地下連續(xù)工字鋼接頭混凝土繞流機(jī)理研究

孫松嶺

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司）

1 工程概況

廣州市某地鐵車站全長(zhǎng)172.8m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度21.5m，基坑深度27m，頂板設(shè)計(jì)厚度800mm，采用C35P8抗?jié)B混凝土，側(cè)墻設(shè)計(jì)厚度900～1100mm，采用C35P8～P10混凝土（負(fù)三層側(cè)墻為P10，其余為P8）。

本站的不良地質(zhì)主要為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層及淤泥質(zhì)中粗砂層。其松散、遇水崩解軟化的特性將對(duì)地下連續(xù)墻的施工[1-3]質(zhì)量帶來較大影響?？赡茉斐蛇B續(xù)墻成槽塌孔，連續(xù)墻接縫處夾砂造成開挖后涌水。同時(shí)，地連墻在施工過程容易發(fā)生混凝土繞流[4-6]，從而影響施工質(zhì)量。

2 地下連續(xù)墻工字鋼接頭繞流分析

2.1有限元模型建立

本節(jié)以廣州市軌道交通七號(hào)線二期工程某地鐵車站為依托，進(jìn)行地連墻混凝土灌注模擬。本工程中車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000mm 厚地下連續(xù)墻，挖深30m，結(jié)合土體工程勘察概況，本次模擬土體物理參數(shù)見表1。

表1 土層物理參數(shù)信息

根據(jù)工程概況,對(duì)地連墻溝槽混凝土灌注進(jìn)行有限元模擬分析，在本構(gòu)模型的選擇中，土體采用摩爾庫(kù)倫模型，混凝土、工字鋼采用彈性模型。在單元的選擇中，土體、混凝土采用實(shí)體單元，工字鋼采用板單元，因邊界條件對(duì)模型會(huì)產(chǎn)生影響，在本模型中，土體的尺寸選取長(zhǎng)度X 為18m，寬度Y 為3m，模型的深度Z 為40m，邊界約束為底座固定，四周設(shè)置水平約束；工字鋼約束為內(nèi)側(cè)固定約束。本模型節(jié)點(diǎn)共有23459個(gè)，22316個(gè)單元，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.2工字鋼與接頭箱應(yīng)力分析

2.2.1工字鋼應(yīng)力分析

在混凝土灌注后處理中，工字鋼在混凝土灌注前和灌注后的應(yīng)力大小如圖2 所示。由圖可知，在混凝土灌注前，工字鋼應(yīng)力較小，混凝土灌注后，工字鋼所受應(yīng)力明顯增大，工字鋼最大主應(yīng)力為2.09325e+003kPa，且應(yīng)力分布隨深度增加應(yīng)力加大，符合實(shí)際規(guī)律。采用三維有限元方法建立地下連續(xù)墻工字鋼接頭的數(shù)值模型，通過模擬計(jì)算得到工字鋼接頭應(yīng)力最大應(yīng)力為2091kN/m2。采用推導(dǎo)出的工字鋼接頭壓力表達(dá)式[7]，算得接頭壓力為2101kN/m2。兩個(gè)計(jì)算結(jié)果基本一致，說明該表達(dá)式具有參考意義。

圖2 混凝土灌注前后工字鋼主應(yīng)力圖

2.2.2接頭箱應(yīng)力分析

在混凝土灌注后處理中，接頭箱在混凝土灌注前和灌注后的應(yīng)力大小及分布規(guī)律如圖3 所示。由圖分析可知，在混凝土灌注前，接頭箱應(yīng)力較小，混凝土灌注后，接頭箱所受應(yīng)力明顯增大，且應(yīng)力分布隨深度增加應(yīng)力加大，符合實(shí)際規(guī)律。

圖3 混凝土灌注前后接頭箱應(yīng)力圖

2.3不同接頭箱防繞流規(guī)律分析

通過Midas 建立三種防繞流模型，分別位無接頭箱模型、無翼緣接頭箱模型、含翼緣接頭箱模型。

由圖4 可看出，無接頭箱模型中，灌注施工后，混凝土由工字鋼兩側(cè)繞流至地連墻工字鋼接頭內(nèi)部，而安裝有接頭箱的模型則能夠防止混凝土繞流至工字鋼內(nèi)，其中，在無翼緣接頭箱模型中，混凝土在工字鋼兩側(cè)的繞流量基本一致，而在本方法的含翼緣接頭箱模型中，由于翼緣的作用，阻擋了部分混凝土的繞流。綜上分析可知，在接頭箱的作用下，能夠明顯阻擋混凝土繞流至地連墻接頭內(nèi)部，同時(shí)，采用含翼緣接頭箱能更有效的防止混凝土繞流，減少混凝土的繞流量，降低施工成本。通過對(duì)接頭箱模型的模擬分析，驗(yàn)證了本方法的有效性。為實(shí)際施工提供理論指導(dǎo)。

圖4 不同接頭箱防繞流情況

3 含翼緣接頭箱工程應(yīng)用

在地連墻施工過程中，通常采用接頭箱[8-10]安裝作為地連墻接頭工字鋼位置的防繞流施工措施。通過對(duì)地連墻工字鋼接頭防繞流機(jī)理的研究，采用如圖5 所示的含翼緣接頭箱，能有效防止混凝土繞流，因此將含翼緣接頭箱進(jìn)行工程應(yīng)用。

圖5 含翼緣接頭箱

在地連墻鋼筋籠安裝完成后，于接頭箱表面涂抹潤(rùn)滑劑，減小下放過程接頭箱與工字鋼之間的摩擦力。采用吊車吊放含翼緣接頭箱至地連墻兩側(cè)工字鋼接頭位置，將接頭箱插打入接頭中，在接頭箱背面回填沙袋，擠壓接頭箱，使接頭箱與工字鋼接頭緊密貼合，接頭箱安裝完成后澆筑混凝土。重復(fù)上述操作至地連墻施工完成。施工完成后，在68 幅地連墻中選取14 幅進(jìn)行聲波透射法試驗(yàn)，檢測(cè)地連墻墻體的完整性，驗(yàn)證地連墻的施工質(zhì)量。在14 幅地下連續(xù)墻中進(jìn)行聲波透射法試驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果全部合格，均為Ⅰ類墻體，證明了含翼緣接頭箱的可靠性。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)工字鋼機(jī)頭混凝土繞流危害及機(jī)理分析，采用有限元軟件MIDAS/GTS 模擬工字鋼應(yīng)力及不同接頭箱防繞流規(guī)律，采用含翼緣接頭箱能更有效的防止混凝土繞流，減少混凝土的繞流量，降低施工成本。