超長不設(shè)縫水池結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

張廣杰

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北武漢 430071）

引言

隨著城鎮(zhèn)污水處理廠的規(guī)模擴(kuò)大，污水處理水池呈現(xiàn)超長的發(fā)展趨勢，部分水池長度接近甚至超過100 m。《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50069-2002[1]規(guī)定在土基條件下地下或有保溫措施的矩形現(xiàn)澆鋼筋混凝土水池伸縮縫最大間距為30 m。對于超長水池，傳統(tǒng)設(shè)計方法是通過設(shè)置伸縮縫解決各種裂縫問題，但設(shè)置伸縮縫在實(shí)際使用中容易造成水池結(jié)構(gòu)整體性差、伸縮縫滲漏后修復(fù)困難等問題。為達(dá)到超長水池的整體不設(shè)縫設(shè)計要求，應(yīng)對超長水池的溫度應(yīng)力及裂縫防治進(jìn)行研究。

1 水池結(jié)構(gòu)裂縫防治方法

水池混凝土裂縫產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)原因是混凝土受到的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度，拉應(yīng)力主要來自于外荷載、地基不均勻變形、混凝土干縮以及溫濕差作用等。控制混凝土裂縫的有效途徑是降低或消除混凝土的拉應(yīng)力。水池的混凝土裂縫主要由溫差作用導(dǎo)致，所以控制溫差作用是超長水池裂縫防治的關(guān)鍵。

超長水池結(jié)構(gòu)設(shè)計中要根據(jù)混凝土裂縫成因，采取相應(yīng)的技術(shù)控制措施。如外荷載引起的結(jié)構(gòu)性裂縫可通過抗裂度計算和設(shè)置抗裂鋼筋控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。為避免地基不均勻變形引起水池開裂，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)情況和水池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取合理的基礎(chǔ)形式或地基處理方法。通過設(shè)置后澆帶或膨脹加強(qiáng)帶、采用補(bǔ)充收縮混凝土可有效降低或抵消水化熱溫差和收縮當(dāng)量溫差引起的混凝土的拉應(yīng)力。在季節(jié)性溫差作用水池采用有限元整體溫度應(yīng)力分析方法，將溫度作用下的內(nèi)力考慮長期作用折減后與恒載、活載、水土壓力等組合后進(jìn)行水池抗裂計算，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行池體配筋設(shè)計。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某污水處理站生化池為半地上鋼筋混凝土水池，平面尺寸為93 m×49 m，高6.6 m，地下埋深3.8 m，地面以上2.9 m，抗?jié)B等級P6。根據(jù)項目業(yè)主要求，從安全、經(jīng)濟(jì)、便于運(yùn)營維護(hù)等多方面考慮，該生化池擬采用不設(shè)伸縮縫的結(jié)構(gòu)方案。本文通過采取樁網(wǎng)復(fù)合地基、在水池底板與地基土間設(shè)置滑動層、設(shè)置后澆層及對水池進(jìn)行有限元溫度作用分析等措施實(shí)現(xiàn)了超長水池不設(shè)縫結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.2 樁網(wǎng)復(fù)合地基處理

擬建工程場區(qū)從上而下土層分布依次為雜填土、素填土（粉質(zhì)黏土）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和強(qiáng)（中）風(fēng)化砂巖。生化池占地面積大，而地基土層分布不均勻，底板一半位于松散的雜填土區(qū)域、一半位于細(xì)砂回填區(qū)域，如不對地基加以處理，將難以控制地基的不均勻變形。地基變形發(fā)展是一個長期過程，會引起水池在使用期間因底板受力不均衡而開裂。由于樁對底板的水平約束作用較大，水池不宜采用樁筏基礎(chǔ)，宜采取地基加固處理的方法，使處理后地基土的承載力及工后沉降能夠滿足上部結(jié)構(gòu)的要求。

經(jīng)綜合比較，生化池擬采用樁網(wǎng)復(fù)合地基的方法進(jìn)行地基處理，見圖1。樁網(wǎng)復(fù)合地基是由剛性樁、樁帽、樁間土、加筋體和墊層共同形成的一種復(fù)合地基。當(dāng)處理欠固結(jié)土?xí)r，確定土拱高度是樁網(wǎng)地基填土高度計算的前提和計算加筋體的依據(jù)，樁網(wǎng)復(fù)合地基的土拱模型見圖2。樁網(wǎng)復(fù)合地基在土拱產(chǎn)生之后，開始樁帽及土拱以上部分填土荷載和上部水池荷載均通過土拱作用和加筋墊層傳遞至樁帽，由樁和樁間土共同承擔(dān)。由于剛性樁與樁間土模量相差較大，這種差異沉降會使樁間土與加筋材料脫開，形成“膜下空穴”，這樣上部荷載通過加筋體的提拉作用會全部傳遞至樁帽，由樁承擔(dān)全部荷載。此時地基沉降包含樁基沉降與樁帽上填土的沉降，樁帽上填土沉降可通過壓實(shí)度控制，從而可有效控制水池的沉降量。

圖1 樁網(wǎng)復(fù)合地基構(gòu)造

圖2 樁網(wǎng)復(fù)合地基土拱模型

綜上所述，由于樁、樁帽和加筋體共同作用，提高了復(fù)合地基的承載力和壓縮模量，能有效防止地基土層的不均勻變形，控制水池的工后沉降，避免水池因地基不均勻變形而開裂。

2.3 混凝土材料

水池施工階段的混凝土拉應(yīng)力主要由水化熱和干縮等效溫差產(chǎn)生，在混凝土中添加一定數(shù)量的膨脹劑，使混凝土產(chǎn)生膨脹自壓應(yīng)力，可抵消或減小水化熱和干縮等效溫差拉應(yīng)力，避免施工階段混凝土的干縮裂縫。補(bǔ)償混凝土的限制膨脹率通過計算混凝土收縮率確定?；炷劣嬎泯g期的收縮率按公式（1）計算[2]，取b=0.01，按一年的收縮量考慮時，εy（365）=0.0214 %。因此，該生化池選擇補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率不小于0.025 %，可控制混凝土在硬化過程中不出現(xiàn)干縮裂縫。

式中：

εy－標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土的極限收縮值，一般為3.24×10-4；

t－混凝土齡期(d)；

Mi－修正系數(shù)。

2.4 后澆帶設(shè)置

后澆帶是為適應(yīng)環(huán)境溫度變化、混凝土收縮、結(jié)構(gòu)不均勻沉降等因素在現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中留設(shè)的一定寬度的混凝土帶，經(jīng)過一定時間后再澆筑混凝土形成整體的無縫結(jié)構(gòu)。生化池橫向設(shè)置1道后澆帶，縱向設(shè)置2 道后澆帶，將整個水池劃分為6 個分區(qū)，見圖 3，通過后澆帶的劃分，將施工過程中的收縮應(yīng)力主動釋放掉。后澆帶只能解決施工階段水化熱溫差和收縮當(dāng)量溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力，不能解決使用階段因季節(jié)性溫差所產(chǎn)生的溫度拉應(yīng)力[3]。生化池后澆帶構(gòu)造見圖4。

圖3 后澆帶平面布置

圖4 后澆帶構(gòu)造

2.5 滑動層及地基水平阻力系數(shù)

生化池基礎(chǔ)底板坐落于樁網(wǎng)復(fù)合地基上，為降低復(fù)合地基對底板的水平約束，減小季節(jié)性溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力，在地基土和底板間設(shè)置滑動層，見圖5。水池底板滑動層的常規(guī)做法如圖6 所示[4]。由于在塑料膜上澆筑素混凝土墊層過程中容易將局部的干細(xì)砂擾動或擠走，造成滑動層局部干細(xì)砂層缺失，影響滑動層減小地基土對底板水平約束的效果。本文構(gòu)建了一種施工方便、安全可靠的滑動層構(gòu)造，在常規(guī)滑動層的基礎(chǔ)上采用預(yù)制鋼筋混凝土板代替現(xiàn)澆素混凝土墊層，并取消塑料膜，可較好地解決上述常規(guī)滑動層施工方面的缺陷。

圖5 改進(jìn)滑動層

圖6 常規(guī)滑動層

地基水平阻力系數(shù)Cx 是指單位面積地基土引起單位水平位移所需施加的力，是計算水池結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的關(guān)鍵因素。Cx 取值主要與土的類別、基礎(chǔ)埋深、基底形狀及基礎(chǔ)剛度等因素有關(guān)[2]。生化池采用樁網(wǎng)復(fù)合地基，并設(shè)置改進(jìn)后的滑動層，通過現(xiàn)場推力試驗可確定地基水平阻力系數(shù)取值，試驗結(jié)果表明，設(shè)置滑動層后的地基水平阻力系數(shù)平均值約為Cx=0.007 N/mm3，與文獻(xiàn)4 的常規(guī)滑動層的Cx=0.006 N/mm3較為接近。

2.6 水池溫度應(yīng)力有限元分析

水池溫度作用分析的綜合溫差主要考慮季節(jié)性溫差、水化熱溫差及混凝土收縮引起的當(dāng)量溫差。水池采用補(bǔ)償收縮混凝土并設(shè)置后澆帶后不再考慮水化熱溫差?；炷粮煽s主要受水泥品種和細(xì)度、骨料情況、水灰比、養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境相對濕度、混凝土齡期及構(gòu)件配筋率等因素影響，并且在鋼筋混凝土中混凝土與鋼筋的收縮不同步。采用膨脹劑可以在混凝土澆筑的早期使混凝土產(chǎn)生膨脹，抵消干縮效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)混凝土澆筑成型時不出現(xiàn)干縮裂縫[3]，所以也可不再考慮使用期間的混凝土收縮當(dāng)量溫差。季節(jié)性溫差可取后澆帶閉合時的溫度與水池使用期間最低溫度的差值[5]，生化池取后澆帶閉合時溫度為27℃，使用期間最低水溫取4℃，則綜合溫差同季節(jié)性溫差可取23℃。

采用有限元軟件SAP2000 進(jìn)行生化池溫度應(yīng)力分析，可得到混凝土拉應(yīng)力分布圖，以評價混凝土是否開裂。生化池在溫度作用下底板的溫度應(yīng)力如圖7 所示，呈現(xiàn)沿長向中間大兩側(cè)小的分布，最大拉應(yīng)力為1.89 N/mm2，小于C30 混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 N/mm2，所以生化池在長期使用階段不會產(chǎn)生溫度裂縫。

圖7 水池底板溫度應(yīng)力分布

2.7 保溫層設(shè)置

生化池主體結(jié)構(gòu)施工完成后，在水池四周池壁外側(cè)設(shè)置由100 mm 厚聚苯板及磚墻組成的保溫層，并在池頂滿鋪0.6 m 厚覆土，既作池頂?shù)谋貙?，同時兼做綠化帶地基，保溫層構(gòu)造見圖8。當(dāng)水池不設(shè)置保溫層時，水池地上部分溫差接近于大氣溫差，設(shè)置保溫層后，池壁地上部分溫差可較大幅度降低，前述生化池有限元溫度應(yīng)力分析時未考慮該溫差降低的有利因素，把設(shè)置保溫層作為水池結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全儲備。

圖8 外池壁保溫構(gòu)造

2.8 施工注意事項

水池在混凝土澆筑后應(yīng)采取有效養(yǎng)護(hù)措施，防止混凝土因失水過快出現(xiàn)干縮裂縫。高溫季節(jié)施工要避免遇氣溫驟降時導(dǎo)致池體內(nèi)外部溫差過大，或當(dāng)水池在夏季進(jìn)行試水試驗時，應(yīng)避免池體在白天暴曬之后立即注入溫度相對池體較低的清水，導(dǎo)致池體內(nèi)外溫差在短時間內(nèi)急劇加大而產(chǎn)生大量裂縫，應(yīng)選擇在夜間池體溫度下降后再注水進(jìn)行試水試驗。

3 結(jié)語

生化池建成后已使用近2 年，水池表面無明顯裂縫，也無滲漏現(xiàn)象。通過對超長不設(shè)縫水池的裂縫防治、溫度應(yīng)力研究及實(shí)際應(yīng)用效果可得出以下結(jié)論：

1）采取樁網(wǎng)復(fù)合地基可有效解決欠固結(jié)土地基的不均勻沉降變形造成的水池開裂問題。

2）超長水池采用補(bǔ)償收縮混凝土并設(shè)置后澆帶能抵消或減小施工階段水化熱溫差和收縮當(dāng)量溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

3）在超長水池底板下設(shè)置滑動層可減小地基水平阻力系數(shù)，降低水池在季節(jié)性溫差作用下的溫度應(yīng)力。

4）通過對水池進(jìn)行溫度作用下的有限元分析，可防止水池在長期使用階段出現(xiàn)溫度裂縫，實(shí)現(xiàn)超長水池的不設(shè)縫結(jié)構(gòu)設(shè)計。