超长不设缝水池结构设计研究

张广杰

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430071）

引言

随着城镇污水处理厂的规模扩大，污水处理水池呈现超长的发展趋势，部分水池长度接近甚至超过100 m。《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002[1]规定在土基条件下地下或有保温措施的矩形现浇钢筋混凝土水池伸缩缝最大间距为30 m。对于超长水池，传统设计方法是通过设置伸缩缝解决各种裂缝问题，但设置伸缩缝在实际使用中容易造成水池结构整体性差、伸缩缝渗漏后修复困难等问题。为达到超长水池的整体不设缝设计要求，应对超长水池的温度应力及裂缝防治进行研究。

1 水池结构裂缝防治方法

水池混凝土裂缝产生的实质原因是混凝土受到的拉应力超过其抗拉强度，拉应力主要来自于外荷载、地基不均匀变形、混凝土干缩以及温湿差作用等。控制混凝土裂缝的有效途径是降低或消除混凝土的拉应力。水池的混凝土裂缝主要由温差作用导致，所以控制温差作用是超长水池裂缝防治的关键。

超长水池结构设计中要根据混凝土裂缝成因，采取相应的技术控制措施。如外荷载引起的结构性裂缝可通过抗裂度计算和设置抗裂钢筋控制在规范允许范围内。为避免地基不均匀变形引起水池开裂，设计中应根据工程地质情况和水池结构特点，采取合理的基础形式或地基处理方法。通过设置后浇带或膨胀加强带、采用补充收缩混凝土可有效降低或抵消水化热温差和收缩当量温差引起的混凝土的拉应力。在季节性温差作用水池采用有限元整体温度应力分析方法，将温度作用下的内力考虑长期作用折减后与恒载、活载、水土压力等组合后进行水池抗裂计算，根据计算结果进行池体配筋设计。

2 工程实例

2.1 工程概况

某污水处理站生化池为半地上钢筋混凝土水池，平面尺寸为93 m×49 m，高6.6 m，地下埋深3.8 m，地面以上2.9 m，抗渗等级P6。根据项目业主要求，从安全、经济、便于运营维护等多方面考虑，该生化池拟采用不设伸缩缝的结构方案。本文通过采取桩网复合地基、在水池底板与地基土间设置滑动层、设置后浇层及对水池进行有限元温度作用分析等措施实现了超长水池不设缝结构设计。

2.2 桩网复合地基处理

拟建工程场区从上而下土层分布依次为杂填土、素填土（粉质黏土）、淤泥质粉质黏土、粉质黏土和强（中）风化砂岩。生化池占地面积大，而地基土层分布不均匀，底板一半位于松散的杂填土区域、一半位于细砂回填区域，如不对地基加以处理，将难以控制地基的不均匀变形。地基变形发展是一个长期过程，会引起水池在使用期间因底板受力不均衡而开裂。由于桩对底板的水平约束作用较大，水池不宜采用桩筏基础，宜采取地基加固处理的方法，使处理后地基土的承载力及工后沉降能够满足上部结构的要求。

经综合比较，生化池拟采用桩网复合地基的方法进行地基处理，见图1。桩网复合地基是由刚性桩、桩帽、桩间土、加筋体和垫层共同形成的一种复合地基。当处理欠固结土时，确定土拱高度是桩网地基填土高度计算的前提和计算加筋体的依据，桩网复合地基的土拱模型见图2。桩网复合地基在土拱产生之后，开始桩帽及土拱以上部分填土荷载和上部水池荷载均通过土拱作用和加筋垫层传递至桩帽，由桩和桩间土共同承担。由于刚性桩与桩间土模量相差较大，这种差异沉降会使桩间土与加筋材料脱开，形成“膜下空穴”，这样上部荷载通过加筋体的提拉作用会全部传递至桩帽，由桩承担全部荷载。此时地基沉降包含桩基沉降与桩帽上填土的沉降，桩帽上填土沉降可通过压实度控制，从而可有效控制水池的沉降量。

图1 桩网复合地基构造

图2 桩网复合地基土拱模型

综上所述，由于桩、桩帽和加筋体共同作用，提高了复合地基的承载力和压缩模量，能有效防止地基土层的不均匀变形，控制水池的工后沉降，避免水池因地基不均匀变形而开裂。

2.3 混凝土材料

水池施工阶段的混凝土拉应力主要由水化热和干缩等效温差产生，在混凝土中添加一定数量的膨胀剂，使混凝土产生膨胀自压应力，可抵消或减小水化热和干缩等效温差拉应力，避免施工阶段混凝土的干缩裂缝。补偿混凝土的限制膨胀率通过计算混凝土收缩率确定。混凝土计算龄期的收缩率按公式（1）计算[2]，取b=0.01，按一年的收缩量考虑时，εy（365）=0.0214 %。因此，该生化池选择补偿收缩混凝土的限制膨胀率不小于0.025 %，可控制混凝土在硬化过程中不出现干缩裂缝。

式中：

εy－标准状态下混凝土的极限收缩值，一般为3.24×10-4；

t－混凝土龄期(d)；

Mi－修正系数。

2.4 后浇带设置

后浇带是为适应环境温度变化、混凝土收缩、结构不均匀沉降等因素在现浇钢筋混凝土结构中留设的一定宽度的混凝土带，经过一定时间后再浇筑混凝土形成整体的无缝结构。生化池横向设置1道后浇带，纵向设置2 道后浇带，将整个水池划分为6 个分区，见图 3，通过后浇带的划分，将施工过程中的收缩应力主动释放掉。后浇带只能解决施工阶段水化热温差和收缩当量温差产生的拉应力，不能解决使用阶段因季节性温差所产生的温度拉应力[3]。生化池后浇带构造见图4。

图3 后浇带平面布置

图4 后浇带构造

2.5 滑动层及地基水平阻力系数

生化池基础底板坐落于桩网复合地基上，为降低复合地基对底板的水平约束，减小季节性温差产生的拉应力，在地基土和底板间设置滑动层，见图5。水池底板滑动层的常规做法如图6 所示[4]。由于在塑料膜上浇筑素混凝土垫层过程中容易将局部的干细砂扰动或挤走，造成滑动层局部干细砂层缺失，影响滑动层减小地基土对底板水平约束的效果。本文构建了一种施工方便、安全可靠的滑动层构造，在常规滑动层的基础上采用预制钢筋混凝土板代替现浇素混凝土垫层，并取消塑料膜，可较好地解决上述常规滑动层施工方面的缺陷。

图5 改进滑动层

图6 常规滑动层

地基水平阻力系数Cx 是指单位面积地基土引起单位水平位移所需施加的力，是计算水池结构温度应力的关键因素。Cx 取值主要与土的类别、基础埋深、基底形状及基础刚度等因素有关[2]。生化池采用桩网复合地基，并设置改进后的滑动层，通过现场推力试验可确定地基水平阻力系数取值，试验结果表明，设置滑动层后的地基水平阻力系数平均值约为Cx=0.007 N/mm3，与文献4 的常规滑动层的Cx=0.006 N/mm3较为接近。

2.6 水池温度应力有限元分析

水池温度作用分析的综合温差主要考虑季节性温差、水化热温差及混凝土收缩引起的当量温差。水池采用补偿收缩混凝土并设置后浇带后不再考虑水化热温差。混凝土干缩主要受水泥品种和细度、骨料情况、水灰比、养护条件、环境相对湿度、混凝土龄期及构件配筋率等因素影响，并且在钢筋混凝土中混凝土与钢筋的收缩不同步。采用膨胀剂可以在混凝土浇筑的早期使混凝土产生膨胀，抵消干缩效应，实现混凝土浇筑成型时不出现干缩裂缝[3]，所以也可不再考虑使用期间的混凝土收缩当量温差。季节性温差可取后浇带闭合时的温度与水池使用期间最低温度的差值[5]，生化池取后浇带闭合时温度为27℃，使用期间最低水温取4℃，则综合温差同季节性温差可取23℃。

采用有限元软件SAP2000 进行生化池温度应力分析，可得到混凝土拉应力分布图，以评价混凝土是否开裂。生化池在温度作用下底板的温度应力如图7 所示，呈现沿长向中间大两侧小的分布，最大拉应力为1.89 N/mm2，小于C30 混凝土的抗拉强度标准值2.01 N/mm2，所以生化池在长期使用阶段不会产生温度裂缝。

图7 水池底板温度应力分布

2.7 保温层设置

生化池主体结构施工完成后，在水池四周池壁外侧设置由100 mm 厚聚苯板及砖墙组成的保温层，并在池顶满铺0.6 m 厚覆土，既作池顶的保温层，同时兼做绿化带地基，保温层构造见图8。当水池不设置保温层时，水池地上部分温差接近于大气温差，设置保温层后，池壁地上部分温差可较大幅度降低，前述生化池有限元温度应力分析时未考虑该温差降低的有利因素，把设置保温层作为水池结构设计的安全储备。

图8 外池壁保温构造

2.8 施工注意事项

水池在混凝土浇筑后应采取有效养护措施，防止混凝土因失水过快出现干缩裂缝。高温季节施工要避免遇气温骤降时导致池体内外部温差过大，或当水池在夏季进行试水试验时，应避免池体在白天暴晒之后立即注入温度相对池体较低的清水，导致池体内外温差在短时间内急剧加大而产生大量裂缝，应选择在夜间池体温度下降后再注水进行试水试验。

3 结语

生化池建成后已使用近2 年，水池表面无明显裂缝，也无渗漏现象。通过对超长不设缝水池的裂缝防治、温度应力研究及实际应用效果可得出以下结论：

1）采取桩网复合地基可有效解决欠固结土地基的不均匀沉降变形造成的水池开裂问题。

2）超长水池采用补偿收缩混凝土并设置后浇带能抵消或减小施工阶段水化热温差和收缩当量温差产生的拉应力。

3）在超长水池底板下设置滑动层可减小地基水平阻力系数，降低水池在季节性温差作用下的温度应力。

4）通过对水池进行温度作用下的有限元分析，可防止水池在长期使用阶段出现温度裂缝，实现超长水池的不设缝结构设计。