长沙机场GTC项目薄壁式挡墙竖向裂缝成因分析及处理措施*

陈谱新，徐昌林，廖 飞，陈镜丞，连 贯

(中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410114)

0 引言

我国工程建设规模巨大，混凝土作为使用量最大的一种建筑材料，被广泛应用于水利、住宅、海港、轨道等工程中。混凝土虽具有优异的强度、耐久性及耐火性，但在混凝土结构施工过程中，受外部环境温度、自身水化热温度、混凝土龄期、施工工艺等因素的影响，易造成开裂，对结构外观、稳定性造成一定影响，留下安全隐患，甚至可能引发结构报废，造成严重的人员伤害和经济损失。因此，有必要对混凝土结构裂缝进行研究、评价和处理。

长沙某地铁站是一处综合轨道换乘站台，3条轨道交通线路共站。站台两侧挡土墙混凝土强度等级为C30，施工环境温度为5～15℃，北侧薄壁式挡土墙在拆模后5d发现墙面出现数十条细小裂缝，呈不均匀分布。后续施工采取一定的保温措施对其进行养护，但仍有细小裂缝产生，随即该施工区域停工。为辨识挡土墙现有裂缝的影响，对裂缝开展深度、宽度、分布等情况进行测量和分析，根据分析结果对挡土墙裂缝提出预防和处理措施。

1 混凝土裂缝检测原理及方法

1.1 检测原理

混凝土裂缝检测有超声波平测、电阻应变片检测等方法。超声波平测法利用声波的衍射原理，在裂缝表面两侧设置换能器，接收换能器无法获得发射换能器的声波和反射波，绕过裂缝的衍射波则被接收换能器所获取，从而获得裂缝的长度、形状等信息。根据项目挡土墙工程特性、已有人员和设备条件、便利性需求，本文采用超声波平测法对挡土墙裂缝进行检测。

1.2 检测仪器与方法

1.2.1检测仪器

挡土墙混凝土裂缝检测使用HC-F800混凝土裂缝缺陷综合测试仪，如图1所示，主要由平面换能器、主机和显微摄像头组成。开展检测工作时，需借助相应的辅助工具，包括定位尺、油漆笔、耦合剂、卷尺和温湿度计等。

图1 HC-F800混凝土裂缝缺陷综合测试仪

1.2.2检测方法

对HC-F800测试仪进行标定处理，使用标定后的超声波探头、摄像头对图像进行宽度识别，标定后选取现场某处裂缝开展声波信号测试，保证仪器的正常使用。

实际测量采用重复观测和交叉测量的方式，防止检测结果误差较大，并将相对误差控制在5%以内，从而确保其满足相关规范要求。对混凝土裂缝进行表观检查，结合工具、人工和综合测试仪近距离检查混凝土面。随机选取某区域裂缝进行编号并标记，检查裂缝参数无误后对其进行登记处理，确保在裂缝测点编号、宽度、长度和深度等方面不出现较大误差，保证裂缝深度图片得到有效保存。

对裂缝进行宽度测量，将摄像头放在待测裂缝上，如图2所示。摄像头将裂缝图片实时传输到仪器并显示在液晶屏上，待图像清晰后,可自动识别裂缝轮廓，进行自动实时判读，从而得到裂缝自动判读的宽度,停止捕获后仪器获得当前帧图片，然后可对当前图片进行手动判读处理，从而得到裂缝手动判读的宽度。

图2 裂缝宽度测量示意

对裂缝进行深度测量(跨缝测试)，将发射、接收换能器置于待测裂缝两侧对称位置，换能器与混凝土墙面间使用耦合剂耦合，以保证接收信号的强度；单击仪器的开始按钮，进行裂缝采样，当裂缝深度值发生改变时，单击保存按钮储存裂缝的相关信息，裂缝深度检测如图3所示。

图3 裂缝深度检测示意

2 挡土墙裂缝发展趋势及成因分析

2.1 裂缝监测数据分析

选取存在裂缝的某段地铁挡土墙，其配筋如图4所示。该处挡土墙实际高度为0.5～3.5m，现场发生裂缝处挡土墙高3m，下方冠梁高1m，裂缝发生在挡土墙上部位置，如图5所示，依次对其进行编号(LF1～LF6)。2022年1月30日开始第1次监测，5d为一周期，监测3个月，裂缝位移监测曲线如图6所示，长度及深度监测曲线如图7所示。

图4 挡土墙配筋

图5 裂缝

图6 裂缝位移监测曲线

图7 裂缝深度监测

由图6可知，裂缝位移量为0.25～0.45mm，大部分裂缝的位移接近0.35mm，随着时间的推移，位移值趋于稳定。

由图7a可知，裂缝的伸长量为1.10～1.80m，其中3条裂缝长度>1.5m，裂缝的伸长量随时间的增加，几乎无增长。

由图7b可知，监测数据显示裂缝的深度为 0.6～1.0cm，随着时间的增加，裂缝的深度开始缓慢增加，在60d后，裂缝深度变化趋于平稳。

由此可见，随着时间的推移，挡土墙裂缝的发展趋于平稳，且裂缝深度在挡土墙混凝土保护层中，没有发展至挡土墙结构内部，可推断该处裂缝属于表面浅层裂缝。

2.2 挡土墙受力分析

为分析挡土墙裂缝成因，首先根据挡土墙的自身受力情况进行稳定性分析，如图8所示。作用于该挡土墙的力系可分为永久作用和可变作用，永久作用(主要力系)包括挡土墙自重G、作用于墙上的主动土压力Ea、基底的法向反力N及摩擦力F，可变作用包括挡土墙后的施工荷载F动。

图8 挡土墙受力分析

抗滑稳定性系数为：

(1)

挡土墙墙背的填土高度为3.5m，填土重度为19kN/m3，该处挡土墙自重为25kN/m3，施工荷载取20kN/m2，计算得该挡土墙抗滑稳定安全系数为2.237>1.3，满足规范要求，结构安全稳定。由此可知，挡土墙的受力不是裂缝产生的主要原因，裂缝不属于结构裂缝。

2.3 挡土墙施工条件分析

在混凝土挡土墙浇筑过程中，由于混凝土温度与浇筑环境温度、墙体内部温度不一致造成温差，混凝土振捣不及时、养护不及时等因素造成混凝土挡土墙内部应力集中，局部位置所承受的拉应力超过其抗拉极限时，混凝土表面就会发生裂缝。

本项目挡土墙混凝土强度等级为C30，浇筑前由实验室进行多次配合比试验，选取配合比：水泥∶水∶砂∶石=1.00∶0.60∶3.34∶4.14，经过验证，该配合比符合相关规范标准。

根据施工方案及施工记录，该处挡土墙混凝土采用分层浇筑、分层振捣，每层浇筑厚度控制30cm。每层混凝土浇筑过程中，随混凝土的灌入及时采用插入式振捣棒振捣。振捣棒振动时移动间距不超过振捣棒作用半径的1.5倍。振捣上层混凝土，振捣棒插入下层混凝土内5～10cm。每处振捣完毕后，缓慢提出振捣棒，快插慢拔，符合施工规范。

混凝土浇筑完成后，及时收浆，立即进行养护。采用土工布对混凝土进行覆盖保湿养护，混凝土的养护时间不得少于7d。

经查阅施工记录，该处挡土墙混凝土浇筑时为12月，长沙气温处于3～15℃，浇筑时外部环境温度低，混凝土内部水化热温度高，墙内外会形成温差，易导致挡土墙产生裂缝。

对混凝土绝热温升进行计算：

(2)

式中：W为每立方米混凝土的胶凝材料用量(kg/m3)，取387kg/m3；Q为胶凝材料水化热总量(kJ/kg)，取224.35kJ/kg；C为混凝土比热容(kJ/(kg·℃))，取0.98kJ/(kg·℃)；ρ为混凝土密度(kg/m3)，取2 512.88kg/m3；m为与水泥品种、浇筑温度等有关的系数d-1，取0.40d-1；t为龄期(d)。

经计算得出不同龄期下的混凝土绝热温升值，如表1所示。

表1 不同龄期下的混凝土绝热温升值 ℃

依据预先在墙体内部设置温度传感器，对挡土墙内的温度进行检测，结果显示浇筑后2d内外温差在25～33℃，浇筑4d后内外温差在20～28℃，浇筑7d后内外温差在20～28℃，内外形成一定的温差(超过相关规范要求的25℃温差)，挡土墙表面受温度引起的拉应力作用，这与该处混凝土计算的绝热温升值相符合。

通过上述对挡土墙配合比、浇筑工艺、养护工艺、温度控制的分析，可推断该处挡土墙裂缝的成因主要是由温度引起。表面裂缝主要是因为挡土墙进行混凝土浇筑时使用的混凝土水化热较大，混凝土内部的水化热聚集不能及时扩散，墙内高温与外部低温相当于产生约束，使墙表面不能自由收缩；同时，墙内高温产生膨胀力，造成低温墙表面受到张拉，突破极限后的挡土墙表面形成抗拉应力破坏，最终产生拉裂缝。

由此可推断本项目挡土墙裂缝主要是由于混凝土内外温差较大，挡土墙表面发生抗拉破坏造成。

3 处理及预防措施

针对本项目已产生的裂缝，采取静压灌浆技术进行处理，使用微型电动高压注浆机持续对该处的裂缝进行注浆，直至挡土墙裂缝的微缝、微孔被浆液填充；注浆结束后对裂缝进行检测，挡土墙裂缝未继续发展，也未发生渗漏，达到封堵裂缝的目的。

对于挡土墙裂缝，可从以下几方面进行预防。

1)优化原材料，使用低热化水泥，如矿渣水泥等，同时对配合比进行试验对比，选取优化的配合比进行浇筑。

2)混凝土施工时采取分层浇筑、分层捣实，保证上、下层混凝土在初凝前结合好，不得留冷缝；混凝土浇筑振捣时尽可能低温入模。

3)浇筑完成后，及时进行养护，可依据环境的变化及时调整养护周期、手段等。

4)加强测温和温度监测管理，实行信息化控制，内、外温差控制在25℃以内，基面温差和基底温差均控制在20℃以内，及时调整保温措施，使混凝土的温度梯度和湿度不至于过大，以有效控制裂缝出现。

4 结语

本项目挡土墙裂缝随着时间的推移，裂缝的发展趋于平稳，且裂缝深度在挡土墙混凝土保护层中，没有发展至挡土墙结构内部，属于表面浅层裂缝。挡土墙侧面的静荷载、动荷载均在规范要求范围内，对裂缝的发展几乎无影响。裂缝形成的主要原因是水泥水化热较高、内外温差较大，造成表面抗拉破坏，为控制裂缝的产生，可采取以下措施。

1)降低水泥水化热，选用较低水化热或中水化热的水凝品种配制混凝土，在基础内部预埋冷却水管，通入循环冷却水，强制降低混凝土水化热温度。

2)降低混凝土温差，选择较适宜的气温浇筑大体积混凝土，设置遮阳或保温措施。

3)加强施工中的温度控制，监测挡土墙的内外温度，实时调整，合理把控。

针对笔者所做的裂缝研究工作还存在不足，如浇筑时钢筋的配合比、混凝土振捣状态、浇筑次数、养护状态等如何影响裂缝的发展，还有待进一步研究。