框格式地下连续墙接头保护板研究与设计

蒋万江，潘洪

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司)

1 概述

图1 框格式地下连续墙结构平面布置示意图

桐子林水电站厂坝下游纵向导墙承重结构为框格式地下连续墙。地下连续墙顺河向布置4道，框格间距为8.43m，横河向布置3道，框格间距为8.75m；地下连续墙最大设计墙深25m，设计墙厚1.2m；地下连续墙通过扩大节点桩连接，节点桩桩径2.5m，最大设计桩深28m；搭接接头（包括L形搭接、T形搭接和十字形搭接）采用12mm厚Q235钢板制成。地下连续墙、节点桩均采用C35F100W8钢筋混凝土作为墙体（桩）材料。地下连续墙结构平面布置示意图见图1。

2 接头处理难点及解决方案

2.1 接头处理难点

在进行扩大节点桩混凝土浇筑时，混凝土会通过钢板接头与节点桩孔壁之前的缝隙扩散到钢板接头凹型槽内，扩散到接头凹型槽内的混凝土会与钢制接头黏结、凝固在一起，很难清理掉，它直接影响到接头的搭接质量；若缝隙过大，可能充满整个钢板接头，形成一个与钢板接头形状相同的“混凝土柱”，而这个“混凝土柱”一侧与钢板接头壁板紧贴，另一侧与孔壁紧贴，造成一边软一边硬，给二次造孔带来困难，情况严重条件下会严重影响钢板接头搭接质量。在同一个节点桩接头处理时，因搭接接头较多，施工布置上难以展开。如何解决在一个节点桩施工中，保护好多个钢板接头都不被混凝土包裹是一个极大的技术难题。以“十”字形搭接节点桩浇筑时混凝土扩散为例，见图2。

图2 混凝土扩散示意图

2.2 解决方案

为防止节点桩浇筑时混凝土扩散至钢板接头凹槽内，借鉴地下连续墙接头管施工原理，并结合框格式地下连续墙接头搭接样式，研究出框格式地下连续墙接头搭接的保护板技术。保护板技术原理是在钢板接头凹槽口处，设计一道弧形挡板来防止节点桩浇筑时混凝土扩散到凹槽内，起到保护钢板接头不被混凝土填充包裹，保证钢板接头的搭接质量，见图3。

图3 接头保护板平面结构图

3 接头保护板受力分析

接头保护板在节点桩混凝土浇筑时，其主要起拔阻力包括接头保护板自重、混凝土与接头保护板之间的摩擦力和混凝土对接头保护板产生的黏结力（握裹力）^［1］。

3.1 接头保护板自重

对于接头保护板，常采用10～15mm厚的Q235钢板卷制而成。对于最大设计孔深为28m的节点桩来说，其自重（Q）不会超过5t，一般小吨位吊车便可吊装。

3.2 混凝土与接头保护板间的摩擦阻力

根据参考文献，混凝土与接头保护板间摩擦力（F）表达式可简化为^［2］：

式中：μ为摩擦系数，一般取0.38～0.47；D为接头保护板直径，m；P_max为混凝土最大侧向压力，kN； h_g为最大侧向压力对应的距混凝土面深度，m；H为接头保护板插入混凝土深度，m。水平压力为

式中：γ_ch为混凝土在泥浆中的容重；h为距混凝土面计算深度，m；V为混凝土面上升速度。

根据式（2）得出混凝土面在不同上升速度下的侧压力曲线，见图4。

据图4可知，混凝土产生的侧压力沿深度方向呈曲线变化，在最大侧压深度一下，由于混凝土失去了流动性而自撑力增强，因此侧压会随着深度的增加而减小。混凝土对接头保护板的侧压力计算简图见图5：最大侧压力P_max位于混凝土面以下h_g深度的地方，侧压力假定为常数。为计算简便，h_g以上的侧压力符合二次抛物线的变化规律。即：

图4 不同速度下的侧压力曲线

图5 侧压力计算简图

当h<h_g时

当h≥h_g时

最大侧压力P_max 和最大侧压力点深度h_g都与混凝土的流动性及混凝土面上升速度有关。最大侧向压力P_max与对应的深度h_g可由图4查出。

3.3 混凝土对接头保护板产生的黏结力

根据相关研究成果，混凝土对接头保护板产生的黏结力（C）与水泥的水化作用有关，随时间变化而变化^［1］。混凝土初凝前，黏结力较小，通过实测一般为摩擦力（F）的5%，可以忽略^［1］；但起拔时间超过混凝土初凝时间后，黏结力迅速增大，直接影响到接头保护板的起拔，此时不能忽略黏结力。其黏结力（C）计算公式^［2］为：

式中：v为黏结系数，一般取50kN/m²。

随着时间推移，当混凝土初凝后1h再进行接头保护板起拔，接头保护板自重及摩擦力变化不大，但黏结力将会是前两项的3倍多。

综上所述：接头保护板起拔阻力（E）应该包括接头保护板自重（Q）、混凝土与接头保护板间摩擦力（F）及混凝土对接头保护板产生的黏结力（C）。其综合表达式^［2］为：

为最大限度消除黏结力，须在混凝土初凝时刻进行接头保护板起拔工作，或在混凝土浇筑后1～2h之内进行小幅度起拔（微拔），起拔位移约为10cm左右即可破坏黏结力，后者更为安全可靠。

4 起拔阻力计算

4.1 基本参数

（1）框格式地下连续墙工程施工参数。地连墙墙厚1.2m，节点桩桩径2.5m，混凝土容重为2373kg/m³。清孔后泥浆容重根据规范要求不大于1.3g/cm³（取值1150kg/m³）。混凝土初凝时间4h，混凝土浇筑上升速度为4m/h，混凝土与接头保护板间的摩擦力系数0.4。

（2）根据地连墙（墙厚1.2m）钢板接头凹槽开口为1.2m，弧形接头保护板宽度1.1m，直径1.6m，采用12mm厚Q235钢板卷制而成，接头保护板单位质量0.116t/m。

（3）框格式地下连续墙节点桩最大设计深度28m，接头保护板总长30m。

4.2 起拔阻力计算

4.2.1 接头保护板自重计算

接头保护板在泥浆中的重量（Q）计算：因接头保护板体积小，可忽略泥浆浮力，又因接头保护板单位质量为0.116t/m。即

Q=(116×9.8/1000)×30=34.1(kN)

4.2.2 混凝土对接头保护板产生的摩擦力计算

由图4可知：P_max=38kN/m²，h_g=10.8m，因摩擦力大小与混凝土包裹接头保护板面大小有关，即接头管未被混凝土完全包裹住时，摩擦力降低为70%^[2]。考虑到接头保护板弧长约为同径圆周的1/4，所以摩擦力F要大大降低，可取35%。则摩擦力 （F）为F=0.35μπDP_max（H-h_g/3）=0.35×0.4×3.14×1.6×38×（28-10.8/3）≈652（kN）

4.2.3 混凝土对接头保护板产生的黏结力计算

若混凝土初凝后1h进行接头保护板起拔，混凝土对接头保护板产生的黏结力（C）有

C=1/4πDvH=0.25×3.14×1.6×50×28=1758.4(kN)

综合所述：若在接头保护板起拔前进行了微拔（不考虑黏结力影响），接头保护板起拔阻力E_max=Q+F=34.1+652=686.1（kN）；若混凝土初凝后1h起拔接头保护板（接头保护板未进行微拔，考虑黏结力影响），接头保护板阻力

E _max=Q+F+C=34.1+652+1758.4=2445.5(kN)

5 接头保护板连接设计

5.1 设计方案

上述计算结果表明，混凝土黏结力是影响接头板起拔的关键，为了保证接头板起拔安全，必须在混凝土初凝前进行微动以克服其产生的黏结力。因此接头板设计工况主要考虑起拔时接头板自重、摩擦力，同时按安全系数1.4进行接头保护板连接设计。

参照混凝土防渗墙接头管配管原理，结合框格式地下连续墙工程实际，接头保护板配置了起拔板、标准板和底板。在起拔板和底板的一端以及在标准板的两端焊有20mm厚的Q235螺栓连接板，标准板的上下两端通过螺栓连接板分别连接起拔板和底板，螺栓连接板预采用3支10.9级M36型高强螺栓连接。

5.2 螺栓抗剪承载力验算

10.9级M36型高强螺栓单栓抗剪承载力公式^［3］为：单栓抗剪承载力

其中：代表螺栓抗剪承载力，公式为：

式中：n_v为剪切面数目；d为螺栓杆直径；为螺栓抗剪强度设计值；为承压承载力。

式中：∑t为连接接头一侧承压构件总厚度较小值；为螺栓孔壁承压强度设计值。

现计算M36型高强螺栓、螺栓连接板为20mm厚Q235钢板的单栓抗剪承载力，连接方式如图6所示。计算如下：

查表所得：

因此，M36型高强螺栓单栓抗剪承载力为338.4kN。而本接头保护板采用的是3支M36型高强螺栓连接，其抗剪承载力总和为1015.2kN（338.4kN×3）。

若接头保护板下设深度按照28m计算，在不考虑黏结力（握裹力）对接头保护板起拔影响情况下（施工过程中进行接头保护板微拔），接头保护板最大起拔阻力为686.1kN，安全系数k=1.5。因此，通过验算表明，采用3支10.9级M36高强螺栓和20mm厚Q235的螺栓连接板连接接头保护板是安全可行的。

6 接头保护板起拔系统设计

6.1 起拔系统工作原理

根据地下连续墙接头管起拔原理，结合框格式地下连续墙节点施工特点，研制了接头保护板起拔系统。该系统包括轨道销梁和拔板机，轨道销梁两端分别由拔板机支撑。系统原理见图6。

图6 拔板系统原理图

6.2 起拔系统受力分析

根据图6，该系统受力特点可简化成两端自由的简支梁受力体系，其力学分析见图7。

若接头保护板下设深度同样按照28m计算，根据接头保护板连接设计计算，起拔阻力为1015.2kN。即图7中P=1015.2kN；A、B支座反力（剪力）则为P/2=507.6kN；根据施工布置确定，轨道销梁长度L为1.7m，跨中弯矩M=PL/4=431.46kN·m。因此，拔板系统可选用单根承载力大于507.6kN的拔板机；轨道销梁可选用能承受跨中弯矩值为431.46kN·m和支座反力为507.6kN的轨道钢。

图7 拔板系统受力分析简图

7 结语

在本工程中，根据上述自行研究设计的接头板系统，共完成拔板600m，避免了二次造孔，加快了施工进度，运用过程中未发生混凝土绕流至钢板接头凹槽内的现象，施工操作安全、快捷，降低了人工劳动强度。通过实践应用，得出以下结论：

（1）接头保护板设计理论在工程中应用是可行的：接头保护板起拔阻力理论值略大于实际值，但值偏差不大。表明该研究理论是能为接头保护板施工提供理论依据的。

（2）接头保护板结构及起拔系统在使用时安全可靠，未出现任何异常。表明该系统设计是成功的。

（3）接头保护板技术的出现，为地下连续墙接头处理增添了一种新颖的施工方法，具有较好的参考价值。