软基地带公路建设中箱涵（通）侧壁裂缝原因分析及防治措施

2010-04-04李海涛肖斌旺

城市道桥与防洪 2010年1期

李海涛，肖斌旺

（浙江大成建设集团有限公司，浙江杭州310012）

1 工程背景

浙江省某高速公路工程处杭嘉湖平原，全线地形平坦，设计为100 km/h的双向四车道高速公路标准，路线全长8.7 km，路基宽为26 m。工程沿途经过多处河流、鱼塘、暗浜等。地质情况为：表层填土约0.5 m，其下是亚砂土层厚约23 m。亚砂土砂性较重，具有一定的渗水性，又具有一定的粘性。本路段地基地下水位接近地表，致使亚砂土含水量很大，强度很低，经实测地基承载力（地表1m以下）仅达到 60～70kPa。其中 K6+400～K9+827段共有箱涵（通）5道，箱涵尺寸为4 m×3 m或4 m×3.5 m，侧壁厚为32 cm或34 cm，混凝土标号为C30，为常见薄壁结构。

2 箱涵侧壁裂缝成因分析

根据以往类似地质条件下工程经验，箱涵（通）在混凝土成形后，在侧壁通常产生裂缝，一般是左、右幅箱体的中部(L/2)侧壁上，形态为竖直裂缝，缝宽约为1 mm，这给结构物的外观质量造成了较大程度的影响。总结以往的经验，箱涵侧壁产生裂缝的因素主要有以下几种：

（1）混凝土收缩引起的裂缝。

在工程施工过程中，混凝土收缩引起的裂缝是最常见的。其中塑性收缩和缩水收缩（干缩）是造成混凝土收缩的主要原因。

塑性收缩发生在施工过程中。在混凝土浇筑4～5 h左右时，水泥的水化热反应激烈，分之链逐渐形成，出现泌水和急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉，因此时混凝土尚未硬化，称为塑性收缩。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。

缩水收缩（干缩）是在混凝土硬结后，随着表层水份逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减少的过程。因混凝土表层水份损失快，内部水份损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土和钢筋的约束，造成表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受的拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。

影响混凝土收缩变形的主要因素有：

a.水泥用量、细度及品种：水泥用量越多，干缩越大。水泥的细度越大，混凝土的用水量越多，干缩越大。使用火山质硅酸盐水泥时，混凝土干缩较大；而使用粉煤灰硅酸盐水泥时，混凝土干缩较小。

b.骨料规格与质量：骨料的粒径越大、级配越好，则水泥与水的用量越少，混凝土的干缩越小。骨料中的含泥量及泥块含量越少，则水泥与水的用量越少，混凝土的干缩越小。针、片状骨料含量越少，混凝土的干缩越小。

c.水灰比：水灰比越大，混凝土内毛细孔隙率越多，混凝土的干缩越大。一般用水量每增加1%，混凝土的干缩率增加2%～3%。

d.养护条件：养护时保持湿度越高、养护时间越长，则有利于推迟混凝土干缩的产生与发展，可避免产生早期干缩裂缝。

e.振捣方式：机械振捣方式比手工捣固方式混凝土收缩性要小。振捣时间应根据机械性能决定，一般以5～15 s/次为宜。时间太短，振捣不密实，形成混凝土强度不足或不均匀；时间太长，造成分层，粗骨料沉入底层，细骨料留在上层，强度不均匀，上层易发生收缩裂缝。

（2）地基基础不均匀沉降引起的裂缝。

由于地基基础不均匀沉降，使结构中产生附加应力，超出结构的抗拉能力，造成结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有：

a.地基地质差异太大，或者在相同的地质条件下地基处理后处理结果不理想；这样造成地基的承载能力有较大的差异，在荷载的作用下地基不同的压缩产生不均匀沉降。

b.结构荷载差异太大。在地质情况比较一致的条件下，各部分基础荷载差异太大时，有可能引起不均匀沉降。在施工过程中主要表现在路面还未施工时，在各个箱涵节段上重载车辆行驶的频率差异较大，引起各部分基础荷载差异和在涵背回填时压路机振动对涵体产生的荷载。

（3）温度变化引起的裂缝。

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。根据本工程的实际情况，在施工过程中引起温度变化主要因素有：

a.施工过程中的天气变化：突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。

b.水化热：混凝土浇筑之后由于水泥水化放热，致使内部温度高，内外温差大，致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，减少骨料入模温度，降低内外温差，或采用薄层连续浇筑。

（4）施工材料质量引起的裂缝。

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水组成。配置混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。

a.水泥

水泥安定性不合格，水泥中游离的氧化钙含量超标。氧化钙在凝结过程中水化很慢，在水泥混凝土凝结后仍然继续起水化作用，可破坏已硬化的水泥石，使混凝土抗拉强度下降。

水泥出厂时强度不足，水泥受潮或过期，可能使混凝土强度不足，从而导致混凝土开裂。

当水泥含碱量较高（例如超过0.6%），同时又使用含有碱活性的骨料，可能导致碱骨料反应。

b.砂、石骨料

砂石的粒径、级配、杂质含量。

砂石粒径太小、级配不良、空隙率大，将导致水泥和拌和水用量加大，影响混凝土的强度，使混凝土收缩加大，如果使用超出规定的特细砂，后果更严重。砂石中云母的含量较高，将削弱水泥与骨料的粘结力，降低混凝土强度。砂石中含泥量高，不仅将造成水泥和拌和水用量加大，而且还降低混凝土强度和抗冻性、抗渗性。砂石中有机质和轻物质过多，将延缓水泥的硬化过程，降低混凝土强度，特别是早期强度。砂石中硫化物可与水泥中的铝酸三钙发生化学反应，体积膨胀2.5倍。

c.拌和水

拌和水中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。

（5）施工工艺质量引起的裂缝。

在混凝土结构浇筑、起模过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，比较典型常见的有：

a.混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其它荷载裂缝的起源点。

b.混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，既塑性收缩裂缝。

c.混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土塌落度过低，使得在混凝土出现收缩裂缝。

d.混凝土初期养护时急剧干燥，使得混凝土与大气接触的表面上出现收缩裂缝。

e.混凝土分层或分段浇筑时，接头部位处理不好，易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。如混凝土分层浇筑时，后浇混凝土因停电、下雨等原因未能在前浇混凝土初凝前浇筑，引起层面之间的水平裂缝；采用分段现浇时，先浇混凝土接触面凿毛、清洗不好，新旧混凝土之间粘结力小，或后浇混凝土养护不到位，导致混凝土收缩而引起裂缝。

f.施工时模板刚度不足，在浇筑混凝土时，由于侧向压力的作用使得模板变形，产生与模板变形一致的裂缝。

g.施工时拆模过早，混凝土强度不足，使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。

h.施工质量控制差。任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料计量不准，结果造成混凝土强度不足和其他性能（和易性、密实度）下降，导致结构开裂。

3 箱涵侧壁裂缝防治措施

在分析、了解裂缝产生的原因和机理的前提下，在工程施工过程中，针对产生裂缝的原因采取了有针对性的措施，具体如下：

（1）收缩引起的裂缝

针对收缩裂缝产生的机理，为减少收缩裂缝，在施工时采取的主要方法有：

a.在挑选水泥时，为减少混凝土的收缩性，采用了收缩性较低的42.5＃水泥，并且对骨料和集料的规格和质量进行严格限制，以达到控制水泥用量减少收缩裂缝的效果。

b.在配合比试验时，尽可能降低水灰比，以达到减少干缩的效果。

c.加强对混凝土的养护，养护在混凝土终凝后立即进行。养护采用洒水覆盖的方法，以达到减少干缩的效果。

d.在施工时做到控制水灰比、避免长时间的搅拌、控制下料速度、加强振捣工作、控制混凝土每层厚度。

（2）地基基础不均匀沉降引起的裂缝

由于强度很低，经实测地基承载力仅达到6 0～70 kPa，远小于设计要求的地基承载力120～160 kPa，必需进行强化处理。地基处理不当容易出现地基各个部分承载力不均匀，使箱涵（通）产生不均匀沉降，从而导致裂缝的产生。在这种情况下，本工程采取对策是采用粉喷桩进行地基处理，并在施工过程中做到按工艺要求严格控制。分析以往工程中粉喷桩的施工问题，水泥与地基土的结合强度在室内试验中是符合要求的，但实际施工中粉喷桩往往出现质量缺陷问题，究其原因根本上就是水泥粉与地基土的结合不均匀造成的。为了保证粉喷桩加固地基的质量，粉喷桩施工过程实行每0.5 m喷粉一次，尽量做到喷粉均匀，并且严格做到整桩复搅，进一步使水泥粉与地基土搅拌均匀。这样每根粉喷桩的质量就有了保障（从取芯试验可明显看出），从而箱涵（通）处的软基处理就达到了较为理想的目的。

由于本工程所处位置地基基础较差，虽然地基经过处理，但是如果箱涵每节长度太长，发生不均匀沉降和产生收缩裂缝的概率还是很高。而从设计图纸上看，有四个箱涵长度从36 m至48 m不等，但伸缩缝均仅在中心线处设置一道，其半幅的长度达20 m左右，左、右幅涵体过长极易发生不均匀沉降和产生收缩裂缝，采取对策是增加伸缩缝，在左、右幅涵体中部增设伸缩缝一道，减小涵体的连续长度。增设伸缩缝具体设置为：侧壁与顶板钢筋断开，并采用2～3 cm厚软木板设缝，为了涵体内侧的混凝土表面的美观，在设置软木板时使木板与涵体内侧表面留空隙3 cm（固定木板），待混凝土浇筑后采用切割机割缝处理（缝深达到木板，宽4 mm）。

针对在各个箱涵节段上重载车辆行驶的频率差异较大，引起各部分基础荷载差异，在实际操作过程中，采用控制施工车辆从各节箱体上均匀通过的办法。

针对在涵背回填时压路机振动对涵体产生的荷载引起的裂缝，采取对策是涵背回填采用碎石、砂材料及水冲密实法进行施工。回填时分层厚度按20 cm控制，保证回填密实度；且在涵体两侧同时对称进行，使涵体受力均衡。碎石水冲砂，既满足涵背回填高密实度要求，又避免了常规方法施工时碾压设备对涵体的较强外力作用和一般回填材料对涵体的损伤。

（3）温度变化引起的裂缝

针对由于施工过程中的天气变化引起的温度裂缝，采取的措施是：

首先，关注天气预报，混凝土浇筑安排在天气较好的时间施工。

其次，混凝土采用大型设备集中搅拌，保证在相对较短的时间内完成混凝土的搅拌工作，并且在工作面上安排足够的振捣工，以达到尽快完成浇筑工作的目的。

针对水泥的水化热引起的温度裂缝，采取的措施是：

第一，采用水化热较低的水泥品种，并在配合比设计时尽量降低水泥用量，尽可能的降低水化热产生的数量。

第二，采用钢模板施工，这样即加快了热量传导的速度又增加了模板的刚度和强度，同时又保证了混凝土的外观光洁度，达到一举四得的效果。

（4）施工材料质量引起的裂缝

针对由于配置混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝的情况，采取的措施是：

a.首先，采用国家免检品牌，并严格控制水泥存放时间，杜绝使用刚出厂的水泥；经常检查水泥罐，避免因水泥罐损坏造成的水泥受潮；对进场的水泥进行每批次的抽检，决不使用不合格的水泥。

b.对进场的骨料和砂进行严格检查，杜绝不合格的材料进场。

c.施工搅拌混凝土的水采用饮用水。