算分析，得出的計算分析結(jié)果如下：

（1）在溫控技術(shù)參數(shù)-1境況下，案例項目深基坑超大體積混凝土施工期間的最大自約束應(yīng)力σzmax=1.4MPa，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值ftk(t)=1.58MPa、K=1.15，不滿足式（4）所示的防裂性能判斷關(guān)系。

（2）在溫控技術(shù)參數(shù)-2境況下，案例項目深基坑超大體積混凝土施工期間的最大自約束應(yīng)力σzmax=1.4MPa，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為ftk(t)=1.60MPa、K=1.15，不滿足式（4）所示的防裂性能判斷關(guān)系。

（3）在溫控技術(shù)參數(shù)-3境況下，案例項目深基坑超大體積混凝土施工期間的最大自約束應(yīng)力σzmax=1.4MPa，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為ftk(t)=1.62MPa、K=1.15，滿足式（4）所示的防裂性能判斷關(guān)系。

在案例項目的實際施工過程中，按照如前文所述的混凝土原料物理化學(xué)參數(shù)、配合比型號-3所示配比、溫控措施布設(shè)方式、溫控技術(shù)參數(shù)-3 所對應(yīng)的內(nèi)容開展施工，取得了非常理想的深基坑超大體積混凝土施工法防裂效果。

4 結(jié)語

根據(jù)實地調(diào)研情況，總結(jié)福建省廈門市區(qū)域范圍內(nèi)深基坑超大體積混凝土施工原材料的物理化學(xué)性能，而后依據(jù)試驗確定廈門市范圍內(nèi)深基坑超大體積混凝土的施工最佳配合比?；谏罨映篌w積混凝土的各齡期溫度收縮應(yīng)力計算函數(shù)、最大自約束應(yīng)力計算函數(shù)、抗拉強度計算函數(shù)、防裂性能判斷函數(shù)，掌握深基坑超大體積混凝土施工階段的溫控判斷理論，并以廈門市范圍內(nèi)某項目深基坑超大體積混凝土施工溫控技術(shù)應(yīng)用開展有限元模擬分析驗證，以此為深基坑超大體積混凝土施工技術(shù)研究與應(yīng)用提供參考。