配筋混凝土墊層材料的合理選擇——以某大型輸水箱涵分節長度計算及開裂原因分析為例比較

余際可黃鴻君佘　凱

（1.湖南省水利廳　　長沙市　410007；2.湖南省匯杰工程勘測設計咨詢有限公司　　長沙市　410000）

配筋混凝土墊層材料的合理選擇——以某大型輸水箱涵分節長度計算及開裂原因分析為例比較

余際可1黃鴻君2佘凱2

（1.湖南省水利廳長沙市410007；2.湖南省匯杰工程勘測設計咨詢有限公司長沙市410000）

文章對主體結構墊層材料的重要性進行了闡述比較和推薦，針對大型箱涵容易產生豎向裂縫的現象及原因進行分析后，推薦采用性能良好的墊層材料并按整體澆筑法施工，從而在工程管理上獲得較好的經濟運行效果。

配筋混凝土大型箱涵墊層材料選擇

配筋混凝土的裂縫總的來講有兩大類。一類是由荷載（自重、水重、內水壓力、土重……等）產生，這一類裂縫占裂縫總數不到20%；另一類為變形裂縫，基本由溫度變形、收縮變形產生，約占裂縫總數的80%以上。變形裂縫之所以十分普遍，是因為溫度、收縮變形對裂縫產生的影響，目前尚無確切的計算方法，因而許多情況下未進行計算，或計算了也算不準，不像荷載計算比較準確。現階段對這一類裂縫，主要是采取工程措施來加以防范。如對溫度變形裂縫采取填土隔溫減少溫差應力；收縮變形主要是由“干縮”和“凝縮”產生，混凝土拌合時只有20%的水分是水泥水化所必需的，其余80%都要被蒸發而形成“干縮”。此外，混凝土在水泥水化過程中要產生體積變形，多數是體積變小即為“凝縮”。減少收縮主要也是通過工程措施如選擇低收縮性水泥，優化混凝土配合比，嚴格控制水泥用量，降低拌合料入倉溫度，從而有效控制混凝土溫度應力和減少混凝土的收縮變形。

由于第二類裂縫產生的普遍性和常見性，一位長期從事“裂縫控制”研究的學者說：“工程的裂縫是不可避免的，但其有害程度卻是可以控制的。工程師的全部藝術是把裂縫控制在無害的范圍內，為這一理想去奮斗是生命中最快樂的享受”［1］。

1 配筋混凝土墊層材料選擇的重要性

配筋混凝土對墊層材料的要求雖然不高，但墊層材料對上部主體結構的影響卻是十分顯著的。在已建工程調查資料中，到處都可見到墊層材料對主體結構“反作用”留下的“痕跡”。

——高層建筑土基上大體積混凝土底板的裂縫，遠遠少于底板上長墻和墻上樓板的裂縫；其中剛度（EJ）大的底板上外墻裂縫概率甚至高達85%；

——基巖上澆筑的大體積混凝土上的裂縫遠比土基上的混凝土嚴重；

——大型排澇泵站壓力水箱采用分層澆筑時，側墻二期混凝土的豎向裂縫遠比一次整澆箱涵的的豎向裂縫要多。

這些僅是表面現象。根本原因則是主體結構混凝土從澆筑完成、養護結束之日起，就要隨著溫度變化不斷地伸長、縮短；同時開始漫長的收縮過程，收縮發展速度時開始快，以后逐步衰減，收縮最終值一般為0.0003～0.0006，個別大的可以達到0.001。收縮隨時間發展的規律難以作精確的估算。作為粗略的估計，仍從混凝土養護完畢之日起，各齡期累計收縮值占長期總收縮值的百分率約為：頭7天25%；頭1個月50%；頭1年75%；其余25%，大約需30年以上才能基本穩定。

主體結構對墊層除要求具備一定（抗壓）強度外，“其彈性模量應更小一些，水平阻力系數Cx應更低一些”；否則，工程是難免要出問題的。上面列舉的一些工程產生裂縫的現象，就是如此。

2 關于地基水平阻力系數CX

在地基為非剛性的前提下，根據土力學可知，從結構物與地基接觸面上的剪應力與水平變位成線性關系的假定出發，可以得出下述方程式：

τ=-Cxμ（1）

式中τ——結構物與地基接觸面的剪應力（MPa）；

Cx——阻力系數（即產生單位位移的剪應力，N/mm3）；

μ——上述剪應力處地基的水平位移（mm）。

負號表示剪應力方向與水平位移相反。阻力系數CX隨地基的變形模量增加而增加；隨地基的塑性變形增加而減少；隨水平位移的速度增加而增大；隨地基對結構反力的增加而增大。對于阻力系數CX要精確地加以定量有一定的困難。目前主要是參考土動力學抗滑穩定等方面的理論研究及相關試驗資料和大量工程裂縫實例的反演及類比，推薦如下定量數據（表1［1，2］）。

表1　各類基礎及基礎（含墊層）約束下的水平阻力系數CX值

3 墊層材料選擇

主體工程對墊層材料的要求可概括為16個字：就地取材，施工方便，造價經濟，性能良好。性能良好主要體現在墊層材料的彈性模量要小、水平阻力系數CX要低，這樣計算出的箱涵分節長度才可以更長一些（見“5”裂縫實例分析算例）。這里，我們將近若干年來，在工程實踐中已有應用先例并取得一定效果的兩種墊層材料介紹如下：

（1）水泥土：抗壓強度一般可達（15～18）MPa，彈性模量一般為（300～600）MPa，按表1第5欄“風化巖石和低強度等級素混凝土”，可將水泥土視為“低強度等級素混凝土”一類，水平阻力系數取該欄下限值Cx=0.6N/mm3。水泥土替代C10混凝土雖有成功先例，但懷疑者仍擔心：一是當碰到工程趕進度時能否像C10混凝土那樣快速凝固；二是水泥土能否像C10混凝土那樣表面抹光。這兩個問題都可從水泥土的水泥含量（摻量為土料的10%～15%，水泥用量為160～240kg/m3）得到解答，水泥土水泥用量并不低于C10混凝土；遍布農村的曬谷坪一般都是三合土做成的，表面都可以抹光，水泥土抹光更沒有問題。必須說明，推薦水泥土做墊層材料的主要不是為了節省，而是因其彈性模量低、阻力系數低，對主體工程受力有利。

（2）6%水泥穩定石粉渣混合料（簡稱水泥穩定層）。水泥穩定石粉渣混合料是采用碎石場的細篩余料，修建公路“基層”時經常要用到。其組成為6份水泥、100份石粉渣干料。含水量一般控制在7%～9%的范圍。以“手握成團，但不冒漿，不沾手，落地能散”為度。據文獻［3］介紹，在“中等”交通等級，水泥混凝土路面“基層頂面當量回彈模量Et值”可取為100 MPa，較上文水泥土彈性模量要低。水泥穩定層的水平阻力系數為（0.2～0.3）N/mm3，具體采用時，當水泥穩定層中以石粉含量為主時，建議取CX=0.2N/mm3（以下稱水泥穩定層-1）；當水泥穩定層中除石粉外尚有石渣、石屑混合料則取CX=0.25N/mm3（以下稱水泥穩定層-2）。

4 主體結構施工方法

由于大型箱涵的斷面尺寸及混凝土一次澆筑量均較大，施工時采用一、二期混凝土分層澆筑已成為施工單位的不二選擇。其最大問題是將導致箱涵側墻二期混凝土普遍產生豎向裂縫。根據調查，湖區大型泵站大型箱涵凡采用一、二期混凝土分層施工時（圖1），在側墻二期混凝土中部普遍產生第一條或第一批豎向裂縫（圖2），原因是側墻二期混凝土收縮時，受到已澆一期混凝土的約束所致。

圖1　某壓力輸水箱涵橫剖面圖（單位：mm）

圖2　箱涵縱剖面一、二期混凝土示意圖

但有個別泵站如澧縣的福田寺協排站（屬黃沙灣主泵站），施工時仍基本采用“整體澆筑”。該泵站的壓力水箱迄今未發現豎向裂縫。據管理人員介紹，他們所講的“整體澆筑”，實施時仍采用一、二期混凝土分層施工，只是其間歇時間由通常的的6～7天縮短至1～2天。在澆完一期混凝土后不拆內模，立刻安裝側墻外模，著手進行側墻二期混凝土的澆筑準備，使一、二期混凝土澆筑時基本做到“整體澆筑，一氣呵成，同步收縮”以減少側墻一、二期混凝土的“收縮差”產生豎向裂縫的可能性。

5 裂縫實例分析

以我國南方某城市供水箱涵為例，涵管每節長20m，采用一、二期混凝土分層澆筑（圖1、圖2）。工程于1998年5～8月施工，每天從16∶00始，約（8～10）h澆完。混凝土澆筑后2～3周，在未覆土未通水情況下，于邊、中側墻二期混凝土中部陸續出現豎向裂縫，發生部位在管長1/2～1/3處，一般為2～3條，呈等距分布。裂縫絕大部分貫穿，寬（0.1～0.3）mm，至1998年9月15日統計，裂縫已達95條。混凝土為C30、W8、425號水泥。試塊試驗成果正常，均達到或超過設計強度等級。

裂縫性質屬于前文提到的“變形裂縫”一類。是由水化熱溫差及混凝土收縮引起。

當管節較長（≥20m）時，設計施工上仍應采取進一步的措施：

澆注方式，不宜采用一、二期混凝土分層澆筑，而應采用整體澆筑方法（見上文福田寺協排站施工法）。

墊層材料：整體澆筑時，應由一般的C10混凝土改為水泥穩定層（CX=0.2～0.25N/mm3）進行核算；當核算施工分層澆筑情況時：仍應考慮一期混凝土對二期混凝土的約束作用，建議取CX=1.5N/mm3進行核算。

經我們對該實例分節長度進行核算，L=（10.1～14.1）m，均小于箱涵設計分節長度20m，因此箱涵開裂在所難免。

如采用“后澆帶”法施工，管節長度亦可達到20m以上。因不屬本文研討范圍，不贅述。另見詳文獻［1，2，4］。

為比較兩種澆筑方式、4種墊層材料的優劣，現對參數β及管節長度L進行計算。管節長度L大者為優；大于或等于20m則計算通過。計算時均按管道未裂情況考慮。C30混凝土彈性模量E取3.0×104N/mm2，成果計算見表2。

表2　我國南方某城市輸水箱涵采用不同澆筑方式、墊層材料箱涵分節計算長度比較表

以雙孔箱涵資料為例（圖1、圖2），計算公式見

式（2）、式（3）。

①整澆箱涵參數β。

②一、二期混凝土分層澆筑。

式中E——箱涵混凝土28天彈性模量；

b、H、t——分別為箱涵寬度、高度、壁厚（圖1）。

箱涵管最大整澆長度，當H/L＜0.2時可用下式計算：

——算例

整體澆筑：

總溫差TT=T1+T2T1=T水化+T入倉-T環

式中T1——混凝土水化熱入倉溫度與開裂時環境之差；

T2——混凝土收縮當量溫差。

（1）溫度參數確定。

①T水化（水泥水化熱溫度）：由文獻［1］P155表6-2，當結構t=500mm（箱涵厚壁）、夏季施工時，查出基本溫升值T′=6℃。

T水化=T′·k1·k2·k3·k4=11.94（℃）。

式中k1·k2·k3·k4分別為水泥標號、水泥品種、水泥用量、模板種類修正系數：k1=1（425號）；k2=1.2（硅酸鹽水泥）；k3=1.185（326/275）；k4=1.4（木模）。②T入倉（混凝土入倉溫度）：據實測T入倉=33℃。③T環（環境溫度）：白天30℃，夜間20℃，平均25℃。

式中a——混凝土線膨脹系數，取1×10-5/℃；

εy（t）——混凝土齡期t=1年的收縮值，取15× 10-5。

式中-εP——混凝土極限拉伸值，取10.21×10-5。

（2）整體澆筑時箱涵最大澆筑長度。

墊層材料采用“水泥穩定層-1”CX=0.2N/mm3。

本工程結構高度，H=5.0m，長度L=20m，當H/ L＜0.2時，箱涵分節長度L按下式計算：

E·t·（2b+3H）

其中E=3.0×104MPa、b=7900mm、H=5000 mm、t=500mm（圖1）。

同樣，當采用其它墊層材料的CX值，可求出相應的參數β值及箱涵分節長度L（表2）。

（3）混凝土分層澆筑時，箱涵最大澆筑長度。

①溫度參數計算成果同“整體澆筑”；

②阻力系數CX，考慮一期混凝土對二期混凝土的約束，阻力系數均為CX=1.5N/mm3。

箱涵分節長度L計算：

其中E=3.0×104MPa、H=3700mm、b=7900mm。

同樣，當采用其它墊層材料時，即可求出相應的參數β值及箱涵分節長度度（表2）。

6 結論

由表2計算成果可知：

（1）墊層材料對主體結構受力的影響是十分顯著的。建議今后應因地制宜地采用水泥穩定層、水泥土等阻力系數小的材料作墊層（其彈性模量僅為C10混凝土的0.005～0.02；“水泥穩定層-1”作墊層時，箱涵整澆長L為C10混凝土墊層的二倍以上），少用或不用C10混凝土。因為后者不僅造價不菲，主要是不符合墊層材料“彈性模量小、阻力系數低”的基本要求，不利主體結構受力。

（2）選擇合理的墊層材料后，不但可以有效地增加箱涵分節長度，對裂縫的控制及防止也能產生有利的影響。

（3）從混凝土的澆筑方式看，整體澆筑較之分層澆筑有明顯的優越性；墊層材料則以水泥穩定層最佳，這兩者組合使箱涵分節長度達到（20.2～22.6）m，為今后采用長管節設計、施工提供了理論計算依據。其他組合的箱涵分節長度均小于設計長度20m，表明箱涵將會開裂。

（4）箱涵整體澆筑可采用福田寺協排站的施工方式，其最大特點是施工雖分一、二期，但兩期混凝土的間歇時間僅1～2天（一般為6～7天以上），使一、二期混凝土的澆筑基本做到“整體澆筑，一氣呵成，同步收縮”大大地減少了箱涵側墻一、二期混凝土“收縮差”產生豎向裂縫的可能性。

［1］王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京：中國建筑工業出版社，1997.

［2］趙志縉，趙舧.高層建筑基層工程施工［M］.北京：中國建筑工業出版社，1994.

［3］龍占平，王秉綱.水泥混凝土路面基層頂面當量回彈模量Et的修訂建議值，1998.

［4］余際可，范運田，余元君.輸水建筑物病險原因防治措施設計要點［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

余際可（1934-），男，教授級高級工程師，曾任湖南省水利廳技術委員會委員，主要從事水工專業工作。

（2016-01-21）