配筋混凝土墊層材料的合理選擇——以某大型輸水箱涵分節(jié)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(shè)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(jié)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(shè)計咨詢有限公司長沙市410000）

文章對主體結(jié)構(gòu)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(chǎn)生豎向裂縫的現(xiàn)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(jīng)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(nèi)水壓力、土重……等）產(chǎn)生，這一類裂縫占裂縫總數(shù)不到20%；另一類為變形裂縫，基本由溫度變形、收縮變形產(chǎn)生，約占裂縫總數(shù)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(chǎn)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(zhǔn)，不像荷載計算比較準(zhǔn)確?，F(xiàn)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(yīng)力；收縮變形主要是由“干縮”和“凝縮”產(chǎn)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(fā)而形成“干縮”。此外，混凝土在水泥水化過程中要產(chǎn)生體積變形，多數(shù)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(yōu)化混凝土配合比，嚴(yán)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(yīng)力和減少混凝土的收縮變形。

由于第二類裂縫產(chǎn)生的普遍性和常見性，一位長期從事“裂縫控制”研究的學(xué)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(shù)是把裂縫控制在無害的范圍內(nèi)，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(jié)構(gòu)的影響卻是十分顯著的。在已建工程調(diào)查資料中，到處都可見到墊層材料對主體結(jié)構(gòu)“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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)85%；

——基巖上澆筑的大體積混凝土上的裂縫遠(yuǎn)比土基上的混凝土嚴(yán)重；

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

這些僅是表面現(xiàn)象。根本原因則是主體結(jié)構(gòu)混凝土從澆筑完成、養(yǎng)護結(jié)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(fā)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(dá)到0.001。收縮隨時間發(fā)展的規(guī)律難以作精確的估算。作為粗略的估計，仍從混凝土養(yǎng)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(wěn)定。

主體結(jié)構(gòu)對墊層除要求具備一定（抗壓）強度外，“其彈性模量應(yīng)更小一些，水平阻力系數(shù)Cx應(yīng)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(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象，就是如此。

2 關(guān)于地基水平阻力系數(shù)CX

在地基為非剛性的前提下，根據(jù)土力學(xué)可知，從結(jié)構(gòu)物與地基接觸面上的剪應(yīng)力與水平變位成線性關(guān)系的假定出發(fā)，可以得出下述方程式：

τ=-Cxμ（1）

式中τ——結(jié)構(gòu)物與地基接觸面的剪應(yīng)力（MPa）；

Cx——阻力系數(shù)（即產(chǎn)生單位位移的剪應(yīng)力，N/mm3）；

μ——上述剪應(yīng)力處地基的水平位移（mm）。

負(fù)號表示剪應(yīng)力方向與水平位移相反。阻力系數(shù)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(jié)構(gòu)反力的增加而增大。對于阻力系數(shù)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(xué)抗滑穩(wěn)定等方面的理論研究及相關(guān)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(shù)據(jù)（表1［1，2］）。

表1　各類基礎(chǔ)及基礎(chǔ)（含墊層）約束下的水平阻力系數(shù)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(jīng)濟，性能良好。性能良好主要體現(xiàn)在墊層材料的彈性模量要小、水平阻力系數(shù)CX要低，這樣計算出的箱涵分節(jié)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(yīng)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(dá)（15～18）MPa，彈性模量一般為（300～600）MPa，按表1第5欄“風(fēng)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(shù)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(dān)心：一是當(dāng)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(nóng)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(jié)省，而是因其彈性模量低、阻力系數(shù)低，對主體工程受力有利。

（2）6%水泥穩(wěn)定石粉渣混合料（簡稱水泥穩(wěn)定層）。水泥穩(wěn)定石粉渣混合料是采用碎石場的細(xì)篩余料，修建公路“基層”時經(jīng)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(jù)文獻［3］介紹，在“中等”交通等級，水泥混凝土路面“基層頂面當(dāng)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(wěn)定層的水平阻力系數(shù)為（0.2～0.3）N/mm3，具體采用時，當(dāng)水泥穩(wěn)定層中以石粉含量為主時，建議取CX=0.2N/mm3（以下稱水泥穩(wěn)定層-1）；當(dāng)水泥穩(wěn)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(wěn)定層-2）。

4 主體結(jié)構(gòu)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(dǎo)致箱涵側(cè)墻二期混凝土普遍產(chǎn)生豎向裂縫。根據(jù)調(diào)查，湖區(qū)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(cè)墻二期混凝土中部普遍產(chǎn)生第一條或第一批豎向裂縫（圖2），原因是側(cè)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(xié)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(fā)現(xiàn)豎向裂縫。據(jù)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(nèi)模，立刻安裝側(cè)墻外模，著手進行側(cè)墻二期混凝土的澆筑準(zhǔn)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(cè)墻一、二期混凝土的“收縮差”產(chǎn)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(jié)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(cè)墻二期混凝土中部陸續(xù)出現(xiàn)豎向裂縫，發(fā)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(tǒng)計，裂縫已達(dá)95條?；炷翞镃30、W8、425號水泥。試塊試驗成果正常，均達(dá)到或超過設(shè)計強度等級。

裂縫性質(zhì)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(dāng)管節(jié)較長（≥20m）時，設(shè)計施工上仍應(yīng)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(yīng)采用整體澆筑方法（見上文福田寺協(xié)排站施工法）。

墊層材料：整體澆筑時，應(yīng)由一般的C10混凝土改為水泥穩(wěn)定層（CX=0.2～0.25N/mm3）進行核算；當(dāng)核算施工分層澆筑情況時：仍應(yīng)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(jīng)我們對該實例分節(jié)長度進行核算，L=（10.1～14.1）m，均小于箱涵設(shè)計分節(jié)長度20m，因此箱涵開裂在所難免。

如采用“后澆帶”法施工，管節(jié)長度亦可達(dá)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(yōu)劣，現(xiàn)對參數(shù)β及管節(jié)長度L進行計算。管節(jié)長度L大者為優(yōu)；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(jié)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(shù)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(dāng)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(huán)

式中T1——混凝土水化熱入倉溫度與開裂時環(huán)境之差；

T2——混凝土收縮當(dāng)量溫差。

（1）溫度參數(shù)確定。

①T水化（水泥水化熱溫度）：由文獻［1］P155表6-2，當(dāng)結(jié)構(gòu)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(biāo)號、水泥品種、水泥用量、模板種類修正系數(shù)：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(jù)實測T入倉=33℃。③T環(huán)（環(huán)境溫度）：白天30℃，夜間20℃，平均25℃。

式中a——混凝土線膨脹系數(shù)，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(wěn)定層-1”CX=0.2N/mm3。

本工程結(jié)構(gòu)高度，H=5.0m，長度L=20m，當(dāng)H/ L＜0.2時，箱涵分節(jié)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(dāng)采用其它墊層材料的CX值，可求出相應(yīng)的參數(shù)β值及箱涵分節(jié)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(shù)計算成果同“整體澆筑”；

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

箱涵分節(jié)長度L計算：

其中E=3.0×104MPa、H=3700mm、b=7900mm。

同樣，當(dāng)采用其它墊層材料時，即可求出相應(yīng)的參數(shù)β值及箱涵分節(jié)長度度（表2）。

6 結(jié)論

由表2計算成果可知：

（1）墊層材料對主體結(jié)構(gòu)受力的影響是十分顯著的。建議今后應(yīng)因地制宜地采用水泥穩(wěn)定層、水泥土等阻力系數(shù)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(wěn)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(shù)低”的基本要求，不利主體結(jié)構(gòu)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(jié)長度，對裂縫的控制及防止也能產(chǎn)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(yōu)越性；墊層材料則以水泥穩(wěn)定層最佳，這兩者組合使箱涵分節(jié)長度達(dá)到（20.2～22.6）m，為今后采用長管節(jié)設(shè)計、施工提供了理論計算依據(jù)。其他組合的箱涵分節(jié)長度均小于設(shè)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(xié)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(cè)墻一、二期混凝土“收縮差”產(chǎn)生豎向裂縫的可能性。

［1］王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京：中國建筑工業(yè)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(yè)出版社，1994.

［3］龍占平，王秉綱.水泥混凝土路面基層頂面當(dāng)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(shè)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(shù)委員會委員，主要從事水工專業(yè)工作。

（2016-01-21）