淺議U型橋臺(tái)裂縫成因及預(yù)防措施

【摘要】U型橋臺(tái)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，施工方便等特點(diǎn)，而被廣泛運(yùn)用于公路橋梁建設(shè)中，但由于其體積大，施工中會(huì)由于混凝土水化熱、混凝土收縮、地基承載力不足等引起結(jié)構(gòu)裂縫。本文結(jié)合河南省三門峽至淅川高速公路盧氏至西坪段U型橋臺(tái)工程實(shí)踐，簡(jiǎn)要分析U型橋臺(tái)裂縫成因，并提出有針對(duì)性的預(yù)防措施，供施工技術(shù)人員參考。

【關(guān)鍵詞】U型橋臺(tái)；大體積混凝土；溫度應(yīng)力；裂縫

1、前言

U型橋臺(tái)是重力式橋臺(tái)的一種，依靠自身重力平衡臺(tái)后土壓力。橋臺(tái)由前墻和兩側(cè)墻組成，在結(jié)構(gòu)上呈U字形，前墻既承受來(lái)自橋跨的結(jié)構(gòu)作用力，又承受臺(tái)后路基的土壓力。兩側(cè)墻分別承受兩側(cè)的土壓力。

河南省三門峽至淅川高速公路盧氏至西坪段工程位于秦嶺山區(qū)腹地，地形起伏大，地質(zhì)情況復(fù)雜，施工條件較差。因此U型橋臺(tái)這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，施工方便的橋臺(tái)類型，在該項(xiàng)目得到了廣泛應(yīng)用。但由于其體積較大，會(huì)由于混凝土水化熱、混凝土收縮、地基承載力不足等原因引起結(jié)構(gòu)裂縫。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過程，對(duì)裂縫成因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并提出有針對(duì)性的預(yù)防措施，供施工技術(shù)人員參考。

2、裂縫的分類和成因

U型橋臺(tái)的裂縫有兩種，一種是微觀裂縫，一種是宏觀裂縫。微觀裂縫要通過檢測(cè)儀器才能量測(cè)，這種裂縫分布不規(guī)則，對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響不大。宏觀裂縫分為表層裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫。表層裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)物影響不大，但要及時(shí)進(jìn)行處理，防止其繼續(xù)發(fā)育。深層裂縫和貫穿裂縫是嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)壽命和受力狀態(tài)的兩種裂縫，施工中必須要采取預(yù)防措施進(jìn)行控制。經(jīng)總結(jié)和分析對(duì)U型橋臺(tái)裂縫成因影響較大的有以下三個(gè)因素。

2.1溫度應(yīng)力作用

混凝土形成溫度應(yīng)力的條件是：溫差和約束。

U型橋臺(tái)體積較大，水泥在水化過程中會(huì)釋放大量的熱量，但由于混凝土的導(dǎo)熱性差，使水化熱不易散發(fā)，這些熱量在混凝土內(nèi)部聚集，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部急劇升溫?；炷了磻?yīng)過程集中在澆筑初期，此時(shí)混凝土的彈性模量和強(qiáng)度都很低，相對(duì)的溫度應(yīng)力并不大。但隨著混凝土齡期的不斷增長(zhǎng)，其彈性模量和強(qiáng)度逐漸增大，對(duì)混凝土降溫收縮變形的約束越來(lái)越大，以致產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當(dāng)超過同齡期混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，便出現(xiàn)溫度裂縫。這一階段產(chǎn)生的裂縫，占結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫的80%以上。需要采取有效措施進(jìn)行控制。

2.2混凝土收縮變形引起的裂縫

施工階段對(duì)混凝土裂縫形成有較大影響的收縮變形主要有以下幾種：混凝土在澆筑后水與水泥的化合反應(yīng)引起自生收縮；空氣中二氧化碳與水泥反應(yīng)引起碳化收縮；混凝土中自由水散失引起失水干縮等。收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力是導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的原因之一。

2.3地基沉降變形

由于橋臺(tái)體積較大，重量較大，若地基處理不當(dāng)或受地下水的影響，會(huì)造成地基不均勻沉降或承載力不足，從而引起結(jié)構(gòu)物某個(gè)部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致混凝土裂縫的出現(xiàn)。

3、裂縫預(yù)防措施

3.1減小溫度應(yīng)力

混凝土溫度應(yīng)力產(chǎn)生的根源是水化放熱和降溫收縮，在施工中可以通過降低水化熱，加快水化熱散失等方式進(jìn)行溫度應(yīng)力控制。

（1）合理選擇水泥種類

由于水泥中礦物成分的不同，不同水泥水化熱差異很大。U型橋臺(tái)施工不宜選用水化熱高的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、早強(qiáng)水泥，適宜選用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣水泥。

（2）控制水泥用量

施工中在保證混凝土強(qiáng)度和坍落度的前提下提高摻合料及骨料的含量，盡量減少水泥的用量。在混凝土中合理地?fù)饺胪饧觿┖头勖夯?，可以減少用水量和水泥用量，并改善混凝土的和易性、延長(zhǎng)混凝土的緩凝時(shí)間、改善混凝土的粘塑性、降低混凝土釋放的水化熱量。

（3）加快水化熱散失

根據(jù)U型橋臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將橋臺(tái)進(jìn)行合理分層，逐層進(jìn)行混凝土澆筑，通過對(duì)澆筑間隔的合理安排，可以有效減小混凝土早期溫差，從而防止溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。合理加配溫度構(gòu)造鋼筋，U型橋臺(tái)基本為純混凝土結(jié)構(gòu)，如果在施工之前在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部對(duì)稱布置一定數(shù)量的溫度構(gòu)造鋼筋，利用鋼筋的良好導(dǎo)熱特性，可以加快結(jié)構(gòu)物內(nèi)部水化熱的傳導(dǎo)。同時(shí)由于鋼筋與混凝土的熱膨脹系數(shù)相差不大，因此鋼筋也可以分散混凝土的溫度應(yīng)力，從而避免裂縫的開展，并約束已有裂縫的發(fā)展。在混凝土內(nèi)部埋設(shè)降溫水管，在混凝土澆筑4-5個(gè)小時(shí)左右（水化反應(yīng)最激烈的時(shí)候）通冷卻水，吸收水化熱，從而達(dá)到降低混凝土內(nèi)部溫度的目的。降溫水管要在混凝土內(nèi)均勻布置，要控制好降溫速度，防止在混凝土內(nèi)部不同區(qū)域形成過大溫差，造成新的溫度應(yīng)力分布。

（4）控制混凝土出機(jī)溫度

混凝土的出機(jī)溫度直接影響到混凝土內(nèi)部最高溫度，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和混凝土熱力學(xué)公式，影響混凝土出機(jī)溫度最主要的因素是集料溫度和水的溫度。在集料堆積區(qū)修筑遮陽(yáng)棚，避免陽(yáng)光直接照射集料，并做好通風(fēng)措施，防止熱量積聚。在集料進(jìn)入攪拌罐前可以通過摻入冰屑的做法，為集料降溫。拌合用水也要避免陽(yáng)光直接照射，若水溫過高，可以通過在水中加入冰塊的方法為水降溫，但水溫不得過低，以免影響混凝土拌合。

3.2控制混凝土收縮

通過控制混凝土的收縮可以有效降低收縮應(yīng)力，預(yù)防裂縫的出現(xiàn)，控制表層裂縫的發(fā)展。影響混凝土收縮的因素有很多，包括集料的粒徑、水泥的種類、結(jié)構(gòu)物裸露于自然界的時(shí)間、空氣的濕度、外加劑及摻合料的使用等。

（1）根據(jù)不同水泥和摻合料的性質(zhì)，選擇合適的水泥，礦渣水泥混凝土的自生收縮是負(fù)的，也就是膨脹變形；使用粉煤灰做摻合料的混凝土也有相似的作用，這些對(duì)混凝土抗裂性都是有益的。（2）根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究在混凝土配制中選擇自然連續(xù)級(jí)配的粗集料和細(xì)度模數(shù)在2.3-3.0范圍內(nèi)的中砂，可以減少水和水泥的用量，從而減少小混凝土的收縮，同時(shí)降低混凝土水化熱。（3）環(huán)境的濕度和溫度直接影響混凝土的干縮變形，在施工完成后及時(shí)進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，實(shí)踐證明養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)收縮越小。保濕養(yǎng)護(hù)能夠有效抑制因環(huán)境過于干燥造成混凝土失水干縮。（4）橋臺(tái)施工完成及時(shí)進(jìn)行回填，減少結(jié)構(gòu)物在空氣中的暴露時(shí)間，減少混凝土與空氣之間的濕度交換，可以有效控制混凝土內(nèi)部自由水的散發(fā)。

3.3地基處理

地基不均勻沉降產(chǎn)生的原因多是由于地基處理不當(dāng)，引起的地基承載力不足。因此在混凝土澆筑之前要進(jìn)行地基承載力測(cè)試，對(duì)不滿足承載力要求的位置進(jìn)行地基處理，地基處理的手段包括基礎(chǔ)換填、電化學(xué)法、CFG樁、沖擊碾壓、夯擊壓實(shí)等；對(duì)有地下水影響的要切斷地下水通道，將水引導(dǎo)排出地基范圍外。在結(jié)構(gòu)物中合理設(shè)置沉降縫，可以引導(dǎo)因地基不均勻沉降造成的裂縫的發(fā)生位置，避免應(yīng)力集中區(qū)域裂縫產(chǎn)生和發(fā)展。

4、結(jié)語(yǔ)

U型橋臺(tái)在施工中裂縫成因多樣，裂縫的控制研究涉及多學(xué)科交叉，需要工程技術(shù)人員在施工中不斷摸索，不斷總結(jié)。控制混凝土裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)混凝土工程，為祖國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

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