夏微 曹洋 江蘇中泰建發(fā)集團有限公司

秦淮河穿越江蘇省南京市中心，是一條久負盛名的航道、景觀河。水中行船，岸坡綠化，局部路堤分為二級坡和大堤，下堤供市民行走鍛煉身體，大堤或綠化或修路。如遇到洪水檔期，也作為城區(qū)主要行洪通道。由于秦淮河水面算不上寬闊，為減少淤泥的影響，河道兩邊需要構(gòu)筑護岸。護岸的型式多樣，比較新型的預(yù)制連鎖塊和三維土工網(wǎng)墊型式、透水空箱和自嵌塊型式、格賓石籠型式、生態(tài)混凝土護岸型式、混凝土劈離塊護岸型式等，其中混凝土是最常用的護岸建筑材料。由于混凝土護岸結(jié)構(gòu)存在溫度場、水化場、應(yīng)力場等多場耦合作用，所以混凝土的常見開裂病害，勢必影響航道護岸整體剛度。因此，在航道護岸施工中，需要進行溫度場、水化場、應(yīng)力場耦合對護岸結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響的分析研究。

1.擋墻開裂風(fēng)險評估理論與實證方法

本單位項目部主要承擔(dān)秦淮河航道整治工程航道施工 QHH-HD6護岸標(biāo)段，全長21公里。圖1為本項目部一處護岸擋墻混凝土開裂縫寬27-32 mm、深30-100 mm，該標(biāo)段工程監(jiān)理單位要求返工。本次使用的C25混凝土，按照施工圖要求必須清除并重新澆筑，施工隊初步估算損失在12萬元人民幣（包含材料與人工、機械、管理等費用）。

航道擋墻混凝土施工環(huán)境與航道正常交付使用不同之處在于：擋墻一側(cè)有回填土方，但是另一側(cè)沒有水壓力載荷，兩側(cè)壓力在施工期間勢必失去平衡，形成應(yīng)力場影響。在極寒天氣，如果混凝土不加抗凍劑或澆筑的混凝土未采取保溫措施，施工晝夜溫差巨大，則會產(chǎn)生溫度場的顯著影響作用，也會出現(xiàn)開裂問題，如本標(biāo)段有一施工隊在2020年末，由于未能及時收到上級極寒天氣通知，施工當(dāng)天白天零上5-6度，夜間直降零下8-9度，未采取抗凍防凍措施，最終導(dǎo)致混凝土擋墻開裂。然而，有時也會出現(xiàn)溫度場、水化場、應(yīng)力場等的兩場或兩場以上的耦合作用。此外，按照標(biāo)段護岸擋墻混凝土C25等級的自收縮變形，應(yīng)作為結(jié)構(gòu)場考慮。耦合作用導(dǎo)致混凝土開裂，分析方法很多采用基于混凝土結(jié)構(gòu)模型的有限元分析法。將多場耦合問題進行理論推導(dǎo)、數(shù)值計算及現(xiàn)場試驗研究，應(yīng)進一步深入研究混凝土多場耦合相互作用關(guān)系、理論模型、方程建立與求解、試驗論證分析及現(xiàn)場驗證。本項目中采用有限元模型分析法，考慮多場耦合因素等其它約束條件，開展混凝土擋墻開裂風(fēng)險分析，以期在護岸工程建設(shè)中，對可能出現(xiàn)的擋墻混凝土開裂病害，進行有效預(yù)防，從而使得護岸建設(shè)質(zhì)量符合設(shè)計方的要求。

圖1 航道擋墻開裂

圖2 重力式B1護岸模型

航道擋墻混凝土的施工工況與航道通航不同，在計算擋墻開裂中涉及溫度場、水化場、應(yīng)力場和構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)場等單場或多場耦合作用，所以定義擋墻開裂風(fēng)險計算方法如公式（1）所示。

式中，表示開裂風(fēng)險系數(shù)；σ1(t)、σ2(t)、σ3(t)和σ4(t)分別表示溫度場、水化場、應(yīng)力場和構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)場耦合作用在t時刻的擋墻最大拉應(yīng)力；和τ4(t)分別表示溫度場、水化場、應(yīng)力場和構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)場耦合作用在t時刻的擋墻抗拉強度。

在工程施工中，結(jié)合試驗論證分析，擋墻混凝土開裂風(fēng)險評判準(zhǔn)則一般為：當(dāng)μ≥1.0，則混凝土存在開裂病害，必須采取預(yù)防措施；而當(dāng)0.7≤μ＜1.0時，則混凝土具有開裂趨勢，施工中必須重視關(guān)聯(lián)影響因素；再當(dāng)μ＜0.7時，則混凝土將不會出現(xiàn)開裂病害，施工不必過多考慮開裂環(huán)節(jié)問題。

2.航道混凝土擋墻開裂有限元分析

2.1 模型設(shè)計

由于混凝土擋墻每10 m設(shè)置一道伸縮縫，用泥土分層夯實填充加固與老護岸間空隙，所以模型設(shè)計取混凝土C25護岸結(jié)構(gòu)斷面長10 m。為簡化有限元模型計算工作量，將無地基處理的航段B1重力型護岸不設(shè)置前趾。本文模型其它參數(shù)以及有限元分析軟件的選取參考了一些文獻資料，例如桂勁松利用有限元軟件PLAXIS對某板樁碼頭模型進行了有限元分析,通過對比有限元法與彈性線法及m 法的計算結(jié)果,驗證了PLAXIS軟件的準(zhǔn)確性。鄧鯤鵬利用數(shù)值模擬實驗,分析鋼板樁在不同的打入位置和入土深度下滲流場的變化,分析其對圍堰邊坡穩(wěn)定性的影響,為工程建設(shè)施工提供依據(jù)。王新泉結(jié)合長湖申航道湖州段板樁加固護岸實體工程,通過現(xiàn)場試驗得出了板樁護岸的受力機理以及樁側(cè)土壓力分布。以上學(xué)者所做的研究表明，有限元分析可以節(jié)省大量實際試驗所需時間，節(jié)約成本，最關(guān)鍵的是數(shù)據(jù)分析結(jié)果與實際試驗接近。因此，本文采用比較成熟的PLAXIS 軟件在單場或多場耦合約束條件下，對項目部施工標(biāo)段混凝土擋墻進行有限元分析。

項目部承建護岸結(jié)構(gòu)有重力式B1和B2型，本文選取B1型，其壓頂砼、墻身砼和底板砼均采用C25，壓頂插筋，墻后設(shè)置排水，先處理地基的模型圖如2所示，為有限元網(wǎng)格劃分模型，網(wǎng)格采用四面體結(jié)構(gòu)，YC向為背水側(cè)。該側(cè)面分層厚在30cm內(nèi)夯實，干容重不小于15.0KN/m3，壓實度不小于91%。

2.2 工況設(shè)計

在模型工況設(shè)計中，充分考慮航道混凝土擋墻實際施工環(huán)境、重力式B1護岸結(jié)構(gòu)、混凝土等級性能、施工工藝等因素，對混凝土開裂風(fēng)險的綜合影響。包含天氣為一年四季施工，水化場作變量考慮，C25混凝土體積變形，拆模時間分別為3/5/7d，保溫措施分為有和無兩種。此外，仿真工況還根據(jù)河道兩側(cè)護岸施工實際情況，采用單一場和多場耦合作用工況。

2.3 計算模型

航道混凝土擋墻，按照設(shè)計施工圖要求施工，其構(gòu)筑物型式比較單一，如圖2所示。在模型計算中所選混凝土熱力學(xué)參數(shù)為密度2400 kg/m2、線性膨脹系數(shù)1×105（1/T）、泊松比0.167、質(zhì)量熱容1kJ/(kg·K)、導(dǎo)熱系數(shù)8.6kJ/(m·K·h)、模板對流散熱系數(shù)29KJ/(m2·K·h)、28天彈性模量39GPa、28天抗拉強度4.20MPa、收縮變形量200με。

模型計算中將航道混凝土擋墻以及各類土層均作為理想彈塑性材料，構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)面采用線性Moh r-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，如式(2)。

式中，I1、J2分別為計算模型第一主應(yīng)力不變量以及應(yīng)力偏量的第二不變量，α、K與混凝土等級的凝聚力和內(nèi)摩擦角有關(guān)。當(dāng)屈服函數(shù)F＜0時,模型材料處于彈性狀態(tài)；但是當(dāng)屈服函數(shù)F＞0 時,表明模型材料已經(jīng)發(fā)生屈服狀態(tài)。

由式（2）知，當(dāng)屈服函數(shù)F＞0時，所設(shè)材料由于表示彈性狀態(tài)，在實際施工中可存在，則滿足下列微分關(guān)系式。

式（3）中，D為航道混凝土擋墻以及各類土層的彈性矩陣。

此外，當(dāng)屈服函數(shù)F＞0 時,則表明施工的航道混凝土擋墻以及各類土層發(fā)生屈服。施工中，如果表明航道混凝土擋墻以及各類土層正處于塑性加載階段，則存在下列微分關(guān)系式。

式（4）中，Dep為航道岸坡施工對象的彈塑性矩陣，但是當(dāng)，則表明航道混凝土擋墻以及各類土層正處于卸載工況。

2.4 計算結(jié)果分析

根據(jù)重力式B1型護岸施工實際工況，有限元分析中采用單一場與多場耦合作用結(jié)果進行了進行比較分析。溫度場單作用如圖3所示，隨著混凝土養(yǎng)護天數(shù)的變化，極寒天氣在最初的0-4天混凝土開裂風(fēng)險很大，以后隨著養(yǎng)護天數(shù)的增加混凝土風(fēng)險開裂趨勢變小。

由于江蘇省內(nèi)每年氣候中極寒天氣出現(xiàn)少的情況，在混凝土施工中往往比較忽視防護。如不采取措施，極寒天氣容易造成施工混凝土開裂風(fēng)險。因此，在混凝土施工中注意寒冷天氣預(yù)報，采取防凍措施，如停工，或者使用木模代替鋼模減少熱量散失，在已經(jīng)澆筑的混凝土覆蓋保溫層等。

相對于單一場，在航道護岸混凝土施工中多場耦合是常態(tài)，如護岸背水側(cè)用土分層夯實回填，而面水側(cè)在施工時未灌水，會造成護岸兩側(cè)壓力差過大，從而也會有開裂風(fēng)險。此外，在航道護岸混凝土施工中，需要充分考慮擋墻混凝土構(gòu)筑物上下體量不匹配，在壓頂砼、墻身砼結(jié)合處會造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，也有開裂風(fēng)險趨勢。多場耦合對航道護岸混凝土開裂風(fēng)險如圖4所示，該圖中的2場耦合是指溫度場與應(yīng)力場、3場耦合是指溫度場、應(yīng)力場、水化場、4場耦合是指溫度場、應(yīng)力場、水化場和構(gòu)筑物自身收縮率場。

從圖4可看出，隨著多場耦合的場數(shù)增加，航道護岸混凝土開裂風(fēng)險系數(shù)有增大的趨勢，并伴隨天數(shù)的延長，混凝土開裂風(fēng)險也在增長，在多場耦合作用下10d開裂風(fēng)險系數(shù)比較高，本文數(shù)值模擬的曲線均呈現(xiàn)波峰趨勢,該結(jié)果與李崇智等人關(guān)于混凝土開裂分析一致。針對這種多耦合場的施工，需加強施工工藝的管理，采取防范開裂風(fēng)險措施，減少開裂發(fā)生。

3.結(jié)論

航道護岸混凝土開裂風(fēng)險控制，一般采用實驗室進行測定。使用有限元分析法，可以快速預(yù)測單個場或多場耦合作用下的混凝土開裂風(fēng)險系數(shù)，在溫度場、應(yīng)力場、水化場和構(gòu)筑物自身收縮率場耦合作用比其他3場或2場，開裂風(fēng)險走向比較高，這種結(jié)論也與施工實際接近。所以，在施工中必須重視多耦合場對開裂風(fēng)險的影響，采取預(yù)防施工工藝，提高航道護岸工程質(zhì)量。

圖3 溫度場與開裂風(fēng)險的關(guān)系

圖4 多場耦合作用與風(fēng)險開裂的關(guān)系