暗渠墻體混凝土早期裂縫及應變現場監測研究

榮世光 金秀梅

（中鐵十九局集團礦業投資有限公司1） 遼寧遼陽 111000) 石家莊鐵路職業技術學院2） 河北石家莊 050041）

暗渠墻體混凝土早期裂縫及應變現場監測研究

榮世光1）金秀梅2）

（中鐵十九局集團礦業投資有限公司1）遼寧遼陽 111000) 石家莊鐵路職業技術學院2）河北石家莊 050041）

混凝土早期裂縫是國內外工程界多年關注的重點，也是至今未能有效解決的難題，這根源于其影響因素的復雜性和具體情況的多樣性。對一暗渠工程的墻體早期裂縫特征進行總結，分析其產生根源，揭示導致墻體裂縫的主要控制應力。現場測試給出對應溫度發展過程的墻體厚度和高度方向的應變分布和變化規律，為同類工程早期裂縫問題的分析和理解提供有益參考，也為預防和控制混凝土早期裂縫的產生提供有力依據。

墻體 早期裂縫 溫度 應變

早期裂縫問題在國內外的工程中都相當普遍。自上世紀90年代以來，這一問題越來越受到人們的關注，國內外學者圍繞這一問題展開了大量的學術研究與工程實踐[1～4]，混凝土的早期裂縫至今仍未得到很好的控制。

南水北調工程是迄今為止世界上最大的水利工程，是優化我國水資源配置的重大戰略性基礎設施。暗渠是南水北調工程中的一種重要結構形式，其混凝土澆筑質量是影響整個工程安全的關鍵。在南水北調中線一期工程的華柴暗渠墻體施工過程中出現了早期裂縫，針對此問題，對裂縫的出現規律和特征進行了統計，并采用振弦式應變傳感器，對澆筑過程中混凝土的溫度和應變進行了現場監測。

通過對澆筑期溫度和應變現場測試結果的分析，指出了裂縫產生、分布位置和規律的根源，針對施工過程的應變發展和分布規律的切實研究結論，為同類工程早期裂縫問題的分析和理解提供了重要參考。

1 工程概況

本工程中的暗渠渠身為三孔一聯的鋼筋混凝土箱形結構，如圖1所示，單孔尺寸8.0×9.8 m（寬×高）。墻體與頂板、底板接合處倒角為50 cm×50 cm。底板和邊墻混凝土厚度為1.3 m，頂板和中墻厚度為1.2 m。

暗渠混凝土澆筑分三次進行，第一次底板澆筑至底板倒角上方20 cm，第二次澆筑墻身6.8 m，第三次澆筑剩余墻身和頂板。其中，底板和頂板澆筑采用臺階法從一側邊墻向另外一側邊墻澆筑，墻身采用平鋪法分層澆筑，澆筑厚度為30～50 cm。

圖1 暗渠渠身一管節整體結構示意圖

2 暗渠墻體的裂縫特征及根源研究

對于大體積混凝土施工階段來講，裂縫主要是由于混凝土溫度劇烈變化產生變形受到混凝土內部和外部約束影響，產生較大應力而引起的。由于混凝土的抗壓性能優于抗拉性能，所以在受壓時一般不會出現裂縫，而在受拉時，當拉應力大于混凝土的抗拉強度時，就會在混凝土中出現裂縫。

2.1 墻體裂縫表現特征及規律

本工程中的暗渠在施工過程中出現了裂縫問題，經統計分析和總結得其主要特征如下：裂縫主要集中在邊墻和中墻，底板和頂板可觀測范圍內基本沒有發現肉眼可見的裂縫。所發現裂縫均從底板與墻體施工縫開始豎直向上發展，所有墻體裂縫均為豎向裂縫。

裂縫長度一般在2～3 m，最大裂縫長度為5.5 m，最小裂縫長度為0.3 m。

裂縫寬度一般在0.1 mm～0.3 mm之間，個別裂縫寬度＞0.3 mm。

裂縫一般在混凝土澆筑完后7 d～15 d發生，剛發生時，裂縫寬度比較小，一般＜0.1 mm。裂縫發生之后的1～3月內穩定，裂縫的長度和寬度不再發展。

2.2 裂縫產生根源研究

圖2 暗渠墻體三維脹縮情況示意圖

在本工程中，底板、頂板均無裂縫出現，裂縫主要出現在暗渠的墻身。如圖2所示，澆筑過程中由于溫度變化，墻身混凝土會產生熱脹冷縮。由于澆筑墻體時上端是自由的，因此墻身在高度方向（z）的脹縮不受限制；但由于在澆筑墻身時，底板已經澆筑成型，因此墻身（特別是其根部）在厚度方向（y）和長度方向（x）的脹縮必將受到底板的約束。墻厚度方向的脹縮量絕對值相對較小；長度方向脹縮量的絕對值較大，又因其脹縮受到底板的限制，因此裂縫主要出現在墻體兩側，且為豎向裂縫。

暗渠墻體是在已澆筑完成的底板上進行現澆的，墻體長度（x）方向上的脹縮受約束作用將產生水平方向的應力，水平應力是設計主要控制應力，是經常引起垂直裂縫的主要應力，其最大值在長度方向的中點處[5]。

如圖3所示，當墻體中部的水平應力超過抗拉強度的時候，在長墻中部會出現第一道裂縫，長墻由一塊變為兩塊，同時應力重新分布。每塊又有自己的水平應力分布，其圖形完全相似，但其最大值由于長度減少了一半而減少。如果該值仍然超過抗拉強度，形成第二批裂縫，每塊再分成兩塊，如此繼續下去一直到最后那塊墻板中部最大水平應力小于或等于抗拉強度，裂縫便穩定，不再增加。

因此，此類結構物的裂縫一般遵循有序性理論，“一再從中部開裂”是比較有規律的，裂縫實際情況也基本如此，只是由于混凝土抗拉強度不均勻，而使裂縫部位有時稍偏離中部。

圖3 墻體逐次開裂過程及應力重分布情況

3 暗渠墻體混凝土澆筑應變的現場測試

出現裂縫問題后，采取了在墻體心部布設冷卻水管、保濕養護、延長拆模時間等一系列措施。并在工程施工過程中埋入傳感器進行現場溫度和應變測試，以研究墻體混凝土的裂縫產生原因和影響因素。

3.1 墻體厚度方向應變情況

澆筑過程中，在左邊墻的墻體厚度中心和邊緣位置埋入振弦式應變傳感器對混凝土的應變進行測試。為分析與溫度發展的對應過程，在每個應變傳感器上同時附帶測溫元件進行溫度測量。

監測得墻體心部和邊緣的溫度發展變化如圖4所示。可見：① 沿墻厚度方向，位于邊緣的傳感器測得溫度在降溫階段曲線波動稍大，這是因為其離墻外表面較近，受環境溫度的變化影響較大。②墻體心部受環境溫度變化的影響很小，其峰值溫度明顯高于邊緣，在澆筑后35h左右達到峰值溫度，且保持了約13 h。

圖4 墻體厚度方向心部和邊緣處溫度變化曲線

墻體心部和邊緣位置的應變—時間變化曲線如圖5所示，由圖5可得：

①在升溫階段，混凝土初凝后，由于內、外約束的作用，墻體心部和邊緣處都是受壓的，隨著溫度升高，壓應變開始顯著增加，（對應圖4中）溫度達到峰值時，壓應變達到最大。墻體心部所受到的壓應變明顯大于邊緣的壓應變。

圖5 墻體厚度方向心部和邊緣處應變變化曲線

②當溫度達到峰值不再上升后，心部和邊緣的壓應變都開始逐漸減小，邊緣位置在大約70h（3d）左右首先轉變為受拉狀態，心部位置在大約114 h（4.8 d）后變為受拉狀態。

③在轉為受拉狀態后，各傳感器的數據變化逐漸減小，205 h（8.5 d）后兩條曲線基本都處于平直趨勢，且心部拉應變開始超過邊緣的拉應變。

3.2 墻體高度方向應變情況

為研究沿墻體高度方向的應變分布情況，在墻體心部不同高度布置了應變傳感器。位置最低的傳感器在距與底板接縫0.1m高度處，其上各傳感器間隔1m。圖6給出了墻體心部距接縫不同高度處的應變測量結果，由圖6可見：

圖6 墻體心部不同高度處應變變化曲線

①距與底板接縫處0.1 m位置最先轉為受拉狀態（53.3 h，約2.2 d），1.1 m處在第85.4 h（大約3.7 d）轉為受拉，而2.1 m和3.1 m處轉為受拉的時間沒有明顯區別（大約5 d）。

② 較低位置不僅拉應變出現時間早，而且其數值也一直高于較高位置處的拉應變。測試結果說明在高度方向上，距與底板接縫最近的墻體中心是拉應力出現最早的位置，而且其數值也是最高的，反映了其受底板約束影響最強。這與實際觀察到的墻體裂縫從接縫位置開始產生的現象是一致。隨著高度的增加，拉應力出現時間依次延后，在2 m高度以上，底板約束的影響已經很小。

4 結語

通過對暗渠墻體澆筑過程進行溫度和應變現場監測，并結合理論分析，得出以下主要結論：

（1）暗渠墻身為典型的長墻結構，混凝土底板上的長墻結構是裂縫的高發部位，底板對墻體縱向（長度方向）脹縮的約束應力超過混凝土強度是裂縫的出現主因。

（2）指出了沿墻體長度方向的水平應力是導致墻體產生垂直裂縫的主要控制應力。并分析了裂縫產生的位置及其有序性，這與現場裂縫出現規律是非常一致的。

（3）墻體內各測點的應變都是按先受壓，再逐漸轉為受拉的規律變化。沿厚度方向，墻體表面（邊緣）拉應力較墻體心部出現早、數值大，大約9 d后心部受拉程度超過表面。

（4）由于底板的約束限制，混凝土早期溫度應力的最大值并不是出現在溫度最高的中心，而是在墻體的底部。較低位置處最先轉為受拉，且數值最大，2 m高度以上應變差別不大，受底板約束影響較小。

[1]梁志林,簡宜端.三峽三期工程大壩混凝土內部溫度監測淺析[J].葛洲壩集團科技, 2005,(4):38～40

[2]G. De Schutter, M. Vuylsteke. Minimisation of early age thermal cracking in a J-shaped non-reinforced massive concrete quay wall [J]. Engineering Structures, 2004,26: 801～808

[3]E. Holt, M. Leivo. Cracking risks associated with early age shrinkage [J]. Cement &Concrete Composites, 2004, 26: 521～530

[4]丁寶瑛,王國秉,黃淑萍等.國內混凝土壩裂縫成因綜述與防止措施[J].水利水電技術, 1994, (4):12～18

[5]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社, 2007

Field Monitoring of the Early Cracks of the Concrete on the Underdrain Walls

RONG Shi-guang1)JIN Xiu-mei2)
(China Railway 19th Bureau Group Mining Co., Ltd.1)Beijing 100161 Shijiazhuang Institute of Railway Technology2)Shijiazhuang Hebei 050041 China)

The characteristics and causes of the early cracks of the concrete on a underdrain wall are summarized. The field tests indicated the strain distribution and laws of variation of the wall thickness and height direction under different temperatures, which can provide important references for tackling the early cracking problems of concrete in similar projects.

wall early crack temperature strain

A

1673-1816(2014)04-0017-05

2014-10-14

榮世光（1982-），男，遼寧遼陽人，學士，工程師，研究方向鐵路、礦山、水利工程等大型土木工程施工及檢測技術研究。