浅谈钢筋混凝土内倒球薄壳基础在水利工程的应用

建国以来, 淄川区为解决人畜饮水、农田灌溉修建了大量的平地板水池、水窖, 由于受采矿影响,地层斑裂、不均匀沉陷严重, 地基承载能力降低,导致部分水池产生断裂而使水池水窖报废或漏水,造成了很大的经济损失。为此, 1988 年在淄博矿务局岭子煤矿开采区内的刘家、河洼两村采用钢筋混凝土内倒球园柱壳组合结构, 建设了两处1000m3 水池, 经过十几年的运行, 两处水池均未发现裂缝和漏水, 取得了较好的经济和社会效益。内倒球园柱壳组合结构水池, 上部为园柱壳,下部为内倒球壳基础, 内倒球壳基础有壳面和环梁两部分组成, 环梁是园柱壳与内倒球壳连接的重要构件。
    1、设计要点
    1.1 基本假定
    假定地基反力为直线分布; 假定壳壁与土体之间有剪力存在。
    1.2 内倒球基础的构造选择
    1.2.1 壳面倾角
    选择壳面倾角, 主要考虑壳体的受力性能和施工方面两个因素。为减少环梁的水平推力, 角度不宜取得过小, 同时角度过小使球壳过于扁平, 受力性能差, 角度过大会使边缘区域出现拉应力, 而周边土胎成型也困难。壳面倾角一般在φ = 30～40°之间。
    1.2.2 矢高
    倒球壳的矢高愈小, 施工愈方便, 但矢高愈小,壳面中的径向弯矩及传给边梁的外推力愈大, 所费的材料也愈多。矢高过大则施工不便。一般采用Z。= 013r～0135r ( r 为园柱壳半径) 。当地基较弱,矢高应较小, 但不能小于01 268r (φ= 30°) , 当地基较好, 矢高可以稍大一些, 但不宜大于01365r(φ= 40°) 。
    1.2.3 壳面厚度
    壳面厚度一般取δ= r/ 25～r/ 20 。当地基特别软弱, 其使用地耐力很低时, 可以薄一些, 但不应小于r/ 30 ; 当地基特别坚硬, 使用地耐力很高或地基特别不均匀时, 其厚度适当加厚, 但最厚亦不超过r/ 15 。为了改善壳体的受力情况, 以加强其与环梁的连接, 在壳面与环梁相接的r/ 5 范围内壳面应加厚, 但其最大厚度不宜超过115δ。
    1.2.4 最小半径
    对于内倒球壳组合体, 宜取r/ R0 ≥0175 (R0 为环梁外径) , 但r/ R0 也不宜过大, 否则内壳向外的水平推力增加, 使内壳交接处出现环向拉力, 根据薄膜理论, r/ R0 ≤0165 。
    1.2.5 环梁
    环梁所起的主要作用: ①将上部荷载均匀地传至壳体上。②加强壳的边缘, 承担壳的水平推力。③锚固上部筒壁中伸入的钢筋。环梁的宽度一般取b = r/ 12～r/ 8 ,梁高应根据构造确定: 一般取h =(11 0～115) b 。从理论上讲, 以设计成正方形为最合适, 这时壳面上的径向弯矩为最小。
    1.2.6 埋置深度
    在寒冷地区, 为了保证不受冻张力的影响, 必须使壳面置于冰冻层以下。
    1.3 结构及配筋验算
    1.3.1 地基允许承载力验算
    地基的承载能力满足f max = qw + dh ≤ [ R ] (qw为上部荷载作用产生的基底压应力, d 为基础上部填土的平均容重, h 为基础的埋置深度, f max 为地基最大应力, [ R] 为地基容许应力) 。
    1.3.2 壳面配筋
    内倒球壳面所受的荷载为对称荷载, 在壳面倾角φ≤40°条件下, 壳面环向和径向均为受压, 因此,壳面径向和环向配筋按构造配筋, 且不小于最小配筋率012 % , 须双层配筋, 径向配筋为辐射状, 在靠近环梁长度3δ范围内配筋不小于环梁总环向钢筋量的10 %～18 %。
    1.3.3 环梁
    环梁承受壳面推力而受拉, 按薄膜理论, 环梁所承受的环向拉力为T = 1/ 2CRqnCtgφ [ qn 上部结构重,C = 1/ 2 (壳对环梁的水平推力+ 壳对环梁的干扰力) ,若假定环梁仅能转动而不能移动, 则C 值变化于0192～110 之间] 。因环梁的刚度较壳壁大, 实际的环向拉力比薄膜理论值大, 所以环梁的配筋应比理论值增加30 %。对于非预应力环梁, 其环向配筋的30 %应配于梁顶, 20 %置于梁底, 两侧各配25 %。
    2、施工要点
    内倒球壳基础要求具有较高的施工质量。首先,混凝土应有良好的密实度, 这对于壳体的抗裂能力、防浸蚀性能及持久强度具有很重要的意义。因此,混凝土的配合比、水灰比、坍落度、振捣以及养护等条件都应围绕混凝土强度这一中心环节而合理选择。
    2.1 挖土胎
    准确放线后, 开始挖土, 可采用机械挖至壳上部边缘标高后, 再根据中心桩二次放线, 放出壳底部尺寸, 继续挖土胎, 一层层剥土, 不使土胎原状土受扰动。土胎的施工偏差不超过10～15mm。挖好土胎后, 在土胎表面做细石混凝土垫层。
    2.2 绑扎钢筋和支模
    钢筋应按设计要求进行布设, 边梁和壳面环向钢筋接头采用焊接, 接头在环向分散开, 避免集中。壳面倾角小于30°时, 可不设模板, 以土胎为模。
    2.3 浇筑混凝土及养护
    倒球壳基础混凝土标号不低于200 号, 尽可能采用较小的水灰比。环梁与壳应连续浇注在一起,须分层浇注时, 施工缝应留插筋, 在二次浇筑前,接缝拉毛并清洗干净。浇筑过程中, 钢筋位置都必须严格控制, 保证设计位置, 避免扰动。浇筑完毕后, 立即加强养护, 避免收缩裂缝。
    3、结语
    倒球壳组合壳体是一种空心薄壁结构, 具有“空间作用”的特点。倒球壳、环梁和圆柱筒整体结构共同作用, 其刚度比平底板基础刚度大数十倍以上, 可以承受较大的荷载。其受力特点主要承受较为均匀的压力。因而, 能充分发挥混凝土的抗压作用, 具有节约材料、降低造价等优点。采用倒球壳基础代替平底板基础, 同等容量的钢筋混凝土水池,可节约混凝土20 %～30 %, 节约钢筋10 %～20 %。通过工程实际运用, 倒球壳基础是一种适宜不均匀沉陷和软弱地基的良好结构形式。