某大学拖曳水池结构设计

一.工程概况

拖曳水池是船舶与海洋工程领域内的重要基础硬件设施, 船舶与海洋工程类专业本科教学及科研工作中许多试验必须借助于拖曳水池才能实现。本工程位于宁波市梅山岛, 东北临踏海路, 西北临港湾路, 项目建筑面积4013.4m, 实验室内主体是一个长135.5米, 宽7.8米, 深5.2米的拖曳水池, 水池主体采用现浇混凝土整体式“U”型结构, 由钢筋混凝土底板、池壁结构组成, 采用全埋式布置形式。水池壁上安装有重32吨的移动工作平台, 进行来回拖动实验。详图1

二.工程要点

1) 拖曳水池的不均匀沉降问题

本工程所在场地地貌属海积、冲海积平原。经过土工勘察, 场地属于典型的海边软土地基, 场地表层素填土以下有厚度近20米左右的高压缩性淤泥质粘土。拖曳水池作为本工程的核心结构, 其使用阶段的导轨精度要求非常严格, 如何使水池结构的不均匀沉降控制在移动导轨所要求的精度范围以内, 则是本工程设计的难点。

本工程结构为全埋式, 水池自身和池内水的重量与水池所占土的重量大体相等, 从经济性角度考虑, 可先尝试补偿式浅基础, 但是水池上有行车和造波机等实验设备, 活荷载较大, 在淤泥这种高压缩性土作为持力层的情况下, 后期变形大且不可控, 特别是在池内水量有变化的时候, 明显无法满足实验设备对精度的要求, 因此排除了这种基础选型。笔者最终采用了桩径700, 有效桩长47m的钻孔灌注桩, 桩基持力层为6-4和7-1混合层 (均为粉质粘土) , 典型桩基与土层相互关系如下图:

从地质土层剖面可以看出, 该场地岩层埋置较深, 在勘察孔位70~80米左右的深度下, 没有发现有岩层分布。场地土层分布还是比较均匀的, 土质均为淤泥土和粘土, 在桩长范围内没有硬夹层, 因此水池范围内单桩承载力变化不大, 这对本工程控制不均匀沉降是较为有利的。笔者在水池范围内两侧侧壁以下和水池正中分别均匀布置了三排桩基, 在布桩过程中, 考虑到钻孔灌注桩桩底沉渣对沉降的影响以及减少最终的沉降量, 笔者在取单桩承载力时扣除了桩端承力对桩承载力的贡献, 采用纯摩擦桩, 并根据工程经验对桩承载力取了0.7的折减系数进行桩基布置。通过MIDAS软件模拟计算, 水池结构长度方向, 两端底板沉降较大, 约为7.86mm, 中部沉降偏小, 约为6.44mm, 差异沉降约为1.42mm, 见下图。经设备厂家确认, 该沉降差在拖车轨道基础可调节的范围内。

2) 拖曳水池的裂缝控制

本工程拖曳水池长135.5米, 根据工艺要求, 水池整体不能设置伸缩缝。因为混凝土的收缩量和结构的长度成正比, 因此在大大超过规范长度的条件下, 让结构能满足后期使用, 必须采取一定的措施。笔者首先分析一下混凝土非结构性裂缝产生的原因。

1) 温度变化引起的裂缝。温度变化最大的便是施工过程中大体积混凝土浇筑之后由于水泥水化的放热, 其次是环境温度的改变。

2) 混凝土材料收缩引起的裂缝。混凝土最终收缩量约为0·04%~0·06%。可见收缩是混凝土固有的物理特性, 一般来说, 水灰比越大、水泥强度越高、骨料越少、环境温度越高表面失水越大, 则其收缩值越大, 也越易产生收缩裂缝。

从国内外的研究资料以及大量的工程实践看, 混凝土裂缝以收缩裂缝为主。笔者根据工程的实际情况, 采取了以下措施:

1) 间隔30米左右, 设置三道施工后浇带, 将结构均分为四段, 在每一段中间各设置一道膨胀加强带。

2) 水池底板, 侧壁均采用部分预应力结构。结构荷载由普通钢筋承担, 普通钢筋按裂缝控制计算配筋量, 采用“细而密”的原则布置。间隔400设置双层双向后张法无粘结预应力钢绞线, 通过预应力的施加, 来减少结构裂缝的产生。

3) 尽可能采用低标号混凝土, 在混凝土中添加一定比例的膨胀剂, 抗裂纤维等改善混凝土材料性能。

4) 施工控制措施。要求施工单位限制水泥单位用量, 减少骨料入模温度, 降低内外温差 (通过表面保温) , 并加强养护, 必要时可采用循环冷却系统 (预埋) 进行内部散热。浇筑混凝土时的环境温度不得超过20℃, 以减小环境温差。

三.结语

拖曳水池的沉降和裂缝问题是该结构能否达到使用要求的关键因素, 由于国内拖曳水池数量较少, 可借鉴的现有工程经验又不多, 笔者从设计角度, 提出了部分解决方法, 希望能够对其他正在建设的同类工程设计提供有益的借鉴。

摘要：拖曳水池是大学船舶与海洋工程类专业实验中的一种构筑物, 其体型长度大, 对轨道精度要求高, 本文从建筑结构设计角度, 对拖曳水池控制不均匀沉降和控制裂缝产生两个方面进行了探讨研究

关键词：不均匀沉降,裂缝控制

参考文献

[1] GB50007-2011, 建筑地基基础设计规范

[2] GB50010-2010, 混凝土结构设计规范

[3] 赵明华.土力学与基础工程.武汉理工大学出版社