地下连续墙接头管提拔时间的实验研究

摘要： 本文基于相关混凝土试验，在混凝土初凝前，作出混凝土的摩擦力与粘结力与随时间变化的关系，从而得到接头管提拔阻力的计算公式，并与实际工程比较，得到了较好的验证。

Abstract： Based on the related concrete test， before the initial setting of the concrete，the changing relation between friction force and adhesive force of concrete with time was made in this paper， in order to get the calculation formula of pipe joint promotion resistance， and it was better verified compared with the actual engineering.

关键词： 地下连续墙；接头管；提拔阻力

Key words： underground continuous wall；joint pipe；promote resistance

中图分类号：TU476+.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）12-0096-03

0 引言

随着我国经济的快速发展，城市建设、矿山开发、水利兴修、交通建设等得到大力发展，地下连续墙以其墙体刚度大、防渗性能好、适用地层广泛、易于保证质量等特点广泛应用于城市建设的基坑支护、水利工程、交通工程、矿山工程、铁路工程等，地下连续墙可以做为挡土止水和做为结构承重被普遍采用。现代地下连续墙技术的飞快发展得益于两个重要条件：一是挖槽的工艺与机具的不断更新，二是墙段接头技术的发展。墙体接头技术直接制约和影响墙体的质量。对地下连续墙而言，无论防渗、承重，接头技术都至关重要。地下连续墙接头技术有很多种，接头管法就是其中之一。接头管就是在挖好的槽段两端放下直径等于或略小于槽段厚度的钢管，然后在槽段中下放钢筋笼，浇筑混凝土，待混凝土初凝之后，将接头管拔出，形成圆弧形端口，这样可与相邻槽段混凝土嵌接起来，如图1所示。在以往的工程实践中，接头管的提拔时间是凭经验加以估算的，缺乏科学依据。往往会出现以下现象：①接头管提拔过早，接头管提拔过早会影响混凝土连续墙的质量。②接头管提拔过迟：合理掌握接头管起拔时间对施工及工程质量有很大影响。

1 混凝土初凝前的有关物理力学性质的实验分析

1.1 混凝土初凝前的内摩擦角？准t的测定 为了得到混凝土初凝前不同时刻的内摩擦角？准t，采用了如图2所示的剪切实验装置。实验采用C20混凝土，坍落度为18cm，水泥为400号普通硅酸盐水泥。实验测得如图3所示的混凝土剪切破坏基线。破坏基线与横轴的夹角？准t就是混凝土的内摩擦角？准t。从图3中可以得出：初凝前的混凝土内摩擦角t是随时间而变化的。依据图3，还可以作出内摩擦角？准t与时间t的关系，如图4所示，即初凝前混凝土的内摩擦角？准t与时间t成正比。从图3中还可以得到混凝土的抗剪强度τ0（即σ=0时的剪应力τ值）也随时间t而变化。同样可作出剪切强度τ0与时间t的关系，如图5所示。

应该说明，初凝前混凝土的内摩擦角？准t很难从试验中直接测定出来，故此采用剪切装置测定的初凝前混凝土内摩擦角是间接和近似的。

1.2 混凝土初凝前的粘结力测定 从尚未凝固的混固的混凝土提升接头管时，接头管除受到混凝土摩擦阻力外，同时还有混凝土的粘结力作用。粘结力是因混凝土拌合料中水泥颗粒的水化作用而产生的混凝土与管壁之间的胶结力。其测定装置示意图如图6所示。显然，粘结力的大小也是随时间而变化的，通过图6实验装置，测得了粘结力Rt随时间而变的规律。如图7所示。从实验中可以归纳出图示曲线；曲线显示在混凝土初凝前粘结力都很小，但是随着时间的推移尤其是超过水泥的初凝时间以后凝结力会急剧增加。因此在混凝土初凝之前提拔接头管的阻力主要是由混凝土的侧压力产生的摩擦力，而粘结力的影响非常小。

1.3 初凝前混凝土与接头管的摩擦系数测定 为了确定提升接头管的阻力，则必须测出初凝前的混凝土与接头管的摩擦系数。测试装置如图8所示。经实验测试，在接近混凝土初凝前后，混凝土与接头管摩擦系数值为0.38～0.47之间。

2 提拔接头管时间与阻力的确定

浇注混凝土时，接头管埋入混凝土的深度随着混凝土顶面的逐渐上升而逐渐增加。待混凝土浇筑深度达到一定深度时，就要提拔接头管。提拔过早，混凝土会窜入接头管处；提拔过晚，提拔过晚则会导致提拔阻力过大而接头管提拔不出来。提拔阻力主要是由未凝固的混凝土与接头管之间的摩擦力、粘结力以及管子的自重组成。通过前面的试验我们知道初凝前混凝土与管子之间的粘结力非常小，可以忽略，因此由摩擦力和自重两部分组成了提升阻力。初凝后，粘结力不能忽略不计，而且会成为提拔阻力的主要部分，甚至成为握裹力，直接握裹住接头管，使接头管提拔不出去。

初凝前的混凝土处于塑性粘稠状态，可视为有粘性的松散体，这时可应用莫尔应力圆求其侧压力。如图9所示，图中斜线为某一时间的剪切破坏基线，根据莫尔强度理论，剪切破坏基线就是莫尔临界包络线。现研究深度为h处的混凝土，其竖向应力为σ1=γch・h（γch为混凝土在泥浆中的浮容重）。图中OC=σ1，OB=σ3，那么σ3就是深度为h处的混凝土的水平压力，即侧压力P=σ3。由图9可知，应力圆半径为R=（γch・h-P）/2，又由tan？准t=τ0/AO，得AO=τ0/tan？准t

sin？准t=R/（AO+σ3+R）

■（γch・h-σ3）/[τ0/tan？准t+σ3+■（γch・h-σ3）]

整理得到σ3=γch・h[（1-sin？准t）/（1+sin？准t）-2τ0cos？准t/（1+sin？准t）]

式中：（1-sin？准t）/（1+sin？准t）=tan（45°-？准t/2）

cos？准t/（1+sin？准t）=tan（45°-？准t/2）

所以：σ3=P=γch・h・tan（45°-？准t/2）-2τ0tan（45°-？准t/2）（1）

（1）式中tan（45°-？准t/2）是无粘性松散体的侧压系数。故混凝土初凝前的侧压力较无粘性松散体的侧压力为小。初凝前混凝土的内摩擦角？准t随时间变化。因此混凝土的侧压力也随时间而变化。从图4和图5中，可总结内摩擦角、混凝土抗剪强度与时间关系如下：

？准t=9t+8（2）

τ0=0.03t+0.24（3）

式中：？准t―混凝土初凝前某时刻的内摩擦角，（度）；τ0―初凝前混凝土的抗剪强度，（kg/m2）；t―时间，（小时）。

若混凝土面上升速度为v，则距混凝土面h深度处的混凝土经历了t时间，即t=h/v（4）

将（2）（3）（4）、带入（1）式中，得到P=γch・h・tan（45°-■（■+8））-2（■+0.24）tan（45°-■（■+8））（5）

式中：γch―混凝土在泥浆中的容重，（kg/m3）；v―混凝土上升速度，（m/h）；h―计算点距混凝土面的深度，（m）。

根据公式（5）得出了混凝土面在不同上升速度时的侧压力曲线，如图10所示。对于地下连续墙工程，由于混凝土的使用量非常大，因此不可能在混凝土初凝前完成整个工程的浇灌，因此如果混凝土面上升速度过大，不仅仅给施工造成很大的困难，而且还会将导管埋入过深而导致堵管事故，并且如果接头管埋入过深还会增加接头管的提升阻力。但是如果混凝土面上升速度过小，导管插入深度也小，不易控制每次提升速度，因此，本文建议混凝土面上升速度以4m～5m为宜。

在图10中可看出，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。由于接头管紧靠端部的槽壁，因而受到混凝土侧压力的时候不会产生侧向位移，这种侧压力称为静止侧压力。混凝土对接头管的侧压力计算简图如图11所示。最大侧压力Pmax位于混凝土面一下hg深度的地方，hg以下的侧压力假定为常数，为计算简便计，hg以上的侧压力符合二次抛物线的变化规律，即

当h

P=Pmax=[2h/hg-（h/hg）2]（6）

当h？叟hg时，P=Pmax（7）

其中：Pmax=γchtan（45°-■（■+8））-2（■+0.24）tan（45°-■（■+8））式中：Pmax―最大侧压力，（KN/m2）；hg―最大侧压力点距混凝土表面深度，（m）；h―计算点距混凝土表面的深度，（m）。

最大侧压力Pmax和最大侧压力点深度hg都与混凝土的流动性及混凝土面上升速度有关。由图10可以查出最大侧压力及相应的hg。

综合上述分析，提升接头管的总阻力，即总提拔力E为摩擦力S和管重Q之和。由图11可得

E=S+Q=■μπDPmax[2h/hg-（h/hg）2]dh+μπDPmax（H-hg）+Q（8）

将（8）式积分后，简化得到

E=μπDPmax（H-■hg）+Q（9）

式中μ―摩擦系数；D―接头管外径，（m）；H―接头管插入混凝土的深度，（m）；Q―接头管在泥浆中的重量，（KN）。

若提拔时间拖后在初凝后一小时，则粘结力不能忽略，此时提拔阻力应为：

E=μπDPmax（H-■hg）+Q+■πDvH（10）

式中v―粘结力系数。

从公式（10）中可以看出，随着时间的推移，公式前两项变化不大，而粘结力谁时间的变化极大，当初凝后一小时后在提拔接头管时，粘结力这项将是前两项的3倍。所以提拔接头管的时间定在混凝土初凝时刻最为恰当。

下面从一个算例中可以看出粘结力的影响。

3 算例

河北省邱庄水库大坝防渗工程，采用地下连续墙作为坝体的防渗墙，墙身达60米，墙厚设计为0.6米。采用C25混凝土，其容重为24KN/m3，泥浆容重为13KN/m3、接头管直径为0.58米，接头管长为16米，接头管壁厚为0.8cm。混凝土的初凝时间经测定为T=3小时，浇注混凝土时，混凝土面上升速度接近4m/小时，接头管在混凝土中埋入深度为14米。混凝土与接头管的摩擦系数为0.4。接头管在泥浆中的自重为Q=Dπ・t・L・（γs-γm）

=0.58×3.14×0.008×16×（78-13）=15.15KN

由图10，可查得Pmax=38KN/m2，hg=10.8m，考虑到混凝土不能完全把接头管包裹住，所以提升接头管的摩擦阻力应适降低，取其为70%。则摩擦阻力为

S=0.7μπDPmax（H-■hg）

=0.7×0.4×3.14×0.58×38×（14-■×10.8）

=201.53

总提升阻力为E=S+Q=201.53+15.15=216.68KN

当提拔时间拖后一小时后，其粘结力系数取为50KN/平方米

E=μπDPmax（H-■hg）+Q+■πDvH

E=216.68+■πDvH=216.68KN+637.42KN

=854.1KN

根据现场实测，当在初凝时刻提拔接头管时的总提升阻力为20.3吨，折合为203KN。计算所得为216.68KN，理论计算与实测相接近，当提拔接头管时间拖后一小时后，提拔总阻力将增加4倍多。这说明上述理论分析及计算是正确的，本理论及公式可以指导工程实践，为工程建设服务。

参考文献：

[1]陆震铨等.地下连续墙的理论与实践.北京：中国铁道出版社，1987，158～163.

[2]余力等.特殊凿井.北京：煤炭工业出版社，1980，78～79.

[3]章学军等.接头管接头工艺在地下连续墙施工中应注意的若干问题[J].岩土工程界，2005，V8（1），42～43.