趙明時(shí)，申立明，鄭建民

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津　300222）

后張預(yù)應(yīng)力地連墻的探討

趙明時(shí)，申立明，鄭建民

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津300222）

摘要：針對(duì)地連墻建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)和成本不斷上升的現(xiàn)狀，以傳統(tǒng)地連墻和預(yù)應(yīng)力技術(shù)為基礎(chǔ)，首次提出后張預(yù)應(yīng)力地連墻結(jié)構(gòu)及實(shí)施方案。著重從施加初始預(yù)應(yīng)力、換標(biāo)號(hào)連續(xù)澆筑混凝土及孔道灌漿三方面解決傳統(tǒng)地連墻和預(yù)應(yīng)力技術(shù)不融合的問題，確保地連墻施工的質(zhì)量和效益，可為其它預(yù)應(yīng)力地下空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：后張預(yù)應(yīng)力；地連墻；結(jié)構(gòu)；實(shí)施方案

中圖分類號(hào)：U655.54；TU378

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-7874（2015）03-0045-04

doi：10.7640/zggWjs201503009

收稿日期：2014-10-16修回日期：2014-11-25

作者簡介：趙明時(shí)（1983—），男，河北唐山市人，碩士，工程師，主要從事地基基礎(chǔ)與港口工程施工技術(shù)管理工作。E-mail：dushe004@163.com

Discussion on cast-in-p lace post-tensioned diaphragMwall

ZHAO Ming-shi，SHEN Li-ming，ZHENG Jian-min
（CCCC FirstHarbor ConsultantsCo.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Abstract：By now,the risks and costs of diaphragMwall construction keep rising.In this case,the structure and implement solution of cast-in-place post-tensioned diaphragMwall is proposed based on the traditional cast-in-place diaphragMwall technology and prestress technology.Applying the initial prestress,continuous pouring differentgrade concrete and ductgrouting are mainly introduced.These three aspects solve the incompatible contradictions between traditional cast-in-place diaphragMwall technology and prestress technology.The research willensure the quality and efficiency during the process of diaphragMwall construction,provide references for design and construction ofother cast-in-place underground space structure.

Keywords：post-tensioned prestress；diaphragMwall；structure；implement solution

1　研究背景

1.1設(shè)計(jì)背景

目前，地連墻結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用在房建、市政及港口等地下工程和近岸工程領(lǐng)域，并作為主體或者圍護(hù)結(jié)構(gòu)。隨著科技的快速進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大型基坑和深水板樁碼頭等工程對(duì)地連墻強(qiáng)度、剛度和耐久性提出了更高的要求，為了滿足地連墻承載力、變形和裂縫控制的要求，地連墻的截面尺寸、深度及鋼筋量不斷增加。帶來的問題是，一旦地連墻厚度、深度和用鋼量增大，其抗震性能將會(huì)削弱，同時(shí)地連墻成槽、鋼筋籠吊裝和混凝土澆筑等施工難度和風(fēng)險(xiǎn)也將會(huì)上升，隨之帶來的地連墻成本也會(huì)加大。

在港口工程建設(shè)中，單錨地連墻通常僅適用于3萬噸級(jí)以下的中小型碼頭，船舶大型化和碼頭深水化的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)該種結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。當(dāng)碼頭前沿水深達(dá)到一定深度，單純靠增加地連墻的厚度已經(jīng)無法解決承載力的問題，因?yàn)楹穸鹊脑黾右布觿×藦澗氐脑龃?。此時(shí)，為使地連墻能滿足深水碼頭的使用功能，往往需要在地連墻后增設(shè)遮簾樁或卸荷承臺(tái)等其他減小土壓力的結(jié)構(gòu)措施，以達(dá)到減小前地連墻彎矩的目的，以上措施大大增加了碼頭水工建筑物的造價(jià)。而如果采用后張預(yù)應(yīng)力地連墻結(jié)構(gòu)，則可以考慮取消地連墻后的減壓構(gòu)件。以唐山港曹妃甸港區(qū)某10萬噸級(jí)煤炭碼頭為例，如果按照常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要采用后面帶有遮簾樁的地連墻結(jié)構(gòu)[1]，如圖1。此時(shí)，前墻彎矩為1 708 kN·m/m，地連墻含鋼量為μ非預(yù)應(yīng)力＝180 kg/m3；如果采用后張預(yù)應(yīng)力地連墻形式，則可以取消遮簾樁，此時(shí)前地連

墻彎矩為2 971 kN·m/m，地連墻所需含鋼量為μ預(yù)應(yīng)力＝29 kg/m3，μ非預(yù)應(yīng)力＝142 kg/m3。在以上斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)中，碼頭工程按照每單延米考慮，在前墻總含鋼量基本沒有增加的前提下，取消遮簾樁可以節(jié)省約30％鋼筋混凝土。傳統(tǒng)地連墻采用HRB400鋼筋作為抗拉材料，該鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy= 360 N/mm2。而后張預(yù)應(yīng)力地連墻是采用鋼絞線作為抗拉材料，鋼絞線的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fpy=1 320 N/mm2。在同等的拉力作用下，采用鋼絞線能有效降低用鋼量，從而節(jié)約成本，減少資源的消耗。與傳統(tǒng)地連墻相比，在同樣受力條件下，后張預(yù)應(yīng)力地連墻截面減少15％、抗震性增加20％、鋼筋節(jié)約30％，混凝土節(jié)約15％。由此可見后張預(yù)應(yīng)力地連墻的開發(fā)應(yīng)用帶來的經(jīng)濟(jì)效益是非常顯著的。

圖1　遮簾式板樁碼頭Fig.1 Covered type of sheet pilewharf

另一方面，地連墻的組成主要為鋼筋和混凝土。理論上講，通過提高地連墻鋼筋和混凝土的強(qiáng)度可以提高地連墻的承載力。但是，從以往大型基坑和深水板樁碼頭的地連墻原型觀測(cè)來看，地連墻受力在遠(yuǎn)沒達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，地連墻的變形和裂縫就已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)值，這說明對(duì)于使用高強(qiáng)鋼筋和混凝土的地連墻來說，承載力已經(jīng)不是影響地連墻的主要因素，撓度和裂縫才是地連墻設(shè)計(jì)和施工的決定性因素，因此地連墻采用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土不能充分發(fā)揮它們的作用。另外，地連墻施工需要水下澆筑混凝土，混凝土必須具有良好的和易性和流動(dòng)性，在地連墻施工中混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般不會(huì)超過C40，而提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)提高地連墻的抗裂性和控制裂縫的寬度作用也是極其有限的[2]。

1.2施工背景

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在房建及橋梁等地上結(jié)構(gòu)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而在地連墻結(jié)構(gòu)中之所以遲遲不采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，很重要的原因就是其施工質(zhì)量難以滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。如果地連墻繼續(xù)沿用房建及橋梁等預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的工藝施工，會(huì)出現(xiàn)以下主要問題：

1）預(yù)應(yīng)力鋼筋鋪設(shè)完成后，需要吊裝方能到達(dá)預(yù)定位置，預(yù)應(yīng)力鋼筋在下放過程中可能發(fā)生局部變形或移位，影響受力效果。

2）水下澆筑混凝土，混凝土質(zhì)量控制難度較陸上大，特別是預(yù)應(yīng)力固定端和張拉端附近混凝土一旦強(qiáng)度不足，將嚴(yán)重影響后續(xù)施工，即施加預(yù)應(yīng)力時(shí)固定端或張拉端混凝土破碎。

3）由于地連墻埋于地下，故孔道灌漿時(shí)無法像橋梁、房建等預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一樣在側(cè)壁開排氣孔。

綜上，傳統(tǒng)的地連墻結(jié)構(gòu)在面臨大型基坑和深水板樁碼頭等工程建設(shè)時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)大、耗材多和成本高等弊病，地連墻的發(fā)展已經(jīng)不再符合我國向節(jié)約型和科技創(chuàng)新型社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)，需要一種新的地連墻形式來實(shí)現(xiàn)其可靠性和經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)一致[3]。

2　后張預(yù)應(yīng)力地連墻結(jié)構(gòu)

2.1設(shè)計(jì)思路

利用預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后的彈性回縮，對(duì)地連墻混凝土施加壓力，使后張預(yù)應(yīng)力地連墻充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度高和混凝土抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以顯著提高地連墻的承載能力。另一方面，后張預(yù)應(yīng)力地連墻在外荷載作用時(shí)，首先抵消預(yù)壓應(yīng)力，然后隨著外荷載的增加，受拉區(qū)混凝土才開始受拉，從而延遲了地連墻裂縫的出現(xiàn)和開展，提高了地連墻的剛度和抗裂能力，設(shè)計(jì)思路如圖2。

圖2　設(shè)計(jì)思路Fig.2 Design idea

2.2后張預(yù)應(yīng)力地連墻結(jié)構(gòu)組成

后張預(yù)應(yīng)力地連墻主要包括：固定端錨具、

張拉端錨具、預(yù)應(yīng)力鋼筋、波紋管、鋼筋籠及混凝土[4]。

1）固定端錨具包括：固定端錨板、固定端錨墊板、固定端夾片、固定端螺旋筋，固定端錨板有錐孔，與固定端夾片配合，利用錐孔的楔緊將預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固，固定端錨墊板和固定端螺旋筋共同組成固定端錨板下受力構(gòu)件，以滿足承載和傳遞預(yù)應(yīng)力的要求。

2）張拉端錨具包括：張拉端錨板、張拉端錨墊板、張拉端夾片、張拉端螺旋筋，其連接方式與固定端錨具相同。

3）預(yù)應(yīng)力鋼筋從波紋管中穿過，鋪設(shè)并固定在鋼筋籠上之后，預(yù)應(yīng)力鋼筋兩端再分別固定到固定端錨具和張拉端錨具上。

3　后張預(yù)應(yīng)力地連墻的實(shí)施方案

3.1預(yù)應(yīng)力鋼筋的下料

預(yù)應(yīng)力鋼筋一定要先按要求的下料長度，在下料場做出明顯下料長度標(biāo)記，下料時(shí)要用輪片式砂輪機(jī)斷料，嚴(yán)禁采用電焊或風(fēng)割斷料。

由于后張預(yù)應(yīng)力地連墻施工的特殊性，張拉時(shí)必須采用一端張拉，一般情況下預(yù)應(yīng)力鋼筋的下料長度按下式計(jì)算，并通過試用后進(jìn)行修正，如圖3所示。

L= L1+ L2+ L3+ L4+ L5+ L6

式中：L為預(yù)應(yīng)力鋼筋的下料長度；L1為預(yù)應(yīng)力孔道長度；L2為固定端錨具厚度；L3為張拉端錨具厚度；L4為千斤頂工作長度；L5為固定端長度富余量；L6為張拉端長度富余量。

圖3　預(yù)應(yīng)力鋼筋長度Fig.3 Length of prestressed steel

3.2地連墻鋼筋籠的制作與預(yù)應(yīng)力鋼筋的穿束

預(yù)應(yīng)力鋼筋由于其剛度不滿足起吊要求，因此要想將預(yù)應(yīng)力鋼筋下放至地連墻指定位置，必須依附于地連墻鋼筋籠骨架，也就是說鋼筋籠的吊裝必須攜帶預(yù)應(yīng)力鋼筋。

相比其它預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，地連墻預(yù)應(yīng)力鋼筋較長，因此地連墻預(yù)應(yīng)力穿束時(shí)，宜采取整束拖拉法，即將卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩套在鋼絞線束前端，人工將預(yù)應(yīng)力鋼筋端頭抬高并放入管道口內(nèi)，并拖帶一段距離，開動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)拖拉，使整束預(yù)應(yīng)力鋼筋緩緩進(jìn)入孔道。預(yù)應(yīng)力鋼筋的穿束必須對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋端頭加以保護(hù)，以防損傷波紋管。

地連墻鋼筋籠制作一般采用焊接，預(yù)應(yīng)力鋼筋與鋼筋籠的連接與固定采用綁扎，同時(shí)在焊接和綁扎過程中注意保護(hù)錨具與波紋管。

3.3施加初始預(yù)應(yīng)力

鋼筋籠下放完成后，預(yù)應(yīng)力鋼筋往往存在一定的局部變形或者位移，如圖4所示，因此必須對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行調(diào)直，以保證預(yù)應(yīng)力鋼筋在混凝土澆筑前能夠處于設(shè)計(jì)的位置上。

圖4　調(diào)直預(yù)應(yīng)力鋼筋Fig.4 Straightening prestressed steel

將卷揚(yáng)機(jī)等小型設(shè)備放置于導(dǎo)墻上對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋施加初始預(yù)應(yīng)力，待預(yù)應(yīng)力鋼筋伸直即可停止施加預(yù)應(yīng)力，并將預(yù)應(yīng)力鋼筋固定在相鄰加長主筋上?？紤]到需要在導(dǎo)墻上施加初始預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼筋一般要超出導(dǎo)墻不少于1 m；另外，為了將調(diào)直的預(yù)應(yīng)力鋼筋固定住，需要將距離預(yù)應(yīng)力鋼筋最近的主筋延伸出導(dǎo)墻不少于0.5 m，如圖4所示。

3.4換標(biāo)號(hào)連續(xù)澆筑混凝土

水下?lián)Q標(biāo)號(hào)連續(xù)澆筑混凝土，固定端和張拉端至少2 m范圍內(nèi)混凝土提高一個(gè)標(biāo)號(hào)，同時(shí)在該范圍內(nèi)降低混凝土澆筑速度，以保證固定端和張拉端受力范圍內(nèi)混凝土的密實(shí)度，如圖5所示。特別是固定端混凝土澆筑加強(qiáng)區(qū)，根據(jù)地連墻的施工特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力鋼筋固定端埋置較深，混凝土澆筑時(shí)探摸固定端混凝土面高度精確度不高，因此固定端混凝土澆筑加強(qiáng)區(qū)要大于張拉端混凝土澆筑加強(qiáng)區(qū)。另外，為了防止加強(qiáng)區(qū)混凝土出現(xiàn)開裂，可以在混凝土中摻入一定量的纖維。

圖5　換標(biāo)號(hào)連續(xù)澆筑混凝土Fig.5 Continuous pouring differentgrade concrete

3.5樁頭鑿除

地連墻混凝土澆筑結(jié)束后，頂部混凝土存在一定的沉渣或者浮漿，因此地連墻澆筑高度一般要較實(shí)際地連墻面高，這部分高出的混凝土在澆筑完成后，需要鑿除后方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉。因此，在混凝土澆筑前，需要對(duì)鑿除范圍內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋用套筒保護(hù)起來，防止在樁頭鑿除過程中破壞預(yù)應(yīng)力鋼筋。

3.6預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉

預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉設(shè)備為千斤頂，千斤頂定位時(shí)，要保證千斤頂軸線、錨具軸線與預(yù)應(yīng)力鋼筋軸線的“三軸同心”。

張拉前實(shí)施混凝土強(qiáng)度、彈性模量、混凝土齡期“三控”。張拉應(yīng)在地連墻混凝土強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值后、齡期不少于20 d時(shí)進(jìn)行。

張拉中實(shí)施張拉應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間“三控”：即張拉時(shí)以油壓表讀數(shù)為主，以預(yù)應(yīng)力鋼筋的伸長值作校核，在張拉力作用下維持一定的時(shí)間[5]?？紤]到預(yù)應(yīng)力鋼筋的制作偏差及應(yīng)力損失（孔道摩擦損失、錨固損失、彈性壓縮損失、鋼材應(yīng)力松弛損失及混凝土收縮形變損失等），張拉力宜采用預(yù)應(yīng)力鋼筋破斷力的0.65～0.75倍，實(shí)際伸長值與計(jì)算伸長值的允許偏差為-5％ ～10％。

3.7孔道灌漿

后張預(yù)應(yīng)力地連墻接觸介質(zhì)為地下水或海水，這些介質(zhì)中常含有對(duì)鋼筋腐蝕性較強(qiáng)的離子，一旦這些離子侵入混凝土內(nèi)部破壞預(yù)應(yīng)力鋼筋，地連墻結(jié)構(gòu)的安全性將嚴(yán)重降低，因此后張預(yù)應(yīng)力地連墻在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后，需進(jìn)行灌漿處理。

根據(jù)后張預(yù)應(yīng)力地連墻的施工特點(diǎn)，孔道灌漿不能像房建、橋梁等預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一樣在側(cè)壁開排氣孔，為此需要預(yù)先安置一道通長的壓漿孔道，并在頂端預(yù)留幾道排氣孔道，以保證水泥漿能夠充分包裹預(yù)應(yīng)力鋼筋。另外為了減少地下水或海水對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕，灌漿材料可適當(dāng)添加阻銹劑；預(yù)應(yīng)力鋼筋所在地連墻范圍內(nèi)可適當(dāng)加密鋼筋籠墊塊，以確保預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)層厚度。

4　結(jié)語

1）后張預(yù)應(yīng)力地連墻首次將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入地連墻結(jié)構(gòu)中，解決了傳統(tǒng)房建及橋梁等預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于地連墻中的問題，為地連墻的發(fā)展探索了一條新的道路。

2）后張預(yù)應(yīng)力地連墻能夠提高地連墻的強(qiáng)度、剛度、抗裂性，減少用鋼量。與傳統(tǒng)地連墻相比，在同樣受力條件下，后張預(yù)應(yīng)力地連墻具有截面小、抗震性能好、材料省等優(yōu)點(diǎn)。

3）后張預(yù)應(yīng)力地連墻的出現(xiàn)，為預(yù)應(yīng)力技術(shù)向地下空間結(jié)構(gòu)發(fā)展提供了新的思路，為建筑結(jié)構(gòu)中地下建筑與地上建筑的協(xié)調(diào)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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