薄壁橋臺裂縫成因及處置研究

楊欽博，焦明東

（河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450015）

1 引言

橋梁運營過程中，橋臺尤其是薄壁橋臺出現裂縫是不可避免的。作為混凝土結構的常見病害，裂縫的出現是結構進一步破壞的基礎，也是內部鋼筋銹蝕的開始，裂縫的寬窄、深淺均會對橋梁結構的耐久性甚至承載能力造成影響[1，2]。裂縫的技術參數，如發生位置、走向、寬度、長度和深度以及裂縫的活動性，對結構耐久性和承載能力的影響也不盡相同。因此如何判斷橋臺裂縫的性質，并根據裂縫性質采取針對性的處理措施，可降低裂縫病害對混凝土結構的影響，也是保證橋梁正常安全服役的關鍵一環[3-5]。依托橋梁病害檢測數據，本文針對薄壁橋臺的裂縫進行統計分析，通過實際案例從受力、施工、設計和交通荷載方面分析了裂縫成因；根據裂縫成因對裂縫性質進行判斷，對結構裂縫和非結構裂縫進行針對性的加固處理。研究可為未來橋梁設計、施工、檢測和加固提供經驗。

2 薄壁橋臺常見裂縫統計分析

統計薄壁橋臺裂縫結果顯示，臺身豎向裂縫最為常見，橫向裂縫次之，斜裂縫在橋梁檢測中也有發現，但數量最少。

2.1 豎向裂縫

根據裂縫統計結果，薄壁橋臺豎向裂縫的分布位置及走向存在較大的規律性，多由臺身中下部位向底部和頂部延伸，但多數未延伸至承臺和臺帽（蓋梁）頂部，呈中間寬兩端窄的狀態，豎向裂縫常見分布形態如圖1所示。

圖1 薄壁橋臺豎向裂縫示意圖

裂縫寬度測量結果顯示，豎向裂縫寬度介于0.10mm～0.24mm 之間，極少數裂縫寬度可達到0.40mm。根據裂縫深度超聲波檢測結果顯示，在裂縫最寬處，裂縫深度為8.0mm～30.0mm，這說明豎向裂縫并未發展進入結構內部，但對結構耐久性有一定的影響。

2.2 橫向裂縫

根據薄壁橋臺裂縫檢測統計結果，橫向裂縫多出現于高橋臺臺身，多在橋臺1/3高度處，常見分布如圖2所示。

圖2 薄壁橋臺橫向裂縫示意圖

裂縫寬度測量結果顯示，橫向裂縫寬度多介于0.08mm～0.20mm 之間，極少數會達到0.30mm；根據橫向裂縫長度統計結果發現，橫向裂縫多數為非貫通裂縫，同時存在斷續分布的情況。

2.3 斜向不規則裂縫

斜裂縫在橋臺檢測中較少，多出現在橋臺或側墻部位，常見分布如圖3所示。

圖3 薄壁橋臺斜向不規則裂縫示意圖

裂縫寬度測量結果顯示，斜裂縫的寬度差異較大，最寬處可達2.0mm；根據裂縫深度超聲波檢測結果和現場燈光檢測結果顯示，部分裂縫為貫穿裂縫。根據斜裂縫發展狀況觀察結果，斜裂縫存在較大的發展空間，一旦出現則會迅速發展，對于橋臺的承載能力影響較大。

3 案例概述

為了分析薄壁橋臺在結構中的受力，以便更清晰的描述裂縫在橋臺中的相對位移，選擇某簡支梁橋為例進行分析。橋梁上部結構為預應力混凝土空心板，下部構造為單排多柱式墩和薄壁橋臺，薄壁臺身采用矩形截面，臺身高6.0m、寬22.0m、厚0.45m，橋臺結構尺寸如圖4所示。

圖4 橋臺結構側面圖（cm）

4 裂縫成因分析

4.1 橋臺受力分析

根據橋梁檢測數據統計分析，產生橫向裂縫的橋臺上部伸縮縫大多已擠死，造成橋臺的縱向水平位移受到約束，考慮到橋臺下部嵌固作用，橋臺受到上下兩個支點約束，臺身相當于彈性地基梁受力。薄壁橋臺橫橋向和縱橋向受力如圖5所示。

圖5 橋臺受力示意圖（cm）

根據道路交通荷載，考慮最不利荷載工況組合，即在臺后填土自重引起的土壓力及臺背有公路-I 級荷載作用，橋臺臺身彎矩分布如圖6所示。

圖6 橋臺臺身彎矩分布圖

根據圖6可知，臺身豎向最大彎矩發生在距承臺頂2.1m 處，即橋臺豎向1/3 處，這與橋臺檢測中的橫向水平裂縫分布位置較為吻合。

4.2 施工方面分析

4.2.1 材料

對于寬橋臺，在混凝土澆筑完成后，混凝土表面常因干縮產生表面裂縫，多為豎向，但長度方面并沒有一定的規律，有時也存在細短的橫向裂縫，與豎向裂縫一起構成網狀裂縫。

4.2.2 施工工藝

根據施工規范要求，輕型橋臺須在梁板吊裝完成后方能進行臺背填土作業，且大型振動壓路機不得靠近臺身位置。施工中為了加快工期，多在梁板吊裝之前就已經開始臺背填土作業，同時違規采用振動壓路機近臺身碾壓。上述不合規范的操作在一定程度上削弱了臺身抵抗能力，為臺身裂縫的產生留下隱患。

4.2.3 基礎處理不佳

橋臺發生變形多是由于基礎不均勻沉降造成的。橋臺不同部位基礎的不均勻沉降會引起橋臺不均勻受力，一旦超過混凝土抗拉承載能力則會形成斜向裂縫。

4.3 設計分析

4.3.1 橋臺選型設計

高等級公路尤其是高速公路橋梁橋臺選型設計，多選用耳墻式輕型橋臺并結合錐坡、圍墻和擋墻使用。在水平土壓力作用下，耳墻對臺身產生較大的扭矩，臺身越高、斜度越大，對于耳墻的縱向長度要求越大，進一步加大了臺身承擔的扭矩，造成橋臺更為復雜的應力作用。

4.3.2 地質因素考慮不充分

合理有效的橋臺臺身選型需要對橋位地質詳細勘察，尤其是地質條件比較復雜的地區。基礎地質條件分布在空間上會存在較大的差異，如果不能進行合理有效處理，則會因地基不均勻沉降引起橋臺臺身附加應力而產生裂縫。

4.3.3 其他方面原因

橋頭跳車是當前橋梁臺背填土處理的疑難問題。為了解決橋頭跳車問題，多在設計階段采用提高臺背填土密實度的方式進行預防處理；在臺后土填筑壓實過程中，提高臺后填土的密實度會造成臺后主動土壓力相對偏大，使得橋臺在施工階段就已經形成微裂縫，但多因寬度過小肉眼無法看出，在后期運營過程中裂縫擴展之后方能發現。

4.4 交通荷載影響

交通量的迅猛增長，使得原本能夠滿足剛度要求的橋臺無法滿足當前交通荷載的要求，常見臺身上部在主動土壓力的作用下向橋跨方向傾斜，在一定程度上造成橋臺背墻主梁頂死，相當于橋臺上部被單向彈性嵌制，而臺身下端嵌固于承臺，加上臺身本身剛度不足，只能產生側向變形，使得橋臺內側面產生超過混凝土抗拉強度的較大拉應力而形成裂縫，位置與橋臺臺身橫向裂縫位置相同。

5 橋臺裂縫處治方案分析

裂縫的產生和存在給水及空氣提供了入侵混凝土結構的途徑，并引起鋼筋銹蝕，嚴重會導致鋼筋屈服后結構出現干脆性破裂，因此，需要對橋臺裂縫進行處治。關于橋臺裂縫的處治，除非對裂縫的發生原因有確切的了解，否則不可貿然進行裂縫處治。需要先針對裂縫性質進行判斷，然后根據裂縫性質采取針對性的處治方法。

5.1 裂縫性質判斷

從概念上講，結構裂縫為結構受到外力作用而產生的裂縫，多由靜載、活載或二者耦合作用產生；非結構裂縫為結構因變形產生的裂縫。鑒于裂縫對結構承載性能或耐久性造成較大的影響，在對結構裂縫進行加固處治之前，需要針對常見裂縫進行性質判斷。

5.1.1 豎向裂縫

由于橋臺本身在橫向上屬于大體積混凝土，容易受到混凝土品質的影響，其中水泥品種、水灰比大小、粗細骨料配比、養護環境溫度等條件均會對混凝土的收縮徐變造成較大影響。另外，由于橋臺橫向尺寸較大，單幅長度可達到20m，盡管施工時已根據計算預留了沉降縫，但是由于地基不均勻沉降對于橋臺產生次應力，在施工期或梁板吊裝期間均會因次應力產生豎向裂縫，據此可判定此類穩定無惡化發展的豎向裂縫為非結構裂縫，對橋臺結構承載能力影響不大，但對結構耐久性影響較大。

5.1.2 橫向裂縫

根據橋臺受力分析，橋臺以豎向受彎為主，橋臺頂面、底面均為受力最不利位置。橫向裂縫對橋臺結構的承載性能影響較大，危害性強，尤其貫通裂縫極易引起混凝土的脆性開裂，若鋼筋長期處于屈服應力狀態，則會大大降低結構使用年限，應給予充分重視。在橋梁服役過程中，對于活躍裂縫進行及時監測，根據裂縫發展和嚴重程度及時作出維護和補強對策。綜上所述，橋臺橫向裂縫為結構裂縫，是橋臺裂縫中較為嚴重的病害。

5.1.3 斜裂縫

斜裂縫多是因為橋臺基礎承受的水平靜土壓力發生動態變化或土壤液化引起地基變形，致使橋臺向橋梁方向發生傾斜扭轉，形成剪切受力裂縫。由于剪切破壞屬于脆性破壞，其劣化程度高于水平裂縫，對橋臺結構的安全影響更大，是橋臺裂縫中最為嚴重的病害，因此對于寬度超過0.2mm 的斜裂縫應給予足夠的重視。

5.2 裂縫處治方法的選擇

對于橋臺臺身裂縫而言，橫向裂縫、斜裂縫均屬于結構裂縫，豎向裂縫則屬于非結構裂縫。根據橋臺裂縫統計發現，20%的裂縫為結構裂縫，其余80%的裂縫為非結構裂縫，這也與橋臺檢測結果統計中豎向裂縫出現的概率多于橫向裂縫和斜裂縫的結果是相吻合的。為了最大限度降低裂縫對橋臺結構承載能力和耐久性的影響，對于橋臺裂縫需要進行針對性的處治。

5.2.1 非結構裂縫

非結構裂縫是由溫度變化、混凝土收縮、地基不均勻沉降等非荷載因素引起的變形。雖然混凝土結構在一定條件下允許帶縫工作，但對于裂縫寬度具有一定的限制。考慮到裂縫的存在對于結構耐久性造成一定影響，因此根據裂縫寬度的不同，非結構裂縫分為超限裂縫和非超限裂縫，處置方案如下。

①非超限裂縫。

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）7.3.4，有筋橋臺臺身在無侵蝕性影響的環境下，最大裂縫寬度限值為0.25mm。對于非超限豎向裂縫，如果裂縫長度、寬度比較穩定，則可以采取涂膜封閉法封閉處理。

表面涂膜。對于非超限裂縫，在裂縫處涂抹環氧樹脂掩護膜，在裂縫存在發展趨勢時，可采用具有跟蹤性的焦油環氧樹脂材料，對于裂縫密集或混凝土老化、砂漿離析嚴重的結構物，可在清理表層混凝土后涂抹掩護膜。

表面噴漿。對于結構混凝土老化、裂縫較多的裂縫表面，可采用噴漿處理的方式，在鑿毛洗凈裂縫表面后，噴射一層高強度水泥砂漿。涂膜封閉法施工示意圖如圖7所示。

圖7 涂膜封閉法示意圖

②超限裂縫。

對于表層裂縫而言，裂縫表層寬度較內部寬，考慮到保護層對于內部鋼筋的防護作用，只有在裂縫寬度大于0.3mm 時才會考慮使用灌注方法修補。對于超限裂縫，可根據裂縫性質和橋臺服役環境采用灌漿法或開槽填補法進行處理。

灌漿法。對于非結構裂縫中的超限裂縫，可考慮灌漿法處理。首先將裂縫與外界進行隔離封閉，僅保留進出漿口和排氣孔，然后通過壓漿泵以一定壓力將漿液壓入縫隙內并使其擴散，膠凝固化，能夠在一定程度上恢復結構的整體性、強度、耐久性及抗滲性，灌注漿液示意圖如圖8所示。

圖8 灌漿法封閉裂縫示意圖

開槽填補法。針對數量少、寬度大的裂縫，多采用開槽填補法處理。首先沿裂縫鑿出一條深槽，然后根據裂縫位置和修補材料確定槽型，最后在槽內嵌補粘結材料。施工示意圖如圖9所示。

圖9 開槽填補法封閉裂縫示意圖

5.2.2 結構裂縫

結構裂縫，即由于結構抗力不足，作為破壞預兆標志而存在安全隱患的裂縫。對于結構裂縫的加固處理，應區分發展性裂縫和穩定性裂縫，并采取針對性的處理措施。

①穩定性裂縫。

對于結構裂縫，如橫向裂縫或斜向裂縫，在寬度小于0.20mm 且一年內能夠達到穩定的情況下，則采取灌注化學漿液的方法處理。

②發展性裂縫。

對于結構裂縫，如果裂縫寬度繼續發展，則表明橋臺臺后土壓力或基礎沉降依然在發展，對橋臺變形的影響仍然存在，應首先進行臺后卸載再進行裂縫處治。對寬度接近0.3mm 的裂縫宜進行裂縫深度的超聲法檢測，若裂縫深度到達1/3 臺身厚度，則應進行臺身加固以增強臺身整體受力性能和補強鋼筋因屈服減弱的應力。橋臺加固，則需要根據非結構裂縫的封閉處理方法處理，然后考慮采用鋼板或復合材料進行補強，具體封閉補強示意圖如圖10所示。

圖10 結構裂縫封閉補強示意圖

6 結語

作為混凝土結構常見病害，裂縫對于混凝土結構的承載性能和耐久性影響較大。文中依托工程檢測經驗對橋臺常見裂縫進行了統計，詳細研究了薄壁橋臺裂縫的原因以及裂縫對薄壁橋臺結構的影響，并針對性的提出處治方案，對未來橋臺裂縫性質的判斷、分析和處治提供一定的工程參考，對未來薄壁橋臺的設計提供工程實際反饋。由于數據樣本的限制，本文未能對全部薄壁橋臺現狀進行統計分析，期望今后擴大樣本考量，針對薄壁橋臺裂縫進行更加系統的研究。