趙明時(shí)

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

隨著“海上絲綢之路”這一世界政治經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略構(gòu)想的的展開(kāi)，沿海經(jīng)濟(jì)步入了嶄新的時(shí)代，特別是全球海洋貿(mào)易總量的持續(xù)增長(zhǎng)再次激發(fā)了港口的投資活力，港口建設(shè)也隨著沿海經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型升級(jí)而進(jìn)入了新的發(fā)展階段[1-2]。碼頭建設(shè)作為港口建設(shè)的龍頭產(chǎn)業(yè)，也隨之走向了更加經(jīng)濟(jì)、綠色、高效的時(shí)代[3]。板樁碼頭作為新興的碼頭結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的高樁和沉箱相比，具有投資省、建設(shè)速度快、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)勢(shì)，近些年板樁碼頭在粉砂質(zhì)海岸得以迅猛發(fā)展，其技術(shù)研究和實(shí)施成果也在國(guó)內(nèi)外港口建設(shè)中得以認(rèn)可和應(yīng)用[4]。

地連墻作為板樁碼頭的核心結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)板樁結(jié)構(gòu)的安全性，具有不可替代的作用。雖然板樁碼頭的建設(shè)機(jī)理和工藝日臻完善[5-6]，但是從眾多已建板樁碼頭海側(cè)開(kāi)挖后前墻水下探摸效果來(lái)看，露筋問(wèn)題一直無(wú)法得到合理的解釋和有效的解決，成為地連墻施工的通病。而地連墻露筋恰恰是板樁碼頭的重大風(fēng)險(xiǎn)源，因此，如何在施工中保證地連墻墻體厚度，避免露筋事故的發(fā)生是目前板樁碼頭通病治理的重中之重[7]，這也直接影響到板樁碼頭在港口建設(shè)市場(chǎng)中的生命力。

1 背景

1.1 露筋的危害

板樁碼頭前墻露筋會(huì)使鋼筋直接暴露于海水之中，鋼筋中的鐵離子與周圍的氧氣和海水分發(fā)生銹蝕反應(yīng)。如圖1 所示，其銹蝕物體積比原來(lái)增長(zhǎng)約2～4 倍，從而對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，加劇了鋼筋保護(hù)層混凝土的進(jìn)一步開(kāi)裂、剝離，同時(shí)鋼筋在銹蝕過(guò)程中截面不斷減小，且鋼筋與混凝土的握裹力不斷削弱。最終，前墻露筋位置會(huì)形成腐蝕通道，造成地連墻承載力的下降。

圖1 鋼筋銹蝕

地連墻作為板樁碼頭的主體結(jié)構(gòu)，特別是前墻在開(kāi)挖后墻體直接接觸海水，若存在地連墻墻體厚度不足、露筋甚至是漏砂，則直接影響碼頭結(jié)構(gòu)的安全性，且水下修補(bǔ)難度大、費(fèi)用高，因此必須對(duì)板樁碼頭的地連墻露筋事故予以深入的研究。

1.2 技術(shù)背景

有關(guān)地連墻工作機(jī)理及施工方面的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)積累了相當(dāng)多的數(shù)理模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)?？蛇@些研究大多數(shù)局限于地連墻的變性分析和槽壁的穩(wěn)定分析等方面，特別是水下灌注混凝土施工中，研究主要集中于水下混凝土材料和配合比的選用，或者水下灌注混凝土過(guò)程中事故的處理和開(kāi)挖后地連墻的修補(bǔ)技術(shù)。雖然少量文獻(xiàn)考慮了水下混凝土“膜效應(yīng)”的活性和張力，對(duì)露筋原因并沒(méi)有給出理論上的解釋和定義，更沒(méi)有討論流動(dòng)狀態(tài)下混凝土對(duì)地連墻施工質(zhì)量的影響。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，大多數(shù)地連墻露筋事故是在水下灌注混凝土施工過(guò)程中產(chǎn)生的，而已有大量水下灌注混凝土的研究并不能從根本上解釋露筋原因，必須尋求地連墻水下灌注混凝土研究的新方向，在流動(dòng)狀態(tài)下分析水下灌注混凝土的施工過(guò)程，能夠更真實(shí)的還原混凝土的工作環(huán)境，露筋原因分析結(jié)果更加客觀[8-9]。

2 混凝土的流動(dòng)

2.1 物理性質(zhì)

與常見(jiàn)的流體（例如空氣和水等）相比，工程技術(shù)人員常常將混凝土作為固體來(lái)考慮，即使研究混凝土的流動(dòng)也是考察其塌落度，以易于混凝土的灌注?？墒牵芯克鹿嘧⒒炷恋墓ぷ鳈C(jī)理，必須將混凝土視為流體進(jìn)行分析，下面對(duì)流動(dòng)狀態(tài)下混凝土的物理性質(zhì)進(jìn)行如下假定。

1）連續(xù)性：混凝土是連續(xù)分布的物質(zhì)，它可以無(wú)限分割為具有均布質(zhì)量的微元體；在水下灌注混凝土過(guò)程中不發(fā)生離析及其它化學(xué)反應(yīng)。

2）易流性：這是混凝土作為流體考慮最基本的假設(shè)，即混凝土靜止時(shí)不能承受剪切力。

3）不可壓縮性：水下混凝土的灌注近似認(rèn)為不可壓縮的流動(dòng)。

4）粘性：混凝土流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部微元體之間具有抵抗相互滑動(dòng)的屬性。是否考慮混凝土的粘性，主要看粘性是否在流動(dòng)過(guò)程中起主導(dǎo)作用。

2.2 混凝土的湍流

1）湍流的形成

實(shí)際流體的流動(dòng)大多以湍流為主，水下灌注混凝土的湍流中混凝土微元體的運(yùn)動(dòng)軌跡雜亂無(wú)章，變化較大，內(nèi)部隨即產(chǎn)生不同尺度的旋渦（速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)也隨機(jī)產(chǎn)生），由于內(nèi)部流動(dòng)及壓力的變化，產(chǎn)生旋渦。旋渦產(chǎn)生后，渦體旋轉(zhuǎn)方向和混凝土流速方向一致的一側(cè)流速變大，反則變小。根據(jù)伯努利方程，流速大的一側(cè)壓強(qiáng)變小，流速小的一側(cè)壓強(qiáng)大，在渦體兩側(cè)壓強(qiáng)差的作用下，渦體具有向壓強(qiáng)小一側(cè)橫向移動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)橫向移動(dòng)的慣性力超過(guò)粘性阻力時(shí)，產(chǎn)生旋渦混摻，這也干擾了相鄰流層的流動(dòng)，進(jìn)一步產(chǎn)生新的旋渦[10]。

2）壁面粗糙度

在地連墻成槽后，槽壁壁面是由凹凸不平的，槽壁壁面平均凸起高度h 定義為壁面粗糙度。根據(jù)湍流統(tǒng)計(jì)理論，湍流從大尺度旋渦中獲得能量而在小尺度旋渦中耗散。作為“旋渦制造廠”的近壁端，粗糙的槽壁將大旋渦分解為小旋渦，小旋渦尺度小，阻止小旋渦運(yùn)動(dòng)的粘性作用大，即槽壁邊的混凝土在上升過(guò)程中耗能較大。也就是說(shuō)，水下灌注混凝土施工中，槽壁邊的混凝土相對(duì)于中心混凝土易流性差。

2.3 層流底層

1）層流底層的概念

從地連墻開(kāi)挖后墻面可以看出，無(wú)論在成槽、泥漿及水下灌注混凝土等方面如何控制，墻面總有一層薄砂層。從湍流角度講，受槽壁壁面粗糙度的影響，壁面一定范圍內(nèi)主混凝土（或砂）導(dǎo)微元體運(yùn)動(dòng)的剪切力（粘性）無(wú)窮大，即混凝土（或砂）和槽壁無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，混凝土（或砂）流速為0，這一層即為層流底層。

2）層流底層的意義

在水下灌注混凝土過(guò)程中，槽壁附近混凝土上升的速度從槽壁壁面的0 增加到核心混凝土流速V。假定從槽壁到混凝土流速為V 的距離為S，在該范圍內(nèi)混凝土流速為u(x)。那么，在距離槽壁S的范圍內(nèi)，如圖5 所示，混凝土上升流量Q1 為：

根據(jù)混凝土流動(dòng)的連續(xù)性和不可壓縮性的假定，無(wú)論槽壁光滑與否，通過(guò)單位截面的流量是相等的。若考慮Q1 底部混凝土為理想均勻上升（忽略槽壁粗糙度對(duì)混凝土上升的阻礙），如圖5 所示，那么混凝土上升流量Q2 為：

式中δ 為層流底層厚度，其物理意義為：厚度為（S-δ）的理想均勻混凝土由于槽壁壁面粗糙度的影響，近壁端流速衰減。根據(jù)混凝土流動(dòng)時(shí)流量不變的性質(zhì)，混凝土流線勢(shì)必會(huì)延槽壁的法向產(chǎn)生外移，外移的厚度即為層流底層厚度δ。其現(xiàn)實(shí)意義為：由于混凝土單位截面內(nèi)流動(dòng)的連續(xù)性和不可壓縮性，層流底層厚度δ 實(shí)際上就是混凝土在上升過(guò)程中在槽壁附近損失的流量，如圖2 所示，這也與層流底層產(chǎn)生的原因相互印證。

圖2 層流底層

2.4 地連墻墻體厚度影響因素

1）層流底層

根據(jù)水下混凝土“膜效應(yīng)”的相關(guān)研究及現(xiàn)場(chǎng)地連墻開(kāi)挖情況來(lái)看，水下灌注混凝土?xí)r，混凝土頂部為沉渣（砂或泥砂混合物）。根據(jù)層流底層的分析，下層混凝土在上升過(guò)程中，會(huì)在沉渣層邊緣產(chǎn)生層流底層，即槽壁壁面附近的沉渣不會(huì)因沉渣層的上升而上升，進(jìn)而形成一層薄砂層。同樣，在混凝土內(nèi)部，由于層流底層的緣故，在沉渣層槽壁已形成的薄砂層，在混凝土上升過(guò)程中不會(huì)變化（或變化很小），最終導(dǎo)致地連墻墻面附著一層薄砂層（包括松散的混凝土）。因此，在施工中要滿足地連墻墻體厚度，必須充分考慮這一層薄砂層對(duì)墻體厚度的影響。根據(jù)地連墻開(kāi)挖結(jié)果，薄砂層（包括松散的混凝土）的厚度一般小于10 cm，即一般在鋼筋籠外側(cè)。如果薄砂層過(guò)厚，會(huì)直接導(dǎo)致地連墻主筋保護(hù)層不足，甚至露筋。

2）壁面粗糙度

一般情況下，壁面粗糙度直接影響近壁端流體和壁面的摩擦力，即壁面越粗糙，壁面摩擦力越大。目前，建筑市場(chǎng)上普遍采用的成槽設(shè)備（液壓抓斗、銑槽機(jī)等）形成的槽壁壁面粗糙度一般都小于3 cm，槽壁的凸起被覆蓋于層流底層之中，即h＜δ。然而，當(dāng)存在使用反循環(huán)成槽設(shè)備或地層含有類似礫石層等情況時(shí)，是可能出現(xiàn)槽壁粗糙度大于層流底層厚度的。從地連墻開(kāi)挖結(jié)果來(lái)看，絕大多數(shù)是槽壁槽壁粗糙度小于層流底層厚度，因此只討論h＜δ 的情況，如圖3 所示。也就是說(shuō)，一般情況下地連墻露筋和地連墻墻體厚度受槽壁壁面粗糙度的影響不大。

圖3 壁面粗糙度與層流底層

3）有效灌注速度

根據(jù)地連墻施工相關(guān)規(guī)范要求，水下灌注混凝土的上升速度不小于2 m/h。然而規(guī)范中并沒(méi)有定義2 m/h 的具體施工時(shí)間范疇[11]。如果考慮2 m/h是連續(xù)不中斷灌注，在實(shí)際施工中，絕大多數(shù)情況下槽壁的薄砂層（包括松散的混凝土）會(huì)非常厚，甚至露筋。

為了進(jìn)一步研究地連墻水下灌注混凝土的速度對(duì)地連墻墻體厚度的影響，在水下灌注混凝土施工中，將混凝土在導(dǎo)管中流動(dòng)的時(shí)間定義為水下灌注混凝土的有效灌注時(shí)間。在有效灌注時(shí)間內(nèi)，槽段內(nèi)混凝土上升的速度定義為有效灌注速度。以京唐港粉砂質(zhì)海岸中地連墻開(kāi)挖結(jié)果為例，考察有效灌注速度對(duì)層流底層的影響，如圖4 所示。

圖4 薄砂層厚度隨有效灌注速度的變化

試驗(yàn)表明，當(dāng)有效灌注速度從0.4 m/min 提高到2 m/min 時(shí)，薄砂層（包括松散的混凝土）厚度由初始的10 cm 減少到2 cm，這說(shuō)明層流底層的變化趨勢(shì)為隨著有效灌注速度的提高而減小。因此，在地連墻施工中，加快混凝土有效灌注速度，縮短混凝土有效灌注時(shí)間，是從根本上解決地連墻露筋的有效途徑之一。

但是工程技術(shù)人員，特別是現(xiàn)場(chǎng)操作者，往往容易混淆有效灌注時(shí)間和實(shí)際灌注時(shí)間（從開(kāi)始到結(jié)束的總時(shí)間）的概念。水下灌注混凝土?xí)r，實(shí)際灌注時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于拆卸導(dǎo)管的時(shí)間（約占70 %～80 %），因此大多數(shù)操作者常常以減少拆卸導(dǎo)管次數(shù)的方法來(lái)縮短混凝土實(shí)際灌注時(shí)間，同時(shí)這樣也可以減少操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。但是拆卸導(dǎo)管次數(shù)越少，平均埋管深度越大，而埋管深度越大混凝土有效灌注時(shí)間越長(zhǎng)，有效灌注速度越慢，可以說(shuō)埋管過(guò)深是地連墻大面積露筋的主要原因之一。

總之，在水下灌注混凝土施工中，由于層流底層的存在，地連墻成槽設(shè)備的寬度一般要大于地連墻墻體厚度。同時(shí)，減少埋管深度能夠提高混凝土有效灌注速度，進(jìn)而確保地連墻墻體厚度。

3 結(jié)語(yǔ)

1）地連墻墻面的薄砂層（包括松散的混凝土）的厚度主要受層流底層的影響，而與地連墻成槽時(shí)槽壁壁面粗糙度關(guān)系不大。

2）一般情況下，水下灌注混凝土的有效灌注時(shí)間越短，實(shí)際灌注時(shí)間越長(zhǎng)（即拆卸導(dǎo)管次數(shù)越多）；有效灌注時(shí)間越短，薄砂層（包括松散的混凝土）的厚度越小。

3）在水下灌注混凝土施工過(guò)程中，工程技術(shù)人員必須充分考慮混凝土流動(dòng)對(duì)地連墻墻體厚度的影響，合理選擇施工設(shè)備尺寸，在以減少埋管深度的方法來(lái)降低露筋風(fēng)險(xiǎn)、確保地連墻厚度的同時(shí)，尋找提高混凝土有效灌注速度的新途徑。