同步切割浇筑混凝土连续墙钢筋笼后置试验与计算分析*

王 辉，王开强，周环宇，吴全龙

(中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

传统地下连续墙施工工艺均在成槽及清孔后下放钢筋笼，然后再进行混凝土浇筑形成单幅地下连续墙墙体。根据同步切割浇筑混凝土连续墙施工原理及技术特点[1]，提出的“锯割成槽、连续排土、随同浇筑、土-混凝土隔离、后置骨架”的工艺构想，地下横向连续切排土成槽，隔离成槽区与混凝土浇筑区，形成前端切排土成槽、后端混凝土随同浇筑、混凝土中后置钢筋笼的连续作业成墙施工模式。

目前暂无地下连续墙混凝土中后置钢筋笼相关技术研究与应用，因此，有必要对同步切割浇筑混凝土连续墙钢筋笼进行设计、理论计算分析与后置试验研究。

1 后置钢筋笼整体设计

1.1 设计原则与要求

地下连续墙作为竖向围护结构需满足强度、变形及稳定性要求，抵抗基坑外侧的水土压力，保证基坑安全，对于“两墙合一”的地下连续墙，还需满足竖向承载力与防水等方面的要求。因此，地下连续墙内部“骨架”钢筋笼的设计至关重要。钢筋笼结构设计基于地下连续墙的内力分布、截面抗弯抗剪承载力进行配筋与排布。地下连续墙钢筋笼的构造设计除了钢筋的构造外，主要涉及地下连续墙的接头形式，墙段间根据受力状态及功能要求进行结构形式选择，包括刚性、柔性和防水接头。刚性接头可承受地下连续墙全部或部分弯矩、剪力和水平拉力；柔性接头不能传递内力；防水接头一般采用加设止水条或延长渗透路径的方式。

由于同步切割浇筑混凝土连续墙后置钢筋笼施工的特殊性，相较于常规钢筋笼的设计，其钢筋笼的设计需考虑工艺条件下的施工流程、结构受力与构造的要求。同步切割浇筑混凝土连续墙钢筋笼依据地下连续墙本身内力进行配筋设计，与传统地下连续墙设计并无差别。同步切割浇筑混凝土连续墙工艺为连续成墙，理论上墙身没有施工接缝，不需要设置特殊的防水构造。钢筋笼在混凝土中置入时，要求钢筋笼本身具有足够的刚度，考虑同步切割浇筑混凝土连续墙可应用于永久结构中，并满足墙体强度、变形要求，采用刚性接头。

根据同步切割浇筑混凝土连续墙施工工艺特点，钢筋笼设计需考虑以下要求。

1)满足地下连续墙结构受力的配筋要求，保证地下连续墙的承载能力与安全可靠性。

2)满足钢筋笼的整体刚度，方便钢筋笼在混凝土中下插。

3)钢筋笼间接头要保证可靠性，满足钢筋笼连接的要求。

4)钢筋笼尺寸与刚度满足吊装施工要求与下放垂直度控制要求。

1.2 钢筋笼设计

根据同步切割浇筑混凝土连续墙工艺及试验要求，为保证钢筋笼下插具备足够的刚度，满足搭接接头的构造要求，钢筋笼两侧采用不同规格的型钢作为钢筋笼“骨架”，不同规格型钢可组合成公母接头，中间钢筋采用常规配筋法，依据地下连续墙内力分布进行设计。现场验证试验成槽深度为16m，钢筋笼竖向不分节，考虑钢筋笼组合的灵活性及吊装要求，钢筋笼的设计宽度为3m。钢筋笼顶部采用型钢作为连系梁，连接两侧型钢骨架，方便后续混凝土中后置钢筋笼验证试验荷载施加。钢筋笼如图1所示。

图1 钢筋笼

2 后置理论计算

流态混凝土中后置钢筋笼需考虑流态混凝土的流变特性。目前对流态混凝土的研究，无论是新拌混凝土还是硬化阶段的混凝土，均将流态混凝土视为复杂流体，建立工作性能与流变参数间的相关性来研究混凝土物理力学特性[2]。

混凝土的流变模型可通过弹性、黏性和塑性流变基元以不同形式组合成流变模型，一般认为，简化Bingham模型较符合混凝土在自重和外力振捣条件下产生的流动与变形，简化Bingham模型如图2所示(G为理想弹性模型)。

图2 简化Bingham模型

简化Bingham模型的计算公式为：

(1)

式中：τ为剪切应力(Pa)；τ0为屈服应力(Pa)；ηp为塑性黏度(Pa·s)；γ为剪切应变。

混凝土的流变性能用屈服应力和黏度表示，但直接测试混凝土流变参数复杂且成本较高，较少应用于施工现场。因此，很多学者研究混凝土的流变性与工作性能间的相关性来解决这一难题。

1996年，Ferraris等[3]在试验的基础上，对流动度较大的混凝土建立屈服应力与坍落度表达式：

(2)

式中：ρ为拌合物的密度(kg/m3)；S为坍落度(mm)。

2012年，曹明莉等[4]通过倒坍落度试验推导得出黏度表达式：

(3)

式中：f为混凝土摩擦系数；H为坍落度筒高度，取300mm；t为倒坍落度筒排空时间(s)。

钢筋笼在混凝土中的贯入阻力P主要由钢筋笼侧面的剪切阻力及投影端面的形状阻力组成，其力学模型可表达为：

P=Fs+Fu+Ff

(4)

Fs=τSu

(5)

(6)

Ff=ρgV

(7)

SD=∑Bihtanθ

(8)

式中：Fs为钢筋笼在混凝土中的黏滞阻力(kN)；Fu为钢筋笼在混凝土中的形状阻力(kN)；Ff为钢筋笼在混凝土中的浮力(kN)；Su为下放状态下的钢筋笼侧面总面积(m2)；C为钢筋笼阻力系数；SD为下放状态下的钢筋笼中钢筋与型钢投影面积(m2)；v为钢筋笼贯入速度(m/s)；V为贯入混凝土中钢筋笼的体积(m3)；h为钢筋笼灌入深度(m)；θ为钢筋笼切斜角度(°)；Bi为钢筋笼中的构件垂直倾斜方向上的宽度(m)。

由表达式(1)，(4)～(8)可得出钢筋笼在混凝土中贯入的简化模型，计算出钢筋笼的贯入阻力：

(9)

阻力系数可用雷诺数Re来表示，但阻力系数与雷诺数的关系难以用统一公式表示，可分段进行拟合[5-6]：

(10)

(11)

(12)

式中：d为钢筋笼投影面积的等效直径(m)；ε为流体应变。

通过式(2)和(3)可得到流态混凝土的流变参数，通过式(10)～(12)可得到混凝土中的阻力系数。

3 后置试验与分析

3.1 钢筋笼后置试验

钢筋笼的现场加工应严格控制平整度及焊接质量，根据钢筋笼的质量分布、吊装高度与工作半径选择合适的吊装点位与吊装装备。钢筋笼在流态混凝土中后置验证试验的关键在于保证钢筋笼顺利贯入，在后置试验过程中严格控制钢筋笼垂直度与下放速度；为减小钢筋笼的下插阻力，对钢筋笼底部进行“收口”处理，两侧型钢骨架底部设置为锥形，同时在钢筋笼表面涂刷减摩剂。基于现场情况严格控制垂直度、下插速度，采取减阻保障措施，保证钢筋笼顺利下放到位(见图3)。

图3 钢筋笼下放

3.2 试验分析对比

通过理论与试验验证在混凝土中后置钢筋笼的可行性。根据现场试验钢筋笼下插速度v为0.04m/s，同步切割浇筑混凝土连续墙技术中采用超缓凝高流态混凝土。混凝土拌合物坍落度为230mm，扩展度为550mm，密度为2 400kg/m3，7,28,42d抗压强度分别为9.1，30.1，33.4MPa。

根据式(2)和(3)可得到混凝土的屈服应力τ0为696.1Pa，黏度为100Pa·s，由式(11)和(12)可得到雷诺数为5.5×10-3，由式(10)可得到阻力系数C为4 366。

经计算得到钢筋笼混凝土接触侧面积为79m2，现场后置试验钢筋笼下放过程中在贯入深度6m位置开始出现倾斜，下放就位贯入深度14m，钢筋笼倾斜3°，投影面积为1.87m2，假设贯入6～14m过程中钢筋笼侧向均匀倾斜，通过式(9)得到钢筋笼整个下插过程中的贯入阻力。

理论模型将混凝土视为均质流体，且仅考虑钢筋笼在混凝土中的贯入阻力，不考虑钢筋笼倾斜剐蹭槽壁土体产生的影响。理论模型计算结果和试验结果对比如图4所示，由图4可知，理论模型计算结果与试验结果较吻合。

图4 理论模型计算结果和试验结果对比

4 影响因素分析

4.1 倾斜角度

此算例主要讨论下插过程中的钢筋笼倾斜角度(不考虑剐蹭槽壁)对贯入阻力的影响。除倾斜角度，其他计算条件与3.2节相同，倾斜角度对贯入阻力影响曲线如图5所示。

图5 倾斜角度对贯入阻力影响曲线

由图5可知，钢筋笼在混凝土中的贯入阻力随钢筋笼倾斜角度增大而增大，且贯入深度越大，倾斜角度对贯入阻力的影响越显著，因此，在进行钢筋笼后置过程中要严格控制钢筋笼下放垂直度，特别是在贯入深度较大情况下要保证钢筋笼呈竖直状态。

4.2 贯入速度

钢筋笼在混凝土中的贯入速度是钢筋笼后置的重要控制要素，本算例的倾斜角度为3°，其他参数与3.2节相同。贯入速度对贯入阻力影响曲线如图6所示。

图6 贯入速度对贯入阻力影响曲线

由图6可知，钢筋笼贯入阻力随贯入速度的增大而增大，且贯入深度越大，贯入速度对贯入阻力的影响越显著。在本算例计算条件下，钢筋笼贯入深度14m位置，贯入速度0.08m/s比0.04m/s的贯入阻力增加47.5%。因此，在钢筋笼后置过程中尽量控制钢筋笼的下放速度，以减小贯入阻力。

4.3 流变参数

混凝土的流动性能是钢筋笼后置工艺的重要影响因素，混凝土流变参数对贯入阻力影响曲线如图7所示。

图7 流变参数对贯入阻力影响

由图7所示，贯入阻力随混凝土屈服应力和黏度的增大而增大。同比条件下，屈服应力1 200Pa、黏度200Pa·s的贯入阻力是屈服应力300Pa、黏度50Pa·s的贯入阻力的2.42倍。因此，针对同步切割浇筑混凝土连续墙工艺，需根据成墙深度及工艺需求配制满足条件的超缓凝高流态混凝土。

5 结语

基于同步切割浇筑混凝土连续墙技术及工艺要求，对钢筋笼后置工艺进行设计、理论模型计算与试验研究分析，得到如下结论。

1)本文设计的钢筋笼形式基本满足后置工艺要求，可完成后置验证试验。

2)混凝土中钢筋笼下插姿态(倾斜角度)对钢筋笼贯入阻力影响显著，且随贯入深度的增大影响加大；钢筋笼在下插过程中需严格控制垂直度。

3)钢筋笼在混凝土中的下插速度是贯入阻力的重要影响因素，贯入阻力随贯入速度增大而增大，控制下插过程的贯入速度也是钢筋笼后置工艺的重要指标。

4)混凝土的流变特性对钢筋笼下插阻力的影响显著，需根据钢筋笼后置工艺要求配制超缓凝高流态混凝土。