基于耦合場的秦淮河航道混凝土擋墻開裂風險研究

夏微 曹洋 江蘇中泰建發集團有限公司

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，河道兩邊需要構筑護岸。護岸的型式多樣，比較新型的預制連鎖塊和三維土工網墊型式、透水空箱和自嵌塊型式、格賓石籠型式、生態混凝土護岸型式、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。由于混凝土護岸結構存在溫度場、水化場、應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、應力場耦合對護岸結構質量影響的分析研究。

1.擋墻開裂風險評估理論與實證方法

本單位項目部主要承擔秦淮河航道整治工程航道施工 QHH-HD6護岸標段，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，該標段工程監理單位要求返工。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境與航道正常交付使用不同之處在于：擋墻一側有回填土方，但是另一側沒有水壓力載荷，兩側壓力在施工期間勢必失去平衡，形成應力場影響。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，則會產生溫度場的顯著影響作用，也會出現開裂問題，如本標段有一施工隊在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，最終導致混凝土擋墻開裂。然而，有時也會出現溫度場、水化場、應力場等的兩場或兩場以上的耦合作用。此外，按照標段護岸擋墻混凝土C25等級的自收縮變形，應作為結構場考慮。耦合作用導致混凝土開裂，分析方法很多采用基于混凝土結構模型的有限元分析法。將多場耦合問題進行理論推導、數值計算及現場試驗研究，應進一步深入研究混凝土多場耦合相互作用關系、理論模型、方程建立與求解、試驗論證分析及現場驗證。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險分析，以期在護岸工程建設中，對可能出現的擋墻混凝土開裂病害，進行有效預防，從而使得護岸建設質量符合設計方的要求。

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、應力場和構筑物結構場等單場或多場耦合作用，所以定義擋墻開裂風險計算方法如公式（1）所示。

式中，表示開裂風險系數；σ1(t)、σ2(t)、σ3(t)和σ4(t)分別表示溫度場、水化場、應力場和構筑物結構場耦合作用在t時刻的擋墻最大拉應力；和τ4(t)分別表示溫度場、水化場、應力場和構筑物結構場耦合作用在t時刻的擋墻抗拉強度。

在工程施工中，結合試驗論證分析，擋墻混凝土開裂風險評判準則一般為：當μ≥1.0，則混凝土存在開裂病害，必須采取預防措施；而當0.7≤μ＜1.0時，則混凝土具有開裂趨勢，施工中必須重視關聯影響因素；再當μ＜0.7時，則混凝土將不會出現開裂病害，施工不必過多考慮開裂環節問題。

2.航道混凝土擋墻開裂有限元分析

2.1 模型設計

由于混凝土擋墻每10 m設置一道伸縮縫，用泥土分層夯實填充加固與老護岸間空隙，所以模型設計取混凝土C25護岸結構斷面長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重力型護岸不設置前趾。本文模型其它參數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 法的計算結果,驗證了PLAXIS軟件的準確性。鄧鯤鵬利用數值模擬實驗,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定性的影響,為工程建設施工提供依據。王新泉結合長湖申航道湖州段板樁加固護岸實體工程,通過現場試驗得出了板樁護岸的受力機理以及樁側土壓力分布。以上學者所做的研究表明，有限元分析可以節省大量實際試驗所需時間，節約成本，最關鍵的是數據分析結果與實際試驗接近。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，對項目部施工標段混凝土擋墻進行有限元分析。

項目部承建護岸結構有重力式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，墻后設置排水，先處理地基的模型圖如2所示，為有限元網格劃分模型，網格采用四面體結構，YC向為背水側。該側面分層厚在30cm內夯實，干容重不小于15.0KN/m3，壓實度不小于91%。

2.2 工況設計

在模型工況設計中，充分考慮航道混凝土擋墻實際施工環境、重力式B1護岸結構、混凝土等級性能、施工工藝等因素，對混凝土開裂風險的綜合影響。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，仿真工況還根據河道兩側護岸施工實際情況，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，按照設計施工圖要求施工，其構筑物型式比較單一，如圖2所示。在模型計算中所選混凝土熱力學參數為密度2400 kg/m2、線性膨脹系數1×105（1/T）、泊松比0.167、質量熱容1kJ/(kg·K)、導熱系數8.6kJ/(m·K·h)、模板對流散熱系數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，構筑物結構面采用線性Moh r-Coulomb 屈服準則，如式(2)。

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

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

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，當屈服函數F＞0 時,則表明施工的航道混凝土擋墻以及各類土層發生屈服。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，則存在下列微分關系式。

式（4）中，Dep為航道岸坡施工對象的彈塑性矩陣，但是當，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 計算結果分析

根據重力式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，隨著混凝土養護天數的變化，極寒天氣在最初的0-4天混凝土開裂風險很大，以后隨著養護天數的增加混凝土風險開裂趨勢變小。

由于江蘇省內每年氣候中極寒天氣出現少的情況，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險。因此，在混凝土施工中注意寒冷天氣預報，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，如護岸背水側用土分層夯實回填，而面水側在施工時未灌水，會造成護岸兩側壓力差過大，從而也會有開裂風險。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筑物上下體量不匹配，在壓頂砼、墻身砼結合處會造成應力集中現象，也有開裂風險趨勢。多場耦合對航道護岸混凝土開裂風險如圖4所示，該圖中的2場耦合是指溫度場與應力場、3場耦合是指溫度場、應力場、水化場、4場耦合是指溫度場、應力場、水化場和構筑物自身收縮率場。

從圖4可看出，隨著多場耦合的場數增加，航道護岸混凝土開裂風險系數有增大的趨勢，并伴隨天數的延長，混凝土開裂風險也在增長，在多場耦合作用下10d開裂風險系數比較高，本文數值模擬的曲線均呈現波峰趨勢,該結果與李崇智等人關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，采取防范開裂風險措施，減少開裂發生。

3.結論

航道護岸混凝土開裂風險控制，一般采用實驗室進行測定。使用有限元分析法，可以快速預測單個場或多場耦合作用下的混凝土開裂風險系數，在溫度場、應力場、水化場和構筑物自身收縮率場耦合作用比其他3場或2場，開裂風險走向比較高，這種結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險的影響，采取預防施工工藝，提高航道護岸工程質量。

圖3 溫度場與開裂風險的關系

圖4 多場耦合作用與風險開裂的關系