淺談鋼筋混凝土內(nèi)倒球薄殼基礎(chǔ)在水利工程的應(yīng)用

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建國以來, 淄川區(qū)為解決人畜飲水、農(nóng)田灌溉修建了大量的平地板水池、水窖, 由于受采礦影響,地層斑裂、不均勻沉陷嚴(yán)重, 地基承載能力降低,導(dǎo)致部分水池產(chǎn)生斷裂而使水池水窖報廢或漏水,造成了很大的經(jīng)濟損失。為此, 1988 年在淄博礦務(wù)局嶺子煤礦開采區(qū)內(nèi)的劉家、河洼兩村采用鋼筋混凝土內(nèi)倒球園柱殼組合結(jié)構(gòu), 建設(shè)了兩處1000m3 水池, 經(jīng)過十幾年的運行, 兩處水池均未發(fā)現(xiàn)裂縫和漏水, 取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。內(nèi)倒球園柱殼組合結(jié)構(gòu)水池, 上部為園柱殼,下部為內(nèi)倒球殼基礎(chǔ), 內(nèi)倒球殼基礎(chǔ)有殼面和環(huán)梁兩部分組成, 環(huán)梁是園柱殼與內(nèi)倒球殼連接的重要構(gòu)件。
    1、設(shè)計要點
    1.1 基本假定
    假定地基反力為直線分布; 假定殼壁與土體之間有剪力存在。
    1.2 內(nèi)倒球基礎(chǔ)的構(gòu)造選擇
    1.2.1 殼面傾角
    選擇殼面傾角, 主要考慮殼體的受力性能和施工方面兩個因素。為減少環(huán)梁的水平推力, 角度不宜取得過小, 同時角度過小使球殼過于扁平, 受力性能差, 角度過大會使邊緣區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力, 而周邊土胎成型也困難。殼面傾角一般在φ = 30～40°之間。
    1.2.2 矢高
    倒球殼的矢高愈小, 施工愈方便, 但矢高愈小,殼面中的徑向彎矩及傳給邊梁的外推力愈大, 所費的材料也愈多。矢高過大則施工不便。一般采用Z。= 013r～0135r ( r 為園柱殼半徑) 。當(dāng)?shù)鼗^弱,矢高應(yīng)較小, 但不能小于01 268r (φ= 30°) , 當(dāng)?shù)鼗^好, 矢高可以稍大一些, 但不宜大于01365r(φ= 40°) 。
    1.2.3 殼面厚度
    殼面厚度一般取δ= r/ 25～r/ 20 。當(dāng)?shù)鼗貏e軟弱, 其使用地耐力很低時, 可以薄一些, 但不應(yīng)小于r/ 30 ; 當(dāng)?shù)鼗貏e堅硬, 使用地耐力很高或地基特別不均勻時, 其厚度適當(dāng)加厚, 但最厚亦不超過r/ 15 。為了改善殼體的受力情況, 以加強其與環(huán)梁的連接, 在殼面與環(huán)梁相接的r/ 5 范圍內(nèi)殼面應(yīng)加厚, 但其最大厚度不宜超過115δ。
    1.2.4 最小半徑
    對于內(nèi)倒球殼組合體, 宜取r/ R0 ≥0175 (R0 為環(huán)梁外徑) , 但r/ R0 也不宜過大, 否則內(nèi)殼向外的水平推力增加, 使內(nèi)殼交接處出現(xiàn)環(huán)向拉力, 根據(jù)薄膜理論, r/ R0 ≤0165 。
    1.2.5 環(huán)梁
    環(huán)梁所起的主要作用: ①將上部荷載均勻地傳至殼體上。②加強殼的邊緣, 承擔(dān)殼的水平推力。③錨固上部筒壁中伸入的鋼筋。環(huán)梁的寬度一般取b = r/ 12～r/ 8 ,梁高應(yīng)根據(jù)構(gòu)造確定: 一般取h =(11 0～115) b 。從理論上講, 以設(shè)計成正方形為最合適, 這時殼面上的徑向彎矩為最小。
    1.2.6 埋置深度
    在寒冷地區(qū), 為了保證不受凍張力的影響, 必須使殼面置于冰凍層以下。
    1.3 結(jié)構(gòu)及配筋驗算
    1.3.1 地基允許承載力驗算
    地基的承載能力滿足f max = qw + dh ≤ [ R ] (qw為上部荷載作用產(chǎn)生的基底壓應(yīng)力, d 為基礎(chǔ)上部填土的平均容重, h 為基礎(chǔ)的埋置深度, f max 為地基最大應(yīng)力, [ R] 為地基容許應(yīng)力) 。
    1.3.2 殼面配筋
    內(nèi)倒球殼面所受的荷載為對稱荷載, 在殼面傾角φ≤40°條件下, 殼面環(huán)向和徑向均為受壓, 因此,殼面徑向和環(huán)向配筋按構(gòu)造配筋, 且不小于最小配筋率012 % , 須雙層配筋, 徑向配筋為輻射狀, 在靠近環(huán)梁長度3δ范圍內(nèi)配筋不小于環(huán)梁總環(huán)向鋼筋量的10 %～18 %。
    1.3.3 環(huán)梁
    環(huán)梁承受殼面推力而受拉, 按薄膜理論, 環(huán)梁所承受的環(huán)向拉力為T = 1/ 2CRqnCtgφ [ qn 上部結(jié)構(gòu)重,C = 1/ 2 (殼對環(huán)梁的水平推力+ 殼對環(huán)梁的干擾力) ,若假定環(huán)梁僅能轉(zhuǎn)動而不能移動, 則C 值變化于0192～110 之間] 。因環(huán)梁的剛度較殼壁大, 實際的環(huán)向拉力比薄膜理論值大, 所以環(huán)梁的配筋應(yīng)比理論值增加30 %。對于非預(yù)應(yīng)力環(huán)梁, 其環(huán)向配筋的30 %應(yīng)配于梁頂, 20 %置于梁底, 兩側(cè)各配25 %。
    2、施工要點
    內(nèi)倒球殼基礎(chǔ)要求具有較高的施工質(zhì)量。首先,混凝土應(yīng)有良好的密實度, 這對于殼體的抗裂能力、防浸蝕性能及持久強度具有很重要的意義。因此,混凝土的配合比、水灰比、坍落度、振搗以及養(yǎng)護等條件都應(yīng)圍繞混凝土強度這一中心環(huán)節(jié)而合理選擇。
    2.1 挖土胎
    準(zhǔn)確放線后, 開始挖土, 可采用機械挖至殼上部邊緣標(biāo)高后, 再根據(jù)中心樁二次放線, 放出殼底部尺寸, 繼續(xù)挖土胎, 一層層剝土, 不使土胎原狀土受擾動。土胎的施工偏差不超過10～15mm。挖好土胎后, 在土胎表面做細(xì)石混凝土墊層。
    2.2 綁扎鋼筋和支模
    鋼筋應(yīng)按設(shè)計要求進(jìn)行布設(shè), 邊梁和殼面環(huán)向鋼筋接頭采用焊接, 接頭在環(huán)向分散開, 避免集中。殼面傾角小于30°時, 可不設(shè)模板, 以土胎為模。
    2.3 澆筑混凝土及養(yǎng)護
    倒球殼基礎(chǔ)混凝土標(biāo)號不低于200 號, 盡可能采用較小的水灰比。環(huán)梁與殼應(yīng)連續(xù)澆注在一起,須分層澆注時, 施工縫應(yīng)留插筋, 在二次澆筑前,接縫拉毛并清洗干凈。澆筑過程中, 鋼筋位置都必須嚴(yán)格控制, 保證設(shè)計位置, 避免擾動。澆筑完畢后, 立即加強養(yǎng)護, 避免收縮裂縫。
    3、結(jié)語
    倒球殼組合殼體是一種空心薄壁結(jié)構(gòu), 具有“空間作用”的特點。倒球殼、環(huán)梁和圓柱筒整體結(jié)構(gòu)共同作用, 其剛度比平底板基礎(chǔ)剛度大數(shù)十倍以上, 可以承受較大的荷載。其受力特點主要承受較為均勻的壓力。因而, 能充分發(fā)揮混凝土的抗壓作用, 具有節(jié)約材料、降低造價等優(yōu)點。采用倒球殼基礎(chǔ)代替平底板基礎(chǔ), 同等容量的鋼筋混凝土水池,可節(jié)約混凝土20 %～30 %, 節(jié)約鋼筋10 %～20 %。通過工程實際運用, 倒球殼基礎(chǔ)是一種適宜不均勻沉陷和軟弱地基的良好結(jié)構(gòu)形式。