軟基地帶公路建設中箱涵（通）側壁裂縫原因分析及防治措施

李海濤，肖斌旺

（浙江大成建設集團有限公司，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，設計為100 km/h的雙向四車道高速公路標準，路線全長8.7 km，路基寬為26 m。工程沿途經過多處河流、魚塘、暗浜等。地質情況為：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，經實測地基承載力（地表1m以下）僅達到 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，側壁厚為32 cm或34 cm，混凝土標號為C30，為常見薄壁結構。

2 箱涵側壁裂縫成因分析

根據以往類似地質條件下工程經驗，箱涵（通）在混凝土成形后，在側壁通常產生裂縫，一般是左、右幅箱體的中部(L/2)側壁上，形態為豎直裂縫，縫寬約為1 mm，這給結構物的外觀質量造成了較大程度的影響。總結以往的經驗，箱涵側壁產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，水泥的水化熱反應激烈，分之鏈逐漸形成，出現泌水和急劇蒸發，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）是在混凝土硬結后，隨著表層水份逐步蒸發，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，內部水份損失慢，因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內部混凝土和鋼筋的約束，造成表面混凝土承受拉力，當表面混凝土承受的拉力超過其抗拉強度時，便產生收縮裂縫。

影響混凝土收縮變形的主要因素有：

a.水泥用量、細度及品種：水泥用量越多，干縮越大。水泥的細度越大，混凝土的用水量越多，干縮越大。使用火山質硅酸鹽水泥時，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.骨料規格與質量：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，混凝土內毛細孔隙率越多，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.養護條件：養護時保持濕度越高、養護時間越長，則有利于推遲混凝土干縮的產生與發展，可避免產生早期干縮裂縫。

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。振搗時間應根據機械性能決定，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，細骨料留在上層，強度不均勻，上層易發生收縮裂縫。

（2）地基基礎不均勻沉降引起的裂縫。

由于地基基礎不均勻沉降，使結構中產生附加應力，超出結構的抗拉能力，造成結構開裂。基礎不均勻沉降的主要原因有：

a.地基地質差異太大，或者在相同的地質條件下地基處理后處理結果不理想；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生不均勻沉降。

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

（3）溫度變化引起的裂縫。

混凝土具有熱脹冷縮性質，當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。根據本工程的實際情況，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、日落等可導致結構外表面溫度突然下降，但因內部溫度變化相對較慢而產生溫度梯度。

b.水化熱：混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內部溫度高，內外溫差大，致使表面出現裂縫。施工中應根據實際情況，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，降低內外溫差，或采用薄層連續澆筑。

（4）施工材料質量引起的裂縫。

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量不合格，可能導致結構出現裂縫。

a.水泥

水泥安定性不合格，水泥中游離的氧化鈣含量超標。氧化鈣在凝結過程中水化很慢，在水泥混凝土凝結后仍然繼續起水化作用，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，從而導致混凝土開裂。

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

b.砂、石骨料

砂石的粒徑、級配、雜質含量。

砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大，將導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，如果使用超出規定的特細砂，后果更嚴重。砂石中云母的含量較高，將削弱水泥與骨料的粘結力，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、抗滲性。砂石中有機質和輕物質過多，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生化學反應，體積膨脹2.5倍。

c.拌和水

拌和水中氯化物等雜質含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。

（5）施工工藝質量引起的裂縫。

在混凝土結構澆筑、起模過程中，若施工工藝不合理、施工質量低劣，容易產生各種裂縫，特別是細長薄壁結構更容易出現。裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度因產生的原因而異，比較典型常見的有：

a.混凝土振搗不密實、不均勻，出現蜂窩、麻面、空洞，導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，容易在澆筑數小時后發生裂縫，既塑性收縮裂縫。

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

d.混凝土初期養護時急劇干燥，使得混凝土與大氣接觸的表面上出現收縮裂縫。

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力小，或后澆混凝土養護不到位，導致混凝土收縮而引起裂縫。

f.施工時模板剛度不足，在澆筑混凝土時，由于側向壓力的作用使得模板變形，產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，使得構件在自重或施工荷載作用下產生裂縫。

h.施工質量控制差。任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料計量不準，結果造成混凝土強度不足和其他性能（和易性、密實度）下降，導致結構開裂。

3 箱涵側壁裂縫防治措施

在分析、了解裂縫產生的原因和機理的前提下，在工程施工過程中，針對產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格和質量進行嚴格限制，以達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，以達到減少干縮的效果。

c.加強對混凝土的養護，養護在混凝土終凝后立即進行。養護采用灑水覆蓋的方法，以達到減少干縮的效果。

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）地基基礎不均勻沉降引起的裂縫

由于強度很低，經實測地基承載力僅達到6 0～70 kPa，遠小于設計要求的地基承載力120～160 kPa，必需進行強化處理。地基處理不當容易出現地基各個部分承載力不均勻，使箱涵（通）產生不均勻沉降，從而導致裂縫的產生。在這種情況下，本工程采取對策是采用粉噴樁進行地基處理，并在施工過程中做到按工藝要求嚴格控制。分析以往工程中粉噴樁的施工問題，水泥與地基土的結合強度在室內試驗中是符合要求的，但實際施工中粉噴樁往往出現質量缺陷問題，究其原因根本上就是水泥粉與地基土的結合不均勻造成的。為了保證粉噴樁加固地基的質量，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，并且嚴格做到整樁復攪，進一步使水泥粉與地基土攪拌均勻。這樣每根粉噴樁的質量就有了保障（從取芯試驗可明顯看出），從而箱涵（通）處的軟基處理就達到了較為理想的目的。

由于本工程所處位置地基基礎較差，雖然地基經過處理，但是如果箱涵每節長度太長，發生不均勻沉降和產生收縮裂縫的概率還是很高。而從設計圖紙上看，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置一道，其半幅的長度達20 m左右，左、右幅涵體過長極易發生不均勻沉降和產生收縮裂縫，采取對策是增加伸縮縫，在左、右幅涵體中部增設伸縮縫一道，減小涵體的連續長度。增設伸縮縫具體設置為：側壁與頂板鋼筋斷開，并采用2～3 cm厚軟木板設縫，為了涵體內側的混凝土表面的美觀，在設置軟木板時使木板與涵體內側表面留空隙3 cm（固定木板），待混凝土澆筑后采用切割機割縫處理（縫深達到木板，寬4 mm）。

針對在各個箱涵節段上重載車輛行駛的頻率差異較大，引起各部分基礎荷載差異，在實際操作過程中，采用控制施工車輛從各節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行施工。回填時分層厚度按20 cm控制，保證回填密實度；且在涵體兩側同時對稱進行，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，又避免了常規方法施工時碾壓設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，關注天氣預報，混凝土澆筑安排在天氣較好的時間施工。

其次，混凝土采用大型設備集中攪拌，保證在相對較短的時間內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，并在配合比設計時盡量降低水泥用量，盡可能的降低水化熱產生的數量。

第二，采用鋼模板施工，這樣即加快了熱量傳導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，達到一舉四得的效果。

（4）施工材料質量引起的裂縫

針對由于配置混凝土所采用材料質量不合格，可能導致結構出現裂縫的情況，采取的措施是：

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

b.對進場的骨料和砂進行嚴格檢查，杜絕不合格的材料進場。

c.施工攪拌混凝土的水采用飲用水。

（5）施工工藝質量引起的裂縫

針對施工工藝不合理、施工質量低劣，容易產生各種裂縫的情況，采取的措施是：

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

b.對各工序執行技術員旁站和交接檢、互檢制度，每道工序合格后方可進入下一道工序。

c.編制完善的應急預案，并組織全體人員進行學習，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，經質監站、業主對工程所有箱涵（通）檢驗，無一處出現裂縫，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，通過結合工程實際，全面深入分析質量缺陷發生原因，采取有針對性的措施、方法，可解決工程質量通病。

[1]葉見曙.結構設計原理[M].人民交通出版社.

[2]葛勇,張寶生.建筑材料[M].中國建筑工業出版社.

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