南水北調(diào)天津干線箱涵變形縫監(jiān)測(cè)分析

李永鑫

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局，300393，天津）

一、概 況

南水北調(diào)天津干線西起河北省保定市徐水縣西黑山村，東至天津市外環(huán)河，途經(jīng)河北省和天津市的11個(gè)縣（區(qū)），全長(zhǎng)155.352 km。

為適應(yīng)地基不均勻沉降和溫度變化影響，天津干線箱涵每隔15 m左右設(shè)置一道變形縫，由止水帶、填縫材料和嵌縫密封材料三部分組成，止水帶為一個(gè)連續(xù)密封的橡膠止水環(huán)，變形縫寬度為30 mm。天津干線目前整體運(yùn)行狀態(tài)良好，基本處于安全狀態(tài)下，但在部分部位出現(xiàn)滲水情況。施工縫、變形縫、混凝土裂縫是地下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏的主要原因。變形縫出現(xiàn)漏水結(jié)構(gòu)方面的成因可分為三部分：溫度變化導(dǎo)致變形縫收縮、混凝土自身的收縮、地域不均勻沉降造成的影響。溫度變化的分析通過ABAQUS進(jìn)行三維有限元仿真；自身收縮通過目前應(yīng)用較多的fibMC2010和GL2000及CEB-FIP-90三種模型進(jìn)行理論數(shù)值計(jì)算；區(qū)域的不均勻沉降則通過地基不均勻沉降的測(cè)繪值推算，取位移變化的最大值。通過對(duì)天津斷面、霸州斷面、保定斷面三個(gè)斷面的計(jì)算，分析天津干線上出現(xiàn)變形縫擴(kuò)大的成因，并為類似工程給出施工建議。

二、模型的建立

1.模型參數(shù)

采用ABAQUS建立模型，以分布荷載代替箱涵上部土體荷載。由于閉孔塑料泡沫板及橡膠止水帶對(duì)混凝土收縮沒有影響，故在模型中不設(shè)置泡沫板及止水帶。箱涵尺寸則按照實(shí)際尺寸取值，寬度15.3 m、高度5.7 m，分3孔，其細(xì)部尺寸也按照具體情況進(jìn)行模擬試算。每節(jié)箱涵收縮時(shí)由一節(jié)箱涵的兩側(cè)向中間收縮，故在模型中建立兩節(jié)7.5 m箱涵，中間有寬度0.03 m的形縫。天津斷面模型土體設(shè)置為厚25.7 m、長(zhǎng)100 m、寬15.03 m。

2.土體參數(shù)

土體模型采用摩爾-庫(kù)倫塑性模型，參數(shù)見表1。土層的滲透系數(shù)見表2。

3.混凝土參數(shù)

將箱涵定為彈塑性模型，其中塑性部分采用混凝土塑性損傷模型?；炷恋木€膨脹系數(shù)為4.76×10-6～12.1×10-6，計(jì)算取平均值8.43×10-6。

4.荷載輸入

天津干線采取全箱涵無壓接有壓全自流輸水形式，選用3孔有壓箱涵進(jìn)行模擬計(jì)算，天津段箱涵頂板內(nèi)水壓強(qiáng)為0.07 MPa，在箱涵豎直方向上施加梯形荷載，底板施加0.11 MPa的內(nèi)水壓強(qiáng)。

天津斷面模型頂部施加與地勘報(bào)告中存在厚4.3 m土體自重等大的荷載，該部分土體密度為1 800 kg/m3，經(jīng)計(jì)算，在模型頂部施加的荷載為77.4 kPa；保定斷面模型頂部施加與厚2.3 m土體自重等大的荷載，該部分土體密度為1 940 kg/m3，經(jīng)計(jì)算，在模型頂部施加的荷載為44.6kPa；霸州斷面模型頂部施加與厚5.3m土體自重等大的荷載，該部分土體由兩部分組成，4 m厚的土體密度為1 780 kg/m3，1.3 m厚的土體密度為1870kg/m3，經(jīng)計(jì)算，在模型頂部施加的荷載為95.5kPa。

表1土層參數(shù)取值

表2天津段各土層滲透系數(shù)取值

整體模型施加重力加速度10 m/s2，以便完成土體地應(yīng)力平衡計(jì)算。

5.邊界條件

整個(gè)模型是一個(gè)長(zhǎng)方體形狀，土體底面分別約束X、Y、Z三個(gè)方向上的位移，左右兩個(gè)側(cè)面約束X向位移，模型前后兩個(gè)側(cè)面約束Z方向位移。

6.接觸分析

箱涵結(jié)構(gòu)與土體之間設(shè)置接觸。在模型法向行為中設(shè)置硬（Hard）接觸，在切向行為中選擇罰函數(shù)（Penalty）選項(xiàng)，采用罰剛度算法，允許模型發(fā)生彈性滑移變形，摩擦系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)取值為0.5。

7.溫度荷載

溫度荷載在預(yù)應(yīng)力場(chǎng)中施加，溫差通過查詢天津干線典型地質(zhì)斷面地區(qū)一年四季的氣溫變化，從中組合出極端溫差即可進(jìn)行模擬試算。

由實(shí)際工程可知，箱涵的施工順序是分節(jié)澆筑、分段回填，實(shí)際回填時(shí)間長(zhǎng)短不一，為模擬較大的變形工況，擬設(shè)定箱涵澆筑完成4個(gè)月后再進(jìn)行土的回填，在此期間認(rèn)為箱涵變形縫大小沒有變化。

夏季澆筑箱涵經(jīng)過4個(gè)月時(shí)間再進(jìn)行回填，箱涵經(jīng)歷溫度降低幅度較大，春季、秋季、冬季澆筑箱涵經(jīng)過4個(gè)月時(shí)間再進(jìn)行回填，箱涵經(jīng)歷溫度升高或溫度降低幅度較小。故由于箱涵收縮導(dǎo)致變形縫的擴(kuò)大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注夏季澆筑的箱涵。

從中選擇天津一年內(nèi)溫度降低較大的7—11月的極限溫差約為50℃，平均溫差約為15℃；保定一年內(nèi)溫度降低較大的7—11月的極限溫差約為53.2℃，平均溫差約為23℃；霸州一年內(nèi)溫度降低較大的7—11月的極限溫差約為49℃，平均溫差約為25℃。施加溫度荷載到模型的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)中進(jìn)行溫度收縮的模擬。

三、裂縫開裂成因分析

1.典型斷面極限溫差分析

通過計(jì)算，得到極限溫差情況下天津、保定、霸州箱涵Z方向位移云圖。由位移云圖可以得到，天津斷面的兩節(jié)箱涵各向相反方向移動(dòng)了3.17 mm，使得箱涵變形縫共擴(kuò)大了6.34 mm；保定斷面的兩節(jié)箱涵各向相反方向移動(dòng)了3.4 mm，使得箱涵變形縫共擴(kuò)大了6.8 mm；霸州斷面的兩節(jié)箱涵各向相反方向移動(dòng)了3.1 mm，使得箱涵變形縫共擴(kuò)大了6.2 mm。通過對(duì)平均溫差下的位移云圖分析可得，極限溫差和平均溫差下的箱涵變形趨勢(shì)是相同的，天津斷面在平均溫差下為2.292 mm，保定斷面為2.98 mm，霸州斷面為3.2 mm。

選擇三條路徑如圖1所示，路徑1由箱涵頂端向下形成的一條路徑，路徑2由箱涵邊界向變形縫伸展的一條路徑，路徑3是位于箱涵變形縫處從左至右的一條路徑。

繪制溫差變化后Z方向（與變形縫垂直方向）的位移圖（見圖2），觀察三條路徑在Z方向上的位移變化。

在考慮溫度荷載的情況下，盡管各斷面的土體性質(zhì)、埋深不同，但不難發(fā)現(xiàn)，溫差越大，Z方向的位移越大。由圖2（a）可知，箱涵由上至下的位移逐漸減小，箱涵底部與土之間有摩擦力，使得箱涵底板位移較小。圖2（b）是一條斜率恒定的直線，即每個(gè)位置的收縮應(yīng)變相等，所受的摩擦力也相等。圖2（c）上，天津斷面和保定斷面有著相同的變化趨勢(shì)，位移變化有4個(gè)峰值，正好對(duì)應(yīng)箱涵的4塊豎板，4塊豎板的收縮使得與底板相連位置的位移變大。保定斷面由于箱涵上部土體覆蓋少，施加的荷載相較于其他斷面較小。在路徑1和路徑3上，保定斷面的變化趨勢(shì)不同于天津、霸州，路徑1是先增大再減小，路徑3出現(xiàn)了3個(gè)峰值。保定斷面和其他斷面在箱涵頂部土體厚度僅為2.3 m。

圖1路徑示意圖

將極限溫差產(chǎn)生的位移和平均溫差產(chǎn)生的位移相比，極限溫差導(dǎo)致位移約為平均溫差的兩倍，即箱涵于夏季澆筑，回填時(shí)箱涵經(jīng)歷大幅度溫度降低，使得變形縫擴(kuò)大加劇。

2.混凝土自身收縮對(duì)變形縫的影響

目前較多采用CEB-FIP-90收縮徐變模型來進(jìn)行混凝土的收縮計(jì)算，該理論模型研究時(shí)間較早，但在預(yù)測(cè)C60及以上的高強(qiáng)度混凝土收縮及徐變時(shí)與最新實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合并不好。選擇目前應(yīng)用較多的fibMC2010和GL2000及CEB-FIP-90三種模型進(jìn)行理論數(shù)值曲線對(duì)比分析。GL2000在收縮方面是綜合考慮所有原因的，故在本文中選擇GL2000收縮徐變模型進(jìn)行變形縫擴(kuò)大成因分析。

混凝土的收縮應(yīng)變與混凝土強(qiáng)度等級(jí)、水泥類別、環(huán)境的相對(duì)濕度、混凝土構(gòu)件的體積與面積比（V/S）等因素相關(guān)。在本節(jié)理論數(shù)值曲線對(duì)比中，相對(duì)濕度采用典型的50%，其中典型混凝土構(gòu)件體積與面積比（V/S）按300 mm假設(shè)，典型混凝土墻的配筋率按0%假設(shè)。在本文的理論對(duì)比中，統(tǒng)一采用經(jīng)驗(yàn)值10 000 d。500 d和10 000 d計(jì)算數(shù)值見表3、表4。

箱涵施工日期約為4個(gè)月即120天，125天時(shí)GL2000模型的收縮應(yīng)變約為0.6×10-4。在箱涵發(fā)生滲漏以后挖開土體觀測(cè)到箱涵變形縫擴(kuò)大的時(shí)間距離箱涵澆筑完成大約經(jīng)過5年，取為2 000天，箱涵在箱涵澆筑完成回填以后到發(fā)現(xiàn)變形縫擴(kuò)大這段時(shí)間的收縮應(yīng)變?yōu)?×10-4。

兩節(jié)7.5 m箱涵混凝土收縮量為：7.5×2×2×10-4=0.003 m=3 mm。

為預(yù)測(cè)30年后箱涵的收縮變化，取10 000 d時(shí)C30混凝土的收縮應(yīng)變4.7×10-4。從箱涵澆筑完成到10 000 d的收縮應(yīng)變?yōu)?.7×10-4-0.6×10-4=4.1×10-4。由此，兩節(jié)7.5 m箱涵混凝土收縮量為：7.5×2×4.1×10-4=0.00615 m=6.15 mm

3.區(qū)域不均勻沉降對(duì)變形縫的影響

天津干線全長(zhǎng)155 km，經(jīng)歷兩個(gè)沉降位移差較大沉降區(qū)對(duì)變形縫的影響較大，故通過計(jì)算兩個(gè)沉降點(diǎn)單位距離的位移變化，取其最大值進(jìn)行計(jì)算。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，每千米沉降最大值為35.3 mm。兩點(diǎn)間沉降為212.2 mm。計(jì)算可得：

兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間伸長(zhǎng)量為：

基本可忽略不計(jì)。

四、結(jié) 論

圖2極限溫差和平均溫差下的Z向位移

表3三種模型計(jì)算的混凝土在500 d時(shí)的收縮應(yīng)變

表4三種模型計(jì)算的混凝土在10 000 d時(shí)的收縮應(yīng)變

通過對(duì)三個(gè)典型斷面的溫變化、混凝土自身收縮、區(qū)域不均勻沉降進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出區(qū)域不均勻沉降對(duì)變形縫影響較小，其余兩種因素對(duì)變形縫影響較大。其中溫度變化的影響更多為溫度降低造成，所以冬季變形縫擴(kuò)大問題較突出。箱涵于夏季澆筑，回填時(shí)箱涵經(jīng)歷大幅度的溫度降低，使得變形縫擴(kuò)大?；炷磷陨硎湛s在短期內(nèi)影響較大，長(zhǎng)期也有影響，不可忽略，但隨著時(shí)間增長(zhǎng)，后期收縮率逐漸減小。就施工期而言，箱涵在夏季施工，箱涵變形縫的寬度應(yīng)該適當(dāng)縮小，防止冬季回填土體導(dǎo)致箱涵變形縫加大。 ■