基于耦合场的秦淮河航道混凝土挡墙开裂风险研究

夏微 曹洋 江苏中泰建发集团有限公司

秦淮河穿越江苏省南京市中心，是一条久负盛名的航道、景观河。水中行船，岸坡绿化，局部路堤分为二级坡和大堤，下堤供市民行走锻炼身体，大堤或绿化或修路。如遇到洪水档期，也作为城区主要行洪通道。由于秦淮河水面算不上宽阔，为减少淤泥的影响，河道两边需要构筑护岸。护岸的型式多样，比较新型的预制连锁块和三维土工网垫型式、透水空箱和自嵌块型式、格宾石笼型式、生态混凝土护岸型式、混凝土劈离块护岸型式等，其中混凝土是最常用的护岸建筑材料。由于混凝土护岸结构存在温度场、水化场、应力场等多场耦合作用，所以混凝土的常见开裂病害，势必影响航道护岸整体刚度。因此，在航道护岸施工中，需要进行温度场、水化场、应力场耦合对护岸结构质量影响的分析研究。

1.挡墙开裂风险评估理论与实证方法

本单位项目部主要承担秦淮河航道整治工程航道施工 QHH-HD6护岸标段，全长21公里。图1为本项目部一处护岸挡墙混凝土开裂缝宽27-32 mm、深30-100 mm，该标段工程监理单位要求返工。本次使用的C25混凝土，按照施工图要求必须清除并重新浇筑，施工队初步估算损失在12万元人民币（包含材料与人工、机械、管理等费用）。

航道挡墙混凝土施工环境与航道正常交付使用不同之处在于：挡墙一侧有回填土方，但是另一侧没有水压力载荷，两侧压力在施工期间势必失去平衡，形成应力场影响。在极寒天气，如果混凝土不加抗冻剂或浇筑的混凝土未采取保温措施，施工昼夜温差巨大，则会产生温度场的显著影响作用，也会出现开裂问题，如本标段有一施工队在2020年末，由于未能及时收到上级极寒天气通知，施工当天白天零上5-6度，夜间直降零下8-9度，未采取抗冻防冻措施，最终导致混凝土挡墙开裂。然而，有时也会出现温度场、水化场、应力场等的两场或两场以上的耦合作用。此外，按照标段护岸挡墙混凝土C25等级的自收缩变形，应作为结构场考虑。耦合作用导致混凝土开裂，分析方法很多采用基于混凝土结构模型的有限元分析法。将多场耦合问题进行理论推导、数值计算及现场试验研究，应进一步深入研究混凝土多场耦合相互作用关系、理论模型、方程建立与求解、试验论证分析及现场验证。本项目中采用有限元模型分析法，考虑多场耦合因素等其它约束条件，开展混凝土挡墙开裂风险分析，以期在护岸工程建设中，对可能出现的挡墙混凝土开裂病害，进行有效预防，从而使得护岸建设质量符合设计方的要求。

图1 航道挡墙开裂

图2 重力式B1护岸模型

航道挡墙混凝土的施工工况与航道通航不同，在计算挡墙开裂中涉及温度场、水化场、应力场和构筑物结构场等单场或多场耦合作用，所以定义挡墙开裂风险计算方法如公式（1）所示。

式中，表示开裂风险系数；σ1(t)、σ2(t)、σ3(t)和σ4(t)分别表示温度场、水化场、应力场和构筑物结构场耦合作用在t时刻的挡墙最大拉应力；和τ4(t)分别表示温度场、水化场、应力场和构筑物结构场耦合作用在t时刻的挡墙抗拉强度。

在工程施工中，结合试验论证分析，挡墙混凝土开裂风险评判准则一般为：当μ≥1.0，则混凝土存在开裂病害，必须采取预防措施；而当0.7≤μ＜1.0时，则混凝土具有开裂趋势，施工中必须重视关联影响因素；再当μ＜0.7时，则混凝土将不会出现开裂病害，施工不必过多考虑开裂环节问题。

2.航道混凝土挡墙开裂有限元分析

2.1 模型设计

由于混凝土挡墙每10 m设置一道伸缩缝，用泥土分层夯实填充加固与老护岸间空隙，所以模型设计取混凝土C25护岸结构断面长10 m。为简化有限元模型计算工作量，将无地基处理的航段B1重力型护岸不设置前趾。本文模型其它参数以及有限元分析软件的选取参考了一些文献资料，例如桂劲松利用有限元软件PLAXIS对某板桩码头模型进行了有限元分析,通过对比有限元法与弹性线法及m 法的计算结果,验证了PLAXIS软件的准确性。邓鲲鹏利用数值模拟实验,分析钢板桩在不同的打入位置和入土深度下渗流场的变化,分析其对围堰边坡稳定性的影响,为工程建设施工提供依据。王新泉结合长湖申航道湖州段板桩加固护岸实体工程,通过现场试验得出了板桩护岸的受力机理以及桩侧土压力分布。以上学者所做的研究表明，有限元分析可以节省大量实际试验所需时间，节约成本，最关键的是数据分析结果与实际试验接近。因此，本文采用比较成熟的PLAXIS 软件在单场或多场耦合约束条件下，对项目部施工标段混凝土挡墙进行有限元分析。

项目部承建护岸结构有重力式B1和B2型，本文选取B1型，其压顶砼、墙身砼和底板砼均采用C25，压顶插筋，墙后设置排水，先处理地基的模型图如2所示，为有限元网格划分模型，网格采用四面体结构，YC向为背水侧。该侧面分层厚在30cm内夯实，干容重不小于15.0KN/m3，压实度不小于91%。

2.2 工况设计

在模型工况设计中，充分考虑航道混凝土挡墙实际施工环境、重力式B1护岸结构、混凝土等级性能、施工工艺等因素，对混凝土开裂风险的综合影响。包含天气为一年四季施工，水化场作变量考虑，C25混凝土体积变形，拆模时间分别为3/5/7d，保温措施分为有和无两种。此外，仿真工况还根据河道两侧护岸施工实际情况，采用单一场和多场耦合作用工况。

2.3 计算模型

航道混凝土挡墙，按照设计施工图要求施工，其构筑物型式比较单一，如图2所示。在模型计算中所选混凝土热力学参数为密度2400 kg/m2、线性膨胀系数1×105（1/T）、泊松比0.167、质量热容1kJ/(kg·K)、导热系数8.6kJ/(m·K·h)、模板对流散热系数29KJ/(m2·K·h)、28天弹性模量39GPa、28天抗拉强度4.20MPa、收缩变形量200με。

模型计算中将航道混凝土挡墙以及各类土层均作为理想弹塑性材料，构筑物结构面采用线性Moh r-Coulomb 屈服准则，如式(2)。

式中，I1、J2分别为计算模型第一主应力不变量以及应力偏量的第二不变量，α、K与混凝土等级的凝聚力和内摩擦角有关。当屈服函数F＜0时,模型材料处于弹性状态；但是当屈服函数F＞0 时,表明模型材料已经发生屈服状态。

由式（2）知，当屈服函数F＞0时，所设材料由于表示弹性状态，在实际施工中可存在，则满足下列微分关系式。

式（3）中，D为航道混凝土挡墙以及各类土层的弹性矩阵。

此外，当屈服函数F＞0 时,则表明施工的航道混凝土挡墙以及各类土层发生屈服。施工中，如果表明航道混凝土挡墙以及各类土层正处于塑性加载阶段，则存在下列微分关系式。

式（4）中，Dep为航道岸坡施工对象的弹塑性矩阵，但是当，则表明航道混凝土挡墙以及各类土层正处于卸载工况。

2.4 计算结果分析

根据重力式B1型护岸施工实际工况，有限元分析中采用单一场与多场耦合作用结果进行了进行比较分析。温度场单作用如图3所示，随着混凝土养护天数的变化，极寒天气在最初的0-4天混凝土开裂风险很大，以后随着养护天数的增加混凝土风险开裂趋势变小。

由于江苏省内每年气候中极寒天气出现少的情况，在混凝土施工中往往比较忽视防护。如不采取措施，极寒天气容易造成施工混凝土开裂风险。因此，在混凝土施工中注意寒冷天气预报，采取防冻措施，如停工，或者使用木模代替钢模减少热量散失，在已经浇筑的混凝土覆盖保温层等。

相对于单一场，在航道护岸混凝土施工中多场耦合是常态，如护岸背水侧用土分层夯实回填，而面水侧在施工时未灌水，会造成护岸两侧压力差过大，从而也会有开裂风险。此外，在航道护岸混凝土施工中，需要充分考虑挡墙混凝土构筑物上下体量不匹配，在压顶砼、墙身砼结合处会造成应力集中现象，也有开裂风险趋势。多场耦合对航道护岸混凝土开裂风险如图4所示，该图中的2场耦合是指温度场与应力场、3场耦合是指温度场、应力场、水化场、4场耦合是指温度场、应力场、水化场和构筑物自身收缩率场。

从图4可看出，随着多场耦合的场数增加，航道护岸混凝土开裂风险系数有增大的趋势，并伴随天数的延长，混凝土开裂风险也在增长，在多场耦合作用下10d开裂风险系数比较高，本文数值模拟的曲线均呈现波峰趋势,该结果与李崇智等人关于混凝土开裂分析一致。针对这种多耦合场的施工，需加强施工工艺的管理，采取防范开裂风险措施，减少开裂发生。

3.结论

航道护岸混凝土开裂风险控制，一般采用实验室进行测定。使用有限元分析法，可以快速预测单个场或多场耦合作用下的混凝土开裂风险系数，在温度场、应力场、水化场和构筑物自身收缩率场耦合作用比其他3场或2场，开裂风险走向比较高，这种结论也与施工实际接近。所以，在施工中必须重视多耦合场对开裂风险的影响，采取预防施工工艺，提高航道护岸工程质量。

图3 温度场与开裂风险的关系

图4 多场耦合作用与风险开裂的关系