混凝土流动对地连墙施工质量的影响

赵明时

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

随着“海上丝绸之路”这一世界政治经济战略构想的的展开，沿海经济步入了崭新的时代，特别是全球海洋贸易总量的持续增长再次激发了港口的投资活力，港口建设也随着沿海经济的转型升级而进入了新的发展阶段[1-2]。码头建设作为港口建设的龙头产业，也随之走向了更加经济、绿色、高效的时代[3]。板桩码头作为新兴的码头结构，与传统的高桩和沉箱相比，具有投资省、建设速度快、风险小等优势，近些年板桩码头在粉砂质海岸得以迅猛发展，其技术研究和实施成果也在国内外港口建设中得以认可和应用[4]。

地连墙作为板桩码头的核心结构，其施工质量直接关系到整个板桩结构的安全性，具有不可替代的作用。虽然板桩码头的建设机理和工艺日臻完善[5-6]，但是从众多已建板桩码头海侧开挖后前墙水下探摸效果来看，露筋问题一直无法得到合理的解释和有效的解决，成为地连墙施工的通病。而地连墙露筋恰恰是板桩码头的重大风险源，因此，如何在施工中保证地连墙墙体厚度，避免露筋事故的发生是目前板桩码头通病治理的重中之重[7]，这也直接影响到板桩码头在港口建设市场中的生命力。

1 背景

1.1 露筋的危害

板桩码头前墙露筋会使钢筋直接暴露于海水之中，钢筋中的铁离子与周围的氧气和海水分发生锈蚀反应。如图1 所示，其锈蚀物体积比原来增长约2～4 倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，加剧了钢筋保护层混凝土的进一步开裂、剥离，同时钢筋在锈蚀过程中截面不断减小，且钢筋与混凝土的握裹力不断削弱。最终，前墙露筋位置会形成腐蚀通道，造成地连墙承载力的下降。

图1 钢筋锈蚀

地连墙作为板桩码头的主体结构，特别是前墙在开挖后墙体直接接触海水，若存在地连墙墙体厚度不足、露筋甚至是漏砂，则直接影响码头结构的安全性，且水下修补难度大、费用高，因此必须对板桩码头的地连墙露筋事故予以深入的研究。

1.2 技术背景

有关地连墙工作机理及施工方面的研究，国内外已经积累了相当多的数理模型和试验数据。可这些研究大多数局限于地连墙的变性分析和槽壁的稳定分析等方面，特别是水下灌注混凝土施工中，研究主要集中于水下混凝土材料和配合比的选用，或者水下灌注混凝土过程中事故的处理和开挖后地连墙的修补技术。虽然少量文献考虑了水下混凝土“膜效应”的活性和张力，对露筋原因并没有给出理论上的解释和定义，更没有讨论流动状态下混凝土对地连墙施工质量的影响。根据相关文献显示，大多数地连墙露筋事故是在水下灌注混凝土施工过程中产生的，而已有大量水下灌注混凝土的研究并不能从根本上解释露筋原因，必须寻求地连墙水下灌注混凝土研究的新方向，在流动状态下分析水下灌注混凝土的施工过程，能够更真实的还原混凝土的工作环境，露筋原因分析结果更加客观[8-9]。

2 混凝土的流动

2.1 物理性质

与常见的流体（例如空气和水等）相比，工程技术人员常常将混凝土作为固体来考虑，即使研究混凝土的流动也是考察其塌落度，以易于混凝土的灌注。可是，要研究水下灌注混凝土的工作机理，必须将混凝土视为流体进行分析，下面对流动状态下混凝土的物理性质进行如下假定。

1）连续性：混凝土是连续分布的物质，它可以无限分割为具有均布质量的微元体；在水下灌注混凝土过程中不发生离析及其它化学反应。

2）易流性：这是混凝土作为流体考虑最基本的假设，即混凝土静止时不能承受剪切力。

3）不可压缩性：水下混凝土的灌注近似认为不可压缩的流动。

4）粘性：混凝土流动时，流体内部微元体之间具有抵抗相互滑动的属性。是否考虑混凝土的粘性，主要看粘性是否在流动过程中起主导作用。

2.2 混凝土的湍流

1）湍流的形成

实际流体的流动大多以湍流为主，水下灌注混凝土的湍流中混凝土微元体的运动轨迹杂乱无章，变化较大，内部随即产生不同尺度的旋涡（速度场和压力场也随机产生），由于内部流动及压力的变化，产生旋涡。旋涡产生后，涡体旋转方向和混凝土流速方向一致的一侧流速变大，反则变小。根据伯努利方程，流速大的一侧压强变小，流速小的一侧压强大，在涡体两侧压强差的作用下，涡体具有向压强小一侧横向移动的趋势，当横向移动的惯性力超过粘性阻力时，产生旋涡混掺，这也干扰了相邻流层的流动，进一步产生新的旋涡[10]。

2）壁面粗糙度

在地连墙成槽后，槽壁壁面是由凹凸不平的，槽壁壁面平均凸起高度h 定义为壁面粗糙度。根据湍流统计理论，湍流从大尺度旋涡中获得能量而在小尺度旋涡中耗散。作为“旋涡制造厂”的近壁端，粗糙的槽壁将大旋涡分解为小旋涡，小旋涡尺度小，阻止小旋涡运动的粘性作用大，即槽壁边的混凝土在上升过程中耗能较大。也就是说，水下灌注混凝土施工中，槽壁边的混凝土相对于中心混凝土易流性差。

2.3 层流底层

1）层流底层的概念

从地连墙开挖后墙面可以看出，无论在成槽、泥浆及水下灌注混凝土等方面如何控制，墙面总有一层薄砂层。从湍流角度讲，受槽壁壁面粗糙度的影响，壁面一定范围内主混凝土（或砂）导微元体运动的剪切力（粘性）无穷大，即混凝土（或砂）和槽壁无相对运动，混凝土（或砂）流速为0，这一层即为层流底层。

2）层流底层的意义

在水下灌注混凝土过程中，槽壁附近混凝土上升的速度从槽壁壁面的0 增加到核心混凝土流速V。假定从槽壁到混凝土流速为V 的距离为S，在该范围内混凝土流速为u(x)。那么，在距离槽壁S的范围内，如图5 所示，混凝土上升流量Q1 为：

根据混凝土流动的连续性和不可压缩性的假定，无论槽壁光滑与否，通过单位截面的流量是相等的。若考虑Q1 底部混凝土为理想均匀上升（忽略槽壁粗糙度对混凝土上升的阻碍），如图5 所示，那么混凝土上升流量Q2 为：

式中δ 为层流底层厚度，其物理意义为：厚度为（S-δ）的理想均匀混凝土由于槽壁壁面粗糙度的影响，近壁端流速衰减。根据混凝土流动时流量不变的性质，混凝土流线势必会延槽壁的法向产生外移，外移的厚度即为层流底层厚度δ。其现实意义为：由于混凝土单位截面内流动的连续性和不可压缩性，层流底层厚度δ 实际上就是混凝土在上升过程中在槽壁附近损失的流量，如图2 所示，这也与层流底层产生的原因相互印证。

图2 层流底层

2.4 地连墙墙体厚度影响因素

1）层流底层

根据水下混凝土“膜效应”的相关研究及现场地连墙开挖情况来看，水下灌注混凝土时，混凝土顶部为沉渣（砂或泥砂混合物）。根据层流底层的分析，下层混凝土在上升过程中，会在沉渣层边缘产生层流底层，即槽壁壁面附近的沉渣不会因沉渣层的上升而上升，进而形成一层薄砂层。同样，在混凝土内部，由于层流底层的缘故，在沉渣层槽壁已形成的薄砂层，在混凝土上升过程中不会变化（或变化很小），最终导致地连墙墙面附着一层薄砂层（包括松散的混凝土）。因此，在施工中要满足地连墙墙体厚度，必须充分考虑这一层薄砂层对墙体厚度的影响。根据地连墙开挖结果，薄砂层（包括松散的混凝土）的厚度一般小于10 cm，即一般在钢筋笼外侧。如果薄砂层过厚，会直接导致地连墙主筋保护层不足，甚至露筋。

2）壁面粗糙度

一般情况下，壁面粗糙度直接影响近壁端流体和壁面的摩擦力，即壁面越粗糙，壁面摩擦力越大。目前，建筑市场上普遍采用的成槽设备（液压抓斗、铣槽机等）形成的槽壁壁面粗糙度一般都小于3 cm，槽壁的凸起被覆盖于层流底层之中，即h＜δ。然而，当存在使用反循环成槽设备或地层含有类似砾石层等情况时，是可能出现槽壁粗糙度大于层流底层厚度的。从地连墙开挖结果来看，绝大多数是槽壁槽壁粗糙度小于层流底层厚度，因此只讨论h＜δ 的情况，如图3 所示。也就是说，一般情况下地连墙露筋和地连墙墙体厚度受槽壁壁面粗糙度的影响不大。

图3 壁面粗糙度与层流底层

3）有效灌注速度

根据地连墙施工相关规范要求，水下灌注混凝土的上升速度不小于2 m/h。然而规范中并没有定义2 m/h 的具体施工时间范畴[11]。如果考虑2 m/h是连续不中断灌注，在实际施工中，绝大多数情况下槽壁的薄砂层（包括松散的混凝土）会非常厚，甚至露筋。

为了进一步研究地连墙水下灌注混凝土的速度对地连墙墙体厚度的影响，在水下灌注混凝土施工中，将混凝土在导管中流动的时间定义为水下灌注混凝土的有效灌注时间。在有效灌注时间内，槽段内混凝土上升的速度定义为有效灌注速度。以京唐港粉砂质海岸中地连墙开挖结果为例，考察有效灌注速度对层流底层的影响，如图4 所示。

图4 薄砂层厚度随有效灌注速度的变化

试验表明，当有效灌注速度从0.4 m/min 提高到2 m/min 时，薄砂层（包括松散的混凝土）厚度由初始的10 cm 减少到2 cm，这说明层流底层的变化趋势为随着有效灌注速度的提高而减小。因此，在地连墙施工中，加快混凝土有效灌注速度，缩短混凝土有效灌注时间，是从根本上解决地连墙露筋的有效途径之一。

但是工程技术人员，特别是现场操作者，往往容易混淆有效灌注时间和实际灌注时间（从开始到结束的总时间）的概念。水下灌注混凝土时，实际灌注时间的长短主要取决于拆卸导管的时间（约占70 %～80 %），因此大多数操作者常常以减少拆卸导管次数的方法来缩短混凝土实际灌注时间，同时这样也可以减少操作者的劳动强度。但是拆卸导管次数越少，平均埋管深度越大，而埋管深度越大混凝土有效灌注时间越长，有效灌注速度越慢，可以说埋管过深是地连墙大面积露筋的主要原因之一。

总之，在水下灌注混凝土施工中，由于层流底层的存在，地连墙成槽设备的宽度一般要大于地连墙墙体厚度。同时，减少埋管深度能够提高混凝土有效灌注速度，进而确保地连墙墙体厚度。

3 结语

1）地连墙墙面的薄砂层（包括松散的混凝土）的厚度主要受层流底层的影响，而与地连墙成槽时槽壁壁面粗糙度关系不大。

2）一般情况下，水下灌注混凝土的有效灌注时间越短，实际灌注时间越长（即拆卸导管次数越多）；有效灌注时间越短，薄砂层（包括松散的混凝土）的厚度越小。

3）在水下灌注混凝土施工过程中，工程技术人员必须充分考虑混凝土流动对地连墙墙体厚度的影响，合理选择施工设备尺寸，在以减少埋管深度的方法来降低露筋风险、确保地连墙厚度的同时，寻找提高混凝土有效灌注速度的新途径。