軟基地帶公路建設(shè)中箱涵（通）側(cè)壁裂縫原因分析及防治措施

李海濤，肖斌旺

（浙江大成建設(shè)集團有限公司，浙江杭州310012）

1 工程背景

浙江省某高速公路工程處杭嘉湖平原，全線地形平坦，設(shè)計為100 km/h的雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，路線全長8.7 km，路基寬為26 m。工程沿途經(jīng)過多處河流、魚塘、暗浜等。地質(zhì)情況為：表層填土約0.5 m，其下是亞砂土層厚約23 m。亞砂土砂性較重，具有一定的滲水性，又具有一定的粘性。本路段地基地下水位接近地表，致使亞砂土含水量很大，強度很低，經(jīng)實測地基承載力（地表1m以下）僅達(dá)到 60～70kPa。其中 K6+400～K9+827段共有箱涵（通）5道，箱涵尺寸為4 m×3 m或4 m×3.5 m，側(cè)壁厚為32 cm或34 cm，混凝土標(biāo)號為C30，為常見薄壁結(jié)構(gòu)。

2 箱涵側(cè)壁裂縫成因分析

根據(jù)以往類似地質(zhì)條件下工程經(jīng)驗，箱涵（通）在混凝土成形后，在側(cè)壁通常產(chǎn)生裂縫，一般是左、右幅箱體的中部(L/2)側(cè)壁上，形態(tài)為豎直裂縫，縫寬約為1 mm，這給結(jié)構(gòu)物的外觀質(zhì)量造成了較大程度的影響?？偨Y(jié)以往的經(jīng)驗，箱涵側(cè)壁產(chǎn)生裂縫的因素主要有以下幾種：

（1）混凝土收縮引起的裂縫。

在工程施工過程中，混凝土收縮引起的裂縫是最常見的。其中塑性收縮和縮水收縮（干縮）是造成混凝土收縮的主要原因。

塑性收縮發(fā)生在施工過程中。在混凝土澆筑4～5 h左右時，水泥的水化熱反應(yīng)激烈，分之鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，因此時混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。

縮水收縮（干縮）是在混凝土硬結(jié)后，隨著表層水份逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減少的過程。因混凝土表層水份損失快，內(nèi)部水份損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土和鋼筋的約束，造成表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土承受的拉力超過其抗拉強度時，便產(chǎn)生收縮裂縫。

影響混凝土收縮變形的主要因素有：

a.水泥用量、細(xì)度及品種：水泥用量越多，干縮越大。水泥的細(xì)度越大，混凝土的用水量越多，干縮越大。使用火山質(zhì)硅酸鹽水泥時，混凝土干縮較大；而使用粉煤灰硅酸鹽水泥時，混凝土干縮較小。

b.骨料規(guī)格與質(zhì)量：骨料的粒徑越大、級配越好，則水泥與水的用量越少，混凝土的干縮越小。骨料中的含泥量及泥塊含量越少，則水泥與水的用量越少，混凝土的干縮越小。針、片狀骨料含量越少，混凝土的干縮越小。

c.水灰比：水灰比越大，混凝土內(nèi)毛細(xì)孔隙率越多，混凝土的干縮越大。一般用水量每增加1%，混凝土的干縮率增加2%～3%。

d.養(yǎng)護條件：養(yǎng)護時保持濕度越高、養(yǎng)護時間越長，則有利于推遲混凝土干縮的產(chǎn)生與發(fā)展，可避免產(chǎn)生早期干縮裂縫。

e.振搗方式：機械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。振搗時間應(yīng)根據(jù)機械性能決定，一般以5～15 s/次為宜。時間太短，振搗不密實，形成混凝土強度不足或不均勻；時間太長，造成分層，粗骨料沉入底層，細(xì)骨料留在上層，強度不均勻，上層易發(fā)生收縮裂縫。

（2）地基基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫。

由于地基基礎(chǔ)不均勻沉降，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出結(jié)構(gòu)的抗拉能力，造成結(jié)構(gòu)開裂。基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：

a.地基地質(zhì)差異太大，或者在相同的地質(zhì)條件下地基處理后處理結(jié)果不理想；這樣造成地基的承載能力有較大的差異，在荷載的作用下地基不同的壓縮產(chǎn)生不均勻沉降。

b.結(jié)構(gòu)荷載差異太大。在地質(zhì)情況比較一致的條件下，各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時，有可能引起不均勻沉降。在施工過程中主要表現(xiàn)在路面還未施工時，在各個箱涵節(jié)段上重載車輛行駛的頻率差異較大，引起各部分基礎(chǔ)荷載差異和在涵背回填時壓路機振動對涵體產(chǎn)生的荷載。

（3）溫度變化引起的裂縫。

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫。根據(jù)本工程的實際情況，在施工過程中引起溫度變化主要因素有：

a.施工過程中的天氣變化：突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度。

b.水化熱：混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內(nèi)部溫度高，內(nèi)外溫差大，致使表面出現(xiàn)裂縫。施工中應(yīng)根據(jù)實際情況，盡量選擇水化熱低的水泥品種，限制水泥單位用量，減少骨料入模溫度，降低內(nèi)外溫差，或采用薄層連續(xù)澆筑。

（4）施工材料質(zhì)量引起的裂縫。

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水組成。配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

a.水泥

水泥安定性不合格，水泥中游離的氧化鈣含量超標(biāo)。氧化鈣在凝結(jié)過程中水化很慢，在水泥混凝土凝結(jié)后仍然繼續(xù)起水化作用，可破壞已硬化的水泥石，使混凝土抗拉強度下降。

水泥出廠時強度不足，水泥受潮或過期，可能使混凝土強度不足，從而導(dǎo)致混凝土開裂。

當(dāng)水泥含堿量較高（例如超過0.6%），同時又使用含有堿活性的骨料，可能導(dǎo)致堿骨料反應(yīng)。

b.砂、石骨料

砂石的粒徑、級配、雜質(zhì)含量。

砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大，將導(dǎo)致水泥和拌和水用量加大，影響混凝土的強度，使混凝土收縮加大，如果使用超出規(guī)定的特細(xì)砂，后果更嚴(yán)重。砂石中云母的含量較高，將削弱水泥與骨料的粘結(jié)力，降低混凝土強度。砂石中含泥量高，不僅將造成水泥和拌和水用量加大，而且還降低混凝土強度和抗凍性、抗?jié)B性。砂石中有機質(zhì)和輕物質(zhì)過多，將延緩水泥的硬化過程，降低混凝土強度，特別是早期強度。砂石中硫化物可與水泥中的鋁酸三鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，體積膨脹2.5倍。

c.拌和水

拌和水中氯化物等雜質(zhì)含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。

（5）施工工藝質(zhì)量引起的裂縫。

在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、起模過程中，若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生各種裂縫，特別是細(xì)長薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異，比較典型常見的有：

a.混凝土振搗不密實、不均勻，出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞，導(dǎo)致鋼筋銹蝕或其它荷載裂縫的起源點。

b.混凝土澆筑過快，混凝土流動性較低，在硬化前因混凝土沉實不足，硬化后沉實過大，容易在澆筑數(shù)小時后發(fā)生裂縫，既塑性收縮裂縫。

c.混凝土攪拌、運輸時間過長，使水分蒸發(fā)過多，引起混凝土塌落度過低，使得在混凝土出現(xiàn)收縮裂縫。

d.混凝土初期養(yǎng)護時急劇干燥，使得混凝土與大氣接觸的表面上出現(xiàn)收縮裂縫。

e.混凝土分層或分段澆筑時，接頭部位處理不好，易在新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫。如混凝土分層澆筑時，后澆混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆混凝土初凝前澆筑，引起層面之間的水平裂縫；采用分段現(xiàn)澆時，先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好，新舊混凝土之間粘結(jié)力小，或后澆混凝土養(yǎng)護不到位，導(dǎo)致混凝土收縮而引起裂縫。

f.施工時模板剛度不足，在澆筑混凝土?xí)r，由于側(cè)向壓力的作用使得模板變形，產(chǎn)生與模板變形一致的裂縫。

g.施工時拆模過早，混凝土強度不足，使得構(gòu)件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫。

h.施工質(zhì)量控制差。任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料計量不準(zhǔn)，結(jié)果造成混凝土強度不足和其他性能（和易性、密實度）下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

3 箱涵側(cè)壁裂縫防治措施

在分析、了解裂縫產(chǎn)生的原因和機理的前提下，在工程施工過程中，針對產(chǎn)生裂縫的原因采取了有針對性的措施，具體如下：

（1）收縮引起的裂縫

針對收縮裂縫產(chǎn)生的機理，為減少收縮裂縫，在施工時采取的主要方法有：

a.在挑選水泥時，為減少混凝土的收縮性，采用了收縮性較低的42.5＃水泥，并且對骨料和集料的規(guī)格和質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格限制，以達(dá)到控制水泥用量減少收縮裂縫的效果。

b.在配合比試驗時，盡可能降低水灰比，以達(dá)到減少干縮的效果。

c.加強對混凝土的養(yǎng)護，養(yǎng)護在混凝土終凝后立即進(jìn)行。養(yǎng)護采用灑水覆蓋的方法，以達(dá)到減少干縮的效果。

d.在施工時做到控制水灰比、避免長時間的攪拌、控制下料速度、加強振搗工作、控制混凝土每層厚度。

（2）地基基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫

由于強度很低，經(jīng)實測地基承載力僅達(dá)到6 0～70 kPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計要求的地基承載力120～160 kPa，必需進(jìn)行強化處理。地基處理不當(dāng)容易出現(xiàn)地基各個部分承載力不均勻，使箱涵（通）產(chǎn)生不均勻沉降，從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。在這種情況下，本工程采取對策是采用粉噴樁進(jìn)行地基處理，并在施工過程中做到按工藝要求嚴(yán)格控制。分析以往工程中粉噴樁的施工問題，水泥與地基土的結(jié)合強度在室內(nèi)試驗中是符合要求的，但實際施工中粉噴樁往往出現(xiàn)質(zhì)量缺陷問題，究其原因根本上就是水泥粉與地基土的結(jié)合不均勻造成的。為了保證粉噴樁加固地基的質(zhì)量，粉噴樁施工過程實行每0.5 m噴粉一次，盡量做到噴粉均勻，并且嚴(yán)格做到整樁復(fù)攪，進(jìn)一步使水泥粉與地基土攪拌均勻。這樣每根粉噴樁的質(zhì)量就有了保障（從取芯試驗可明顯看出），從而箱涵（通）處的軟基處理就達(dá)到了較為理想的目的。

由于本工程所處位置地基基礎(chǔ)較差，雖然地基經(jīng)過處理，但是如果箱涵每節(jié)長度太長，發(fā)生不均勻沉降和產(chǎn)生收縮裂縫的概率還是很高。而從設(shè)計圖紙上看，有四個箱涵長度從36 m至48 m不等，但伸縮縫均僅在中心線處設(shè)置一道，其半幅的長度達(dá)20 m左右，左、右幅涵體過長極易發(fā)生不均勻沉降和產(chǎn)生收縮裂縫，采取對策是增加伸縮縫，在左、右幅涵體中部增設(shè)伸縮縫一道，減小涵體的連續(xù)長度。增設(shè)伸縮縫具體設(shè)置為：側(cè)壁與頂板鋼筋斷開，并采用2～3 cm厚軟木板設(shè)縫，為了涵體內(nèi)側(cè)的混凝土表面的美觀，在設(shè)置軟木板時使木板與涵體內(nèi)側(cè)表面留空隙3 cm（固定木板），待混凝土澆筑后采用切割機割縫處理（縫深達(dá)到木板，寬4 mm）。

針對在各個箱涵節(jié)段上重載車輛行駛的頻率差異較大，引起各部分基礎(chǔ)荷載差異，在實際操作過程中，采用控制施工車輛從各節(jié)箱體上均勻通過的辦法。

針對在涵背回填時壓路機振動對涵體產(chǎn)生的荷載引起的裂縫，采取對策是涵背回填采用碎石、砂材料及水沖密實法進(jìn)行施工?；靥顣r分層厚度按20 cm控制，保證回填密實度；且在涵體兩側(cè)同時對稱進(jìn)行，使涵體受力均衡。碎石水沖砂，既滿足涵背回填高密實度要求，又避免了常規(guī)方法施工時碾壓設(shè)備對涵體的較強外力作用和一般回填材料對涵體的損傷。

（3）溫度變化引起的裂縫

針對由于施工過程中的天氣變化引起的溫度裂縫，采取的措施是：

首先，關(guān)注天氣預(yù)報，混凝土澆筑安排在天氣較好的時間施工。

其次，混凝土采用大型設(shè)備集中攪拌，保證在相對較短的時間內(nèi)完成混凝土的攪拌工作，并且在工作面上安排足夠的振搗工，以達(dá)到盡快完成澆筑工作的目的。

針對水泥的水化熱引起的溫度裂縫，采取的措施是：

第一，采用水化熱較低的水泥品種，并在配合比設(shè)計時盡量降低水泥用量，盡可能的降低水化熱產(chǎn)生的數(shù)量。

第二，采用鋼模板施工，這樣即加快了熱量傳導(dǎo)的速度又增加了模板的剛度和強度，同時又保證了混凝土的外觀光潔度，達(dá)到一舉四得的效果。

（4）施工材料質(zhì)量引起的裂縫

針對由于配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的情況，采取的措施是：

a.首先，采用國家免檢品牌，并嚴(yán)格控制水泥存放時間，杜絕使用剛出廠的水泥；經(jīng)常檢查水泥罐，避免因水泥罐損壞造成的水泥受潮；對進(jìn)場的水泥進(jìn)行每批次的抽檢，決不使用不合格的水泥。

b.對進(jìn)場的骨料和砂進(jìn)行嚴(yán)格檢查，杜絕不合格的材料進(jìn)場。

c.施工攪拌混凝土的水采用飲用水。

（5）施工工藝質(zhì)量引起的裂縫

針對施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生各種裂縫的情況，采取的措施是：

a.編制合理的施工工藝，并報請監(jiān)理工程師審批；同時對進(jìn)場施工的人員進(jìn)行技術(shù)交底和培訓(xùn)，使每個施工人員對自己的崗位技能及操作規(guī)程了然于胸。

b.對各工序執(zhí)行技術(shù)員旁站和交接檢、互檢制度，每道工序合格后方可進(jìn)入下一道工序。

c.編制完善的應(yīng)急預(yù)案，并組織全體人員進(jìn)行學(xué)習(xí)，以防患于未然。

d.加大對工程的投入，如采用鋼模板施工等。

4 結(jié)語

本工程在箱涵（通）施工過程中，由于采取上述防治裂縫措施，經(jīng)質(zhì)監(jiān)站、業(yè)主對工程所有箱涵（通）檢驗，無一處出現(xiàn)裂縫，取得了良好效果，對類似工程的實施具有一定參考價值。同時也說明，通過結(jié)合工程實際，全面深入分析質(zhì)量缺陷發(fā)生原因，采取有針對性的措施、方法，可解決工程質(zhì)量通病。

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[2]葛勇,張寶生.建筑材料[M].中國建筑工業(yè)出版社.

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