趙明時

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

隨著“海上絲綢之路”這一世界政治經(jīng)濟戰(zhàn)略構想的的展開，沿海經(jīng)濟步入了嶄新的時代，特別是全球海洋貿易總量的持續(xù)增長再次激發(fā)了港口的投資活力，港口建設也隨著沿海經(jīng)濟的轉型升級而進入了新的發(fā)展階段[1-2]。碼頭建設作為港口建設的龍頭產(chǎn)業(yè)，也隨之走向了更加經(jīng)濟、綠色、高效的時代[3]。板樁碼頭作為新興的碼頭結構，與傳統(tǒng)的高樁和沉箱相比，具有投資省、建設速度快、風險小等優(yōu)勢，近些年板樁碼頭在粉砂質海岸得以迅猛發(fā)展，其技術研究和實施成果也在國內外港口建設中得以認可和應用[4]。

地連墻作為板樁碼頭的核心結構，其施工質量直接關系到整個板樁結構的安全性，具有不可替代的作用。雖然板樁碼頭的建設機理和工藝日臻完善[5-6]，但是從眾多已建板樁碼頭海側開挖后前墻水下探摸效果來看，露筋問題一直無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險源，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市場中的生命力。

1 背景

1.1 露筋的危害

板樁碼頭前墻露筋會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。如圖1 所示，其銹蝕物體積比原來增長約2～4 倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應力，加劇了鋼筋保護層混凝土的進一步開裂、剝離，同時鋼筋在銹蝕過程中截面不斷減小，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構，特別是前墻在開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，則直接影響碼頭結構的安全性，且水下修補難度大、費用高，因此必須對板樁碼頭的地連墻露筋事故予以深入的研究。

1.2 技術背景

有關地連墻工作機理及施工方面的研究，國內外已經(jīng)積累了相當多的數(shù)理模型和試驗數(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程中事故的處理和開挖后地連墻的修補技術。雖然少量文獻考慮了水下混凝土“膜效應”的活性和張力，對露筋原因并沒有給出理論上的解釋和定義，更沒有討論流動狀態(tài)下混凝土對地連墻施工質量的影響。根據(jù)相關文獻顯示，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，在流動狀態(tài)下分析水下灌注混凝土的施工過程，能夠更真實的還原混凝土的工作環(huán)境，露筋原因分析結果更加客觀[8-9]。

2 混凝土的流動

2.1 物理性質

與常見的流體（例如空氣和水等）相比，工程技術人員常常將混凝土作為固體來考慮，即使研究混凝土的流動也是考察其塌落度，以易于混凝土的灌注。可是，要研究水下灌注混凝土的工作機理，必須將混凝土視為流體進行分析，下面對流動狀態(tài)下混凝土的物理性質進行如下假定。

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

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

3）不可壓縮性：水下混凝土的灌注近似認為不可壓縮的流動。

4）粘性：混凝土流動時，流體內部微元體之間具有抵抗相互滑動的屬性。是否考慮混凝土的粘性，主要看粘性是否在流動過程中起主導作用。

2.2 混凝土的湍流

1）湍流的形成

實際流體的流動大多以湍流為主，水下灌注混凝土的湍流中混凝土微元體的運動軌跡雜亂無章，變化較大，內部隨即產(chǎn)生不同尺度的旋渦（速度場和壓力場也隨機產(chǎn)生），由于內部流動及壓力的變化，產(chǎn)生旋渦。旋渦產(chǎn)生后，渦體旋轉方向和混凝土流速方向一致的一側流速變大，反則變小。根據(jù)伯努利方程，流速大的一側壓強變小，流速小的一側壓強大，在渦體兩側壓強差的作用下，渦體具有向壓強小一側橫向移動的趨勢，當橫向移動的慣性力超過粘性阻力時，產(chǎn)生旋渦混摻，這也干擾了相鄰流層的流動，進一步產(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，阻止小旋渦運動的粘性作用大，即槽壁邊的混凝土在上升過程中耗能較大。也就是說，水下灌注混凝土施工中，槽壁邊的混凝土相對于中心混凝土易流性差。

2.3 層流底層

1）層流底層的概念

從地連墻開挖后墻面可以看出，無論在成槽、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，壁面一定范圍內主混凝土（或砂）導微元體運動的剪切力（粘性）無窮大，即混凝土（或砂）和槽壁無相對運動，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，在該范圍內混凝土流速為u(x)。那么，在距離槽壁S的范圍內，如圖5 所示，混凝土上升流量Q1 為：

根據(jù)混凝土流動的連續(xù)性和不可壓縮性的假定，無論槽壁光滑與否，通過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)混凝土流動時流量不變的性質，混凝土流線勢必會延槽壁的法向產(chǎn)生外移，外移的厚度即為層流底層厚度δ。其現(xiàn)實意義為：由于混凝土單位截面內流動的連續(xù)性和不可壓縮性，層流底層厚度δ 實際上就是混凝土在上升過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”的相關研究及現(xiàn)場地連墻開挖情況來看，水下灌注混凝土時，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程中，會在沉渣層邊緣產(chǎn)生層流底層，即槽壁壁面附近的沉渣不會因沉渣層的上升而上升，進而形成一層薄砂層。同樣，在混凝土內部，由于層流底層的緣故，在沉渣層槽壁已形成的薄砂層，在混凝土上升過程中不會變化（或變化很?。?，最終導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墻體厚度的影響。根據(jù)地連墻開挖結果，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。如果薄砂層過厚，會直接導致地連墻主筋保護層不足，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，建筑市場上普遍采用的成槽設備（液壓抓斗、銑槽機等）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，當存在使用反循環(huán)成槽設備或地層含有類似礫石層等情況時，是可能出現(xiàn)槽壁粗糙度大于層流底層厚度的。從地連墻開挖結果來看，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，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)范中并沒有定義2 m/h 的具體施工時間范疇[11]。如果考慮2 m/h是連續(xù)不中斷灌注，在實際施工中，絕大多數(shù)情況下槽壁的薄砂層（包括松散的混凝土）會非常厚，甚至露筋。

為了進一步研究地連墻水下灌注混凝土的速度對地連墻墻體厚度的影響，在水下灌注混凝土施工中，將混凝土在導管中流動的時間定義為水下灌注混凝土的有效灌注時間。在有效灌注時間內，槽段內混凝土上升的速度定義為有效灌注速度。以京唐港粉砂質海岸中地連墻開挖結果為例，考察有效灌注速度對層流底層的影響，如圖4 所示。

圖4 薄砂層厚度隨有效灌注速度的變化

試驗表明，當有效灌注速度從0.4 m/min 提高到2 m/min 時，薄砂層（包括松散的混凝土）厚度由初始的10 cm 減少到2 cm，這說明層流底層的變化趨勢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。

但是工程技術人員，特別是現(xiàn)場操作者，往往容易混淆有效灌注時間和實際灌注時間（從開始到結束的總時間）的概念。水下灌注混凝土時，實際灌注時間的長短主要取決于拆卸導管的時間（約占70 %～80 %），因此大多數(shù)操作者常常以減少拆卸導管次數(shù)的方法來縮短混凝土實際灌注時間，同時這樣也可以減少操作者的勞動強度。但是拆卸導管次數(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間越長，有效灌注速度越慢，可以說埋管過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，地連墻成槽設備的寬度一般要大于地連墻墻體厚度。同時，減少埋管深度能夠提高混凝土有效灌注速度，進而確保地連墻墻體厚度。

3 結語

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，而與地連墻成槽時槽壁壁面粗糙度關系不大。

2）一般情況下，水下灌注混凝土的有效灌注時間越短，實際灌注時間越長（即拆卸導管次數(shù)越多）；有效灌注時間越短，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程中，工程技術人員必須充分考慮混凝土流動對地連墻墻體厚度的影響，合理選擇施工設備尺寸，在以減少埋管深度的方法來降低露筋風險、確保地連墻厚度的同時，尋找提高混凝土有效灌注速度的新途徑。