地下通道箱涵墻裂縫原因分析

李凌居 西安市第二市政工程公司

地下通道箱涵墻裂縫原因分析

李凌居 西安市第二市政工程公司

一、工程概述。

西大街地下通道工程位于西安市西大街灑金橋處，該通道施工時(shí)要求不影響西大街車輛正常行駛，箱涵長20.755米，寬6.0米，高3.0米。對(duì)緩解西大街行人通行有比較大作用。通道位于斷面尺寸為凈寬×凈高＝6.0×3.0米的箱涵。底板厚0.4米，頂板厚0.4米，墻厚0.4米，兩液角尺寸為0.4×0.4米。

施工順序是：先澆筑底板和部分側(cè)墻，因?yàn)榭紤]防滲砼，墻趾頂部設(shè)置凹槽，二次澆筑側(cè)墻前進(jìn)行了鑿毛處理。2001年10月27日開始澆筑剩余側(cè)墻和頂板，砼采用外加10.5%的UEA膨脹水泥，強(qiáng)度等級(jí)C35，采用泵送混凝土，砼坍落度控制在10～20厘米之間，澆筑完后僅對(duì)頂板采用塑料膜覆蓋，灑水養(yǎng)護(hù)7d，側(cè)墻配筋率0.84%。10月29日拆除外模并作防水層，11月11日拆內(nèi)模，內(nèi)外模均采用定型鋼模板。11月11日之前未發(fā)現(xiàn)墻體砼開裂。2002年1月24日(距澆筑日期90d)，由首先發(fā)現(xiàn)側(cè)墻裂縫，隨即施工單位對(duì)裂縫進(jìn)行了檢查。裂縫情況如下：

A縫長2.85米，上下窄中部寬約0.4毫米，上部至頂板液角中部尖。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理同意鑿開，裂縫深度5～6毫米，距終端水平長9.85米。B縫寬0.2毫米，兩端細(xì)，距左終端弧線長 6.0米。

二、通道砼體產(chǎn)生裂縫原因分析

（1）定性分析

通道側(cè)墻二次澆筑由于凹槽及二次鑿毛處理，使新舊砼之間形成較強(qiáng)的外部約束。溫度應(yīng)力問題將約束分成兩種形式，即外約束和內(nèi)約束，外部約束為地基基礎(chǔ)對(duì)墻體的約束；內(nèi)部約束由于截面各點(diǎn)溫度和收縮不同，收縮與非收縮之間形成內(nèi)約束。內(nèi)外約束在物體發(fā)生變形時(shí)均可引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力。對(duì)一般構(gòu)筑物工程而言，由于厚度尺寸均不很大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布呈均勻分布。當(dāng)受到外部氣溫驟降或均勻降時(shí)，均可引起結(jié)構(gòu)形成表面（驟降）或深層（均勻降）性裂縫。集中反映在本工程二次澆筑砼后，由于溫降即砼平均溫度與大氣溫度之差，使砼產(chǎn)生收縮，但在基礎(chǔ)部分受到老砼的約束，對(duì)墻體產(chǎn)生了阻止收縮的反力，墻體便產(chǎn)生了拉力。

可以這樣考慮，通道側(cè)墻應(yīng)力計(jì)算采用下式[1]：

E——砼28d的彈性量3.15×104N／m m2。

α——砼線脹系數(shù)取1×l0-5

T——溫差。T=TY+T0

L——墻體長度。

β——系數(shù)。

Cx稱地基水平阻力系數(shù)，量鋼kg／cm3取6 0，H為墻高。應(yīng)力負(fù)號(hào)表示受壓，正號(hào)表示受拉。該式坐標(biāo)取墻長的中點(diǎn)，應(yīng)力大小與溫差、墻體長度及位置等情況有關(guān)，當(dāng)x=0即位于墻體中點(diǎn)時(shí)，雙曲函數(shù)c h β x=ch0=1有極小值，因此σx便有極大值。其他位置情況的應(yīng)力，均比跨中小。

本工程L=20.755米，跨中L／2=10.39米，裂縫A發(fā)生在距右端9.85米處，與跨中10.39米只差0.54米，相對(duì)位置誤差只有5.20%，由于中點(diǎn)應(yīng)力最大，所以首先產(chǎn)生A裂縫，由于A縫產(chǎn)生，應(yīng)力得到調(diào)解，在A縫與左端部之間尚有10.925米間距，其中點(diǎn)5.46米，而B縫位于其中點(diǎn)附近，其誤差為6.0-5.46=0.54米，相對(duì)位置誤差9.9%，此點(diǎn)仍有較大拉應(yīng)力，因此B縫隨后形成。水平應(yīng)力σx超過砼抗拉強(qiáng)度時(shí)，在中部出現(xiàn)第一條裂縫，一側(cè)墻分成兩塊，每側(cè)墻又有自己的水平應(yīng)力，但其最大值由于長度的減少而減少，如果該值仍然超過砼抗拉強(qiáng)度時(shí)，形成第二批裂縫，B縫就是第二批裂縫，從裂縫長度與寬度分析，均比A縫為小，說明水平應(yīng)力σx比A點(diǎn)小，這便是長墻由于溫度引起垂直開裂的有序性。另外，B點(diǎn)又位于變截面處，此處由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，一般容易產(chǎn)生溫度裂縫。

（2）定量分析

在計(jì)算溫降T時(shí)，應(yīng)考慮砼的收縮當(dāng)量溫差Ty，與砼的溫降差T0，即T=TY+T0。

當(dāng)t=30d時(shí)

溫差T0為砼平均最高溫度與大氣平均最低溫度差，由于缺少實(shí)測溫度資料，在無實(shí)測資料情況下，由下式?jīng)Q定。

砼蓄熱養(yǎng)護(hù)至任一時(shí)刻t的平均溫度T m：[2]

t——砼蓄熱養(yǎng)護(hù)開始任一時(shí)刻的時(shí)間（h ）；

Tma——砼蓄熱養(yǎng)護(hù)開始至任一時(shí)刻t的平均氣溫（℃）；

Vce——水泥水化速度系數(shù)(h-1)，在不考慮外加劑情況下取0.013；

φθη——綜合系數(shù)，其表達(dá)式如下:

Cce——水泥累積最終放熱量(K J／kg)，白鹿水泥P032.5R取330KJ／kg；

mce——每立方米砼水泥用量(k g／m3)，本工程采用配比380kg／m3及40kg／m3UEA膨脹水泥，因UEA膨長水泥含有30%SO，成份，故兩者℃值不同，不考慮UEA的用量，取 =380kg／m3時(shí)，計(jì)算出的平均溫度理論值偏低，對(duì)計(jì)算更偏于安全，有利于說明問題。

ω——通風(fēng)系數(shù)，施工期取小風(fēng)，ω=2.0；

ψ——結(jié)構(gòu)表面系數(shù)(m-1)，對(duì)于墻體，Ac(砼結(jié)構(gòu)表面面積)=115.45m2。V（砼結(jié)構(gòu)總體積）=31.57m3

K——圍護(hù)層總傳熱系數(shù)(KJ／m2.h.k)，本工程采用鋼模板，10月27日澆筑，2010月29月拆外模。11月11日拆內(nèi)模／m2.h.k；按裸露無保溫計(jì)。

Pc——砼密度取2400kg／m3；

Cc——砼比熱容(KJ／kg.K)， 一般取Cc =0.94，參照《水工砼溫控與防裂》一書[4]，可采用加權(quán)法求解。

水、普通水泥、石英砂、石灰?guī)r、粉煤灰在21oC時(shí)的比熱分別是4.1868、0.4564、0.6992、0.7494、0.92；五種料的重量比分別為7.1%、17.2%、27.45%、44.87%、3.28%；則Cc =4.1868×0.071+0.4564×0.1762+0.6992×0.2745+0.749×0.4487+0.92×0.0328=0.93與推薦值相近。

②對(duì)于那些建成年的建筑區(qū)來說，居民人數(shù)和居民用電負(fù)荷都沒有達(dá)到飽和，我們將其稱為半飽和狀態(tài)，其負(fù)荷有很大的增長空間，進(jìn)行預(yù)測時(shí)要根據(jù)城市用電的飽和系數(shù)進(jìn)行；

T3——砼成型完成時(shí)溫度，當(dāng)天氣溫17.4℃。

從10月27日砼澆筑至11月25日發(fā)生連續(xù)氣溫驟降的平均溫度Tma。如表1。

根據(jù)公式[2]計(jì)算得出：T10,27=19.26℃，同樣得出T10,28=17.66℃，……，T11,27=9.27oC,見表2。

計(jì)算10月27日人模時(shí)砼平均溫度。如此計(jì)算至11月27日，結(jié)果如下：繪畫10月27日澆筑砼至11月25日氣溫開始驟降時(shí)間的砼平均溫度曲線如下：

以上分析，主要是由于外部約束，即側(cè)墻地基阻力Cx對(duì)側(cè)墻產(chǎn)生的拉應(yīng)力使墻面開裂。

內(nèi)部約束致使砼開裂的事件也常會(huì)發(fā)生，當(dāng)暴露在空氣中的側(cè)墻遇到氣溫驟降襲擊時(shí)，如11月25日～11月27日發(fā)生了三天氣溫驟降，日平均氣溫從11月24日的10.6℃，降止11月27日日平均氣溫1.2℃（見上溫度曲線），降溫9.4 ℃，而此時(shí)砼側(cè)墻的平均溫度Tm=9.27 ℃，砼內(nèi)部溫度比氣溫高8.07 oC，內(nèi)部較熱的砼約束了表面劇冷砼的自由收縮變形，由于時(shí)間短，加荷速度快(注：加荷速度與徐變有關(guān)，此時(shí)不能再用上述的應(yīng)力松弛系數(shù))，砼徐變性能不能發(fā)揮，約束強(qiáng)度接近100%，當(dāng)拉應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度時(shí)，即出現(xiàn)表面裂縫。

以T0表示氣溫驟降幅度，在約束程度接近100%情況下，墻體實(shí)際發(fā)生的拉應(yīng)力為,μ取1/6, T0=10.6o-1.2o=9.4 ℃，則σx=3.55N／mm2＞ft=1.43 N／mm2（其中ft為C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值），很明顯引起側(cè)墻表面開裂。砼均勻溫降（第一種情況）及大氣氣溫驟降（第二種情況），均可引起側(cè)墻開裂。

三、關(guān)于箱涵補(bǔ)償砼因素考慮

本工程采用了補(bǔ)償收縮砼，當(dāng)普通水泥外加8%～12%不等的UEA膨脹水泥后，經(jīng)過14d的潮濕養(yǎng)護(hù)，其限制膨脹率ε=0.03%～0.05%是可以達(dá)到的。在定量分析中計(jì)算了砼的收縮量εY=0.33×10-4，ε-εY=0.027%，這就是說采用了補(bǔ)償收縮砼后，其膨脹量是足以抵消其收縮量的，在量上相差了一個(gè)數(shù)量級(jí)，砼不會(huì)發(fā)生收縮，或收縮量大大減少，但為什么采用此措施后砼仍然開裂?原因是要達(dá)到補(bǔ)償收縮砼的限制膨脹率平均在0.4‰，一個(gè)首要條件是14d的潮濕養(yǎng)護(hù)，由于側(cè)墻垂直，11月11日拆內(nèi)模時(shí)已歷時(shí)15d，無法潮濕養(yǎng)護(hù)，其限制膨脹率達(dá)到否，不可而知。U E A膨脹水泥在不加濕養(yǎng)護(hù)條件下是不會(huì)發(fā)生膨脹的。國家標(biāo)準(zhǔn)要求，空氣中養(yǎng)生28d的試件，限制膨脹率不小于-0.02%亦算合格，這就是說膨脹水泥在干燥情況下，不但不膨脹，反而有允許0.02%的收縮量。因此，在未潮濕養(yǎng)護(hù)條件下，其補(bǔ)償收縮的意義沒有實(shí)現(xiàn)，在計(jì)算收縮量εY時(shí)，不考慮UEA的膨脹作用是正確的。

表1

表2

四、結(jié)論

西大街地下通道側(cè)墻裂縫是溫度應(yīng)力引起的，首先由于11月25日～11月27日的氣溫驟降，使墻體表面發(fā)生開裂；在隨后的時(shí)間內(nèi)，由于氣候持續(xù)下降，因外部約束的存在在砼溫度均勻下降時(shí)，沿表面裂縫繼續(xù)開裂，并呈現(xiàn)有序性開裂。由于溫度裂縫一般不影響工程結(jié)構(gòu)的安全，而此裂縫又是淺表性裂縫，也不影響砼的抗?jié)B性能。

為了防止裂縫，本工程減輕溫度應(yīng)力主要可以從控制溫度著手采取措施：

（1）采用改善骨料級(jí)配，用干硬性混凝土，摻混合料，加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量；

（2）拌和混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度；

（3）在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫；

（4）規(guī)定合理的拆模時(shí)間，氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度；

（5）施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在寒冷季節(jié)采取保溫措施；

此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫是十分重要，應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫，出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的，因此施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

[1] 王鐵夢.建筑物的裂縫控制.1985年

[2] 砼結(jié)構(gòu)施工及驗(yàn)收規(guī)范.GB50204－2002

[3] 朱伯芳.水木結(jié)構(gòu)與固體力學(xué)論文集.1988年,第一版

[4] 龔召熊.水工砼的溫度與防裂.1999年5月

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.14.028