深基坑超大体积混凝土施工技术研究与应用

杨 勇 （厦门建发城服工程管理有限公司，福建 厦门 361000）

近年来，随着各类商业建筑和民用建筑建设规模的增长，对应的深基坑混凝土施工工程量越来越大。特别是随着一些大型商业综合体以及超高层建筑的建设实施，对应的深基坑超大体积混凝土施工质量控制越来越受到同行者们的关注。

1 深基坑超大体积混凝土施工材料选择及配比设置

正确选择深基坑超大体积混凝土的施工原材料，并进行合理的施工配比设置，是开展深基坑超大体积混凝土施工技术的第一步。

1.1 深基坑超大体积混凝土原材料选择

根据我国福建省厦门市各地深基坑超大体积混凝土施工现场的调研及数据统计结果来看，在我国厦门市地区，深基坑超大体积混凝土施工原材料主要有水泥、粉煤灰、矿渣粉、粗细骨料、减水剂、膨胀剂、拌合水。上述主要原材料的有关技术参数如下：

（1）水泥：最常用的水泥规格型号为P·O 42.5，该类水泥在标准养护期间，7d 抗压强度平均值为33.6MPa、抗折强度平均值为5.5MPa；28d 抗压强度平均值为48.3MPa、抗折强度平均值为8.7MPa。

（2）粉煤灰：粉煤灰作为深基坑超大体积混凝土中重要的胶凝矿物掺合料，其物理性能与化学成分对超大体积混凝土的水化热有很大的影响。在厦门市地区的各施工现场，其混凝土中所含粉煤灰细度均值为23.5%、烧失量均值为4.0%、含水率均值为0.2%、需水量比均值为98%；在其化学成分中，Al2O3含量均值为29.26%、CaO 含量均值为3.43%、Fe2O3的含量均值为6.48%、TiO2的含量均值为1.89%、K2O 的含量均值为1.54%、SO3的含量均值为1.17%、Na2O 的含量均值为0.36%、MgO 的含量均值为0.65%、MnO 含量均值为0.38%。

（3）在厦门市区域范围内，深基坑超大体积混凝土所用粗骨料主要为连续级配碎石，细骨料主要为砂，连续级配碎石的表观密度均值为2640kg/m3、堆积密度均值为1540kg/m3、孔隙率均值为44%、紧密堆积密度均值为1640kg/m3、紧密堆积孔隙率均值为40%、硫化物和硫酸盐含量均值为0、坚固性均值为3%、碱活性均值为0.06%；砂细度模数均值2.7、表观密度均值为2650kg/m3、碱活性均值0.03%。

（4）减水剂：掺量均值为2.0%、氯离子含量≤0.5%、硫酸钠含量≤5.0%、碱含量≤10.0%、甲醛含量≤0.05%、减水率≥25%、含气量≤6.0%、常压泌水率比≤15.0%。

（5）膨胀剂：碱含量均值为0.60%、抗腐蚀系数均为0.92、水中7d限制膨胀率均值为0.028%、空气中21d限制膨胀率均值为-0.012%。

（6）拌合水：pH 均值为6.7、碱含量均值为1300mg/L、SO42-含量均值为1600mg/L、Cl-含量均值为700mg/L、不溶物含量均值为12mg/L、可溶物含量均值为1600mg/L。

1.2 深基坑超大体积混凝土配合比设置

通过实地调研弄清了厦门市各地的深基坑超大体积混凝土原材料及其技术参数后，需要进一步对有关材料的最佳配合比进行试验确认。根据施工现场调研情况来看，目前厦门市区域范围内各深基坑超大体积混凝土施工现场所用配比及具体配比参数如下：

（1）配比型号-1：水泥215kg/m3、粉煤灰68kg/m3、矿渣105kg/m3、细骨料砂705kg/m3、粗骨料石1000kg/m3、拌合水150kg/m3、减水剂10.3kg/m3、膨胀剂30kg/m3。

（2）配比型号-2：水泥220kg/m3、粉煤灰70kg/m3、矿渣110kg/m3、细骨料砂710kg/m3、粗骨料石1050kg/m3、拌合水155kg/m3、减水剂10.5kg/m3、膨胀剂31kg/m3。

（3）配比型号-3：水泥220kg/m3、粉煤灰70kg/m3、矿渣110kg/m3、细骨料砂710kg/m3、粗骨料石1100kg/m3、拌合水160kg/m3、减水剂10.5kg/m3、膨胀剂32kg/m3。

根据上述三个配比分别制作混凝土标准试块进行养护，并通过试验测定试块7d、28d 抗压强度与抗折强度，经试验测定配比型号-3 所对应的试块抗压强度和抗折强度值最大，因此，判断配比型号-3所对应的混凝土配合比宜为厦门市区域范围内深基坑超大体积混凝土施工的最佳配比。

2 深基坑超大体积混凝土施工期间温度裂缝控制

对施工期间的温度裂缝进行控制，需要掌握温度裂缝的控制原理，包括各龄期温度收缩应力计算、最大自约束应力计算、抗拉强度计算、防裂性能判断等四个方面的内容。

2.1 各龄期温度收缩应力计算

深基坑超大体积混凝土在施工过程中的各龄期温度收缩应力计算式如式（1）所示[1]。

式中σ(t)-温度收缩应力，MPa；

v-泊松比（经测定，配比型号-3的泊松比为0.15）；

Sh(t)-松弛系数（经测定，配比型号-3的松弛系数为0.000032）；

Rk-外约束系数（经测定，配比型号-3 的外约束系数为0.4）。

2.2 最大自约束应力计算

深基坑超大体积混凝土在施工过程中的最大自约束应力计算式如式（2）所示[2]。

式中σzmax-最大自约束应力，MPa；

ΔTmax-施工阶段的最大内外温度差，℃；

E(t)-施工阶段各龄期的弹性模量，MPa；

部门用户管理——系统管理员可以进行部门管理和用户管理等操作，如添加删除部门、调整部门从属关系、查看部门详细信息和部门下包含用户、查看用户详细信息、调整用户部门等。

H(t,τ)-施工阶段各龄期的松弛系数均值（经测定，配比型号-3在各龄期的松弛系数均值为0.00003）。

2.3 抗拉强度计算

深基坑超大体积混凝土在施工过程中的抗拉强度计算式如式（3）所示[3]。

式中ftk(t)-龄期为t时对应的抗拉强度标准值，其单位为MPa；

ftk-抗拉强度标准值，其单位为MPa（经测定，配比型号-3的抗拉强度标准值为2.39MPa）。

2.4 防裂性能判断

根据大量的文献查阅可知，要判断深基坑超大体积混凝土在施工期间是否产生裂缝，可根据式（4）所示的函数关系开展防裂性能判断[4]。

式中σzmax-最大自约束应力，MPa。

K-防裂安全系数（经测定，配比型号-3的防裂安全系数为1.15）。

3 深基坑超大体积混凝土工程案例应用分析

3.1 工程概况

位于福建省厦门市的某深基坑超大体积混凝土施工项目，其深基坑混凝土施工区域范围如图1所示。该项目总用地面积26901.499m2，总建筑面积57915m2，其中地上建筑面积43210m2，地下建筑面积14705㎡，由1A#楼、1B#楼、1C#楼、1D#楼、2#楼及地下室组成。基础工程采用预应力混凝土管桩基础，分别有混凝土承台、混凝土筏板、混凝土独立基础，其中1A#楼的筏板基础为超大体积混凝土基础，筏板施工面积约11000m2、厚度1500mm、混凝土等级为C30、混凝土抗渗等级为P6。根据图1可以看出，该项目1A#楼的筏板基础施工区域范围是一个占地面积较大的不规则形状，而且根据设计要求，该深基坑的挖土深度需要达到10m，基坑内筏板基础的平均厚度为1.5m，属于典型的深基坑超大体积混凝土施工。

图1 深基坑超大混凝土施工范围

3.2 案例工程项目施工技术措施

由于深基坑超大体积混凝土施工期间，裂缝防控的关键在于温度控制，因此，计划在混凝土筏板基础施工区域范围内安装循环水泵和冷水循环输送管，在混凝土浇筑养护过程中，通过循环水泵向混凝土内部输送冷水，从而达到吸收混凝土水化反应热量，降低混凝土内、外部温差的效果，以此实现对深基坑超大体积混凝土内温度应力、约束应力以及温度裂缝的控制。温控措施中，循环水泵的安装位置以及循环水管的安装方式如图2所示。

图2 深基坑超大混凝土施工温控措施示意图

但是，在温度控制的过程中，还需要确定循环水泵功率、循环水管直径、循环水温度、循环水流量等技术参数。经过大量的技术讨论和专家咨询，认为将有关温控技术参数设置暂定为以下3种：

（1）温控技术参数-1：循环水泵功率11kW、循环水管直径200mm、循环水温度控制为5℃、循环水流量控制为1L/s。

（2）温控技术参数-2：循环水泵功率12kW、循环水管直径250mm、循环水温度控制为5℃、循环水流量控制为2L/s。

（3）温控技术参数-3：循环水泵功率13kW、循环水管直径300mm、循环水温度控制为5℃、循环水流量控制为3L/s。

3.3 案例项目施工温控模拟结果

为了验证何种措施能够达到效果，采用有限元建模分析软件，根据案例项目的施工区域范围、超大体积混凝土原材料参数、配合比型号-3所对应的配合比，建立混凝土施工浇筑养护模型，而后按照前文所述的3种温控技术参数开展温控防裂模拟，并在有限元计算分析软件中录入式（1）～式（4）所示的函数关系式进行计算验证，以此查验案例项目的深基坑超大体积混凝土施工是否能达到式（4）的防裂性能判断关系。根据有限元建模计算分析，得出的计算分析结果如下：

（1）在温控技术参数-1境况下，案例项目深基坑超大体积混凝土施工期间的最大自约束应力σzmax=1.4MPa，抗拉强度标准值ftk(t)=1.58MPa、K=1.15，不满足式（4）所示的防裂性能判断关系。

（2）在温控技术参数-2境况下，案例项目深基坑超大体积混凝土施工期间的最大自约束应力σzmax=1.4MPa，抗拉强度标准值为ftk(t)=1.60MPa、K=1.15，不满足式（4）所示的防裂性能判断关系。

（3）在温控技术参数-3境况下，案例项目深基坑超大体积混凝土施工期间的最大自约束应力σzmax=1.4MPa，抗拉强度标准值为ftk(t)=1.62MPa、K=1.15，满足式（4）所示的防裂性能判断关系。

在案例项目的实际施工过程中，按照如前文所述的混凝土原料物理化学参数、配合比型号-3所示配比、温控措施布设方式、温控技术参数-3 所对应的内容开展施工，取得了非常理想的深基坑超大体积混凝土施工法防裂效果。

4 结语

根据实地调研情况，总结福建省厦门市区域范围内深基坑超大体积混凝土施工原材料的物理化学性能，而后依据试验确定厦门市范围内深基坑超大体积混凝土的施工最佳配合比。基于深基坑超大体积混凝土的各龄期温度收缩应力计算函数、最大自约束应力计算函数、抗拉强度计算函数、防裂性能判断函数，掌握深基坑超大体积混凝土施工阶段的温控判断理论，并以厦门市范围内某项目深基坑超大体积混凝土施工温控技术应用开展有限元模拟分析验证，以此为深基坑超大体积混凝土施工技术研究与应用提供参考。