路基混凝土施工期裂縫與溫度應(yīng)力關(guān)系規(guī)律研究

郭磊

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北涿州072750）

路基混凝土施工期裂縫與溫度應(yīng)力關(guān)系規(guī)律研究

郭磊

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北涿州072750）

針對(duì)路基混凝土施工期裂縫對(duì)路基穩(wěn)定不利影響的問(wèn)題，以汕(頭)湛(江)高速公路云浮至湛江段及支線工程(化州至湛江段)第TJ-29合同段為研究實(shí)例，采集了大量相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上就路基混凝土施工期裂縫與溫度應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)分析，探討了路基混凝土施工期溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)與裂縫的發(fā)展時(shí)程，同時(shí)，就裂縫與溫度應(yīng)力關(guān)系規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

路基；混凝土；裂縫；溫度應(yīng)力；原型監(jiān)測(cè)；裂縫控制

作為道路工程的核心工程之一，路基的性能尤為重要，其結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性，是相關(guān)部門和工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。路基結(jié)構(gòu)體型和受力情況均十分復(fù)雜，極易在混凝土施工期出現(xiàn)裂縫，裂縫會(huì)極大地影響了路基結(jié)構(gòu)的防滲性、耐久性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。目前雖然對(duì)路基結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫控制已探索出一些措施和方法，但是在建路基的表面、側(cè)面仍然經(jīng)常出現(xiàn)表觀裂縫，對(duì)于路基混凝土施工期的裂縫控制的相關(guān)研究仍然很有價(jià)值。

1986年,美國(guó)麻省理工大學(xué)J.Rayller指出，路基混凝土在施工期產(chǎn)生裂縫的根本原因是因?yàn)榛炷帘砻胬瓚?yīng)力超過(guò)其承載極限而產(chǎn)生的剪切塑性破壞。所以，要合理控制路基混凝土施工過(guò)程中的裂縫，就必須合理控制路基混凝土在施工過(guò)程中的應(yīng)力分布[1-2]，而因?yàn)闇囟茸兓鸬臏囟葢?yīng)力是混凝土拉應(yīng)力的一種重要形式。本文將結(jié)合汕(頭)湛(江)高速公路云浮至湛江段及支線工程(化州至湛江段)第TJ-29合同段實(shí)例工程，通過(guò)原型觀測(cè)測(cè)量和分析對(duì)比，對(duì)其混凝土施工期裂縫與溫度應(yīng)力關(guān)系規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究探討。

1 工程概況

汕(頭)湛(江)高速公路云浮至湛江段及支線工程(化州至湛江段)第TJ-29合同段設(shè)計(jì)樁號(hào)范圍為：LZK11+800-LZK26+000，路線總長(zhǎng)14.2 km，主要位于廉江市良垌鎮(zhèn)及石城鎮(zhèn)境內(nèi)，見圖1。合同段內(nèi)設(shè)置有良垌服務(wù)區(qū)（LZK11+810-LZK13+240）、廉江東互通立交（LZK20+050-LZK21+250）。工程所在區(qū)域?yàn)槟蟻啛釒Ш捅睙釒У倪^(guò)渡帶，屬南亞熱帶、北熱帶、亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，夏長(zhǎng)冬暖，雨熱同季，降水分布不均勻，干濕季明顯，冬季寒潮入侵偶有嚴(yán)寒，夏秋期間，臺(tái)風(fēng)、暴雨頻繁。年平均氣溫22.3～23.9℃之間。本工程混凝土全年可以澆筑。境內(nèi)多年平均年降雨量為1 724mm。降雨量季節(jié)和地理分布不均勻，4～9月份是雨季，降雨量占全年的83%；1月、2月、11月、12月為干旱季節(jié)，4個(gè)月降雨量只有全年的8%。良垌一帶降雨量相對(duì)較多。

圖1 工程地理位置圖

本標(biāo)段為低緩丘陵地貌，主要為緩丘、微丘間山間洼地地貌及臺(tái)地地貌，部分為河流沖積平原。地形較平緩，起伏不大，一般高程在5～50 m，高差一般為5～35 m。

2 混凝土施工期溫度、應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)置

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)測(cè)量主要針對(duì)路基混凝土區(qū)域，沿豎直方向共分三層布置，見圖2。其中，上層與下層測(cè)點(diǎn)布置一致，均布置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，中間層考慮到安裝條件較差，局部區(qū)域難以布設(shè)測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)20個(gè)測(cè)點(diǎn)。各層根據(jù)拉應(yīng)力的分布規(guī)律，重點(diǎn)將測(cè)溫儀與應(yīng)變計(jì)布置在拉應(yīng)力集中區(qū)域。三層總共布置68個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一個(gè)測(cè)溫儀與兩個(gè)應(yīng)變計(jì)，局部測(cè)點(diǎn)只設(shè)置一個(gè)應(yīng)變計(jì)，三層共布置113個(gè)應(yīng)變計(jì)。

2.2 路基混凝土施工期裂縫監(jiān)測(cè)

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)

綜合考慮儀器的適用性、測(cè)量精確度以及試驗(yàn)成本等因素，本次試驗(yàn)溫度測(cè)量采用MR1S雙色測(cè)溫儀（量程為-30～80℃，測(cè)量精度為±0.5℃），應(yīng)力測(cè)量?jī)x器選擇XH5861全程控動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)（量程為0～5000με，測(cè)量精度為±1με）。其中，MR1S測(cè)溫儀與XH5861應(yīng)變計(jì)都具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸功能。

混凝土的裂縫采用ZT-F00A智能裂縫測(cè)寬儀，輔以皮尺進(jìn)行測(cè)量、記錄。ZT-F00A裂縫測(cè)寬儀可利用粒子成像技術(shù)將裂縫等比例地縮放于電子屏幕上，自動(dòng)進(jìn)行裂縫特征參數(shù)測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)±0.01mm。同時(shí)，該儀器還能采集裂縫歷時(shí)過(guò)程的圖像、視頻數(shù)據(jù)。

3 路基混凝土施工期監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程數(shù)據(jù)分析

圖3 上、下層典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變、溫度時(shí)程曲線

分析68個(gè)測(cè)點(diǎn)各組數(shù)據(jù)的應(yīng)變歷時(shí)變化，可發(fā)現(xiàn)上層和下層測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化規(guī)律一致，拉應(yīng)變歷時(shí)曲線為“先急凹后緩?fù)埂毙颓€；中間層測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化規(guī)律與上、下層相反，拉應(yīng)變歷時(shí)曲線為“凹”型曲線。

3.1.1 上層、下層測(cè)點(diǎn)時(shí)程數(shù)據(jù)分析

經(jīng)分析，上層、下層共48個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)程數(shù)據(jù)曲線都基本一致，均表現(xiàn)為先拉后壓的“先急凹后緩?fù)埂毙颓€。選擇下層測(cè)點(diǎn)S-07為特征點(diǎn)，其應(yīng)變時(shí)程曲線，見圖3，可以分為三個(gè)明顯階段：

（1）大幅收縮階段（混凝土入倉(cāng)后0～24 h）

此階段內(nèi)，混凝土水化熱劇烈，放熱速率較高，溫度迅速上升（由19.5～35.3℃），此時(shí)混凝土所受X、Y方向的應(yīng)變斷崖式下降（X方向由0下降至-152.8με，Y方向由0下降至-226.4με），該階段數(shù)據(jù)呈直線下降趨勢(shì)。

（2）緩慢恢復(fù)階段（1～14 d）

此階段內(nèi)，混凝土產(chǎn)生的水化熱較為平緩，混凝土逐漸穩(wěn)定，溫度開始逐漸下降，混凝土內(nèi)外溫差顯著減小，混凝土所受X、Y方向的應(yīng)變開始緩慢恢復(fù)（X方向由-152.8με恢復(fù)至0，Y方向由-226.4με恢復(fù)至-135.6με）。

該階段恢復(fù)期較長(zhǎng)，應(yīng)變恢復(fù)也產(chǎn)生了多次波動(dòng)，此階段末期混凝土由壓應(yīng)力開始向轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力轉(zhuǎn)變。

圖4 中間層典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變、溫度時(shí)程曲線

（3）持續(xù)微縮階段（14～30 d）此階段溫度持續(xù)平穩(wěn)下降，混凝土所受X、Y方向的應(yīng)變也持續(xù)下降，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，該階段內(nèi)混凝土強(qiáng)度上升幅度較大，是混凝土重點(diǎn)養(yǎng)護(hù)期。

3.1.2 中間層測(cè)點(diǎn)時(shí)程數(shù)據(jù)分析

經(jīng)分析，中間層8個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)程數(shù)據(jù)曲線都基本一致，均表現(xiàn)為“凹”型曲線。選擇中間層測(cè)點(diǎn)X-19為特征點(diǎn)，其應(yīng)變時(shí)程曲線，見圖4，可以分為三個(gè)明顯階段：

（1）自收縮階段（混凝土入倉(cāng)后0～24 h）

此階段內(nèi)，大部分邊界點(diǎn)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出收縮的情況（壓應(yīng)變?cè)龃螅?，收縮50με至100με不等；大致在12 h收縮停止。

（2）溫升壓縮階段（混凝土入倉(cāng)后1～3 d）

此階段內(nèi)，X向、Y向應(yīng)變隨著溫度的升高而減少，體現(xiàn)受壓狀態(tài)。

（3）溫降拉伸階段（混凝土入倉(cāng)后4～30 d）

溫度在第3 d達(dá)到峰值，此后應(yīng)變隨著溫度的下降，隨著時(shí)間緩慢增大。同時(shí)，溫度曲線1～2 d達(dá)到峰值，峰值為60～80℃，之后溫度隨著時(shí)間緩慢下降，齡期達(dá)28 d時(shí)，溫度依舊有下降趨勢(shì)，未到穩(wěn)定溫度。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析，整個(gè)應(yīng)變曲線跟溫度曲線顯現(xiàn)出很好的反相關(guān)性，但應(yīng)變與溫度比值并不等于線膨脹系數(shù)；24 h齡期內(nèi)急劇收縮現(xiàn)象依然存在，例如在時(shí)程曲線中可以看出。同時(shí)，進(jìn)一步觀察可知，溫度曲線上升迅速、下降緩慢，主要為內(nèi)部散熱不暢所致，規(guī)律基本正常。

圖5 0.5d齡期混凝土應(yīng)變切片云圖

圖6 5d齡期混凝土應(yīng)變切片云圖

圖7 12d齡期混凝土應(yīng)變切片云圖

3.2 監(jiān)測(cè)場(chǎng)應(yīng)變分析

混凝土監(jiān)測(cè)場(chǎng)各齡期X方向和Y方向應(yīng)變場(chǎng)的切片云圖，見圖5～圖8。

圖8 25d齡期混凝土應(yīng)變切片云圖

從混凝土監(jiān)測(cè)場(chǎng)X方向應(yīng)變發(fā)展歷程來(lái)看，混凝土入倉(cāng)初期，應(yīng)變場(chǎng)以拉應(yīng)力變化為主。在5 d齡期下層中心區(qū)域開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，并逐漸向上層和四周傳遞。在12d以后，下層中心區(qū)域受壓程度有所降低，受壓地區(qū)大幅向四周擴(kuò)散。在25d時(shí)，下層中心區(qū)域由受壓狀態(tài)又變化為受拉狀態(tài)，四周的混凝土則由受拉轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)。

混凝土監(jiān)測(cè)場(chǎng)Y方向應(yīng)變發(fā)展歷程與X方向發(fā)展歷程相似，在0～5d的受壓中心位于底板底層中心部位，相比X向應(yīng)變中心位置偏下，0～5d外圍逐漸受拉，中心逐漸受壓。5～25d后，外圍由拉轉(zhuǎn)壓，底板底層受壓程度及區(qū)域都相減少。

圖9 25 d齡期混凝土應(yīng)變切片云圖

4 路基混凝土施工期裂縫與溫度應(yīng)力關(guān)系

4.1 監(jiān)測(cè)場(chǎng)溫度分析

在路基混凝土下層、中間層各取20個(gè)測(cè)點(diǎn)（兩層之間水平坐標(biāo)完全一致），溫度變化，見圖9。分析該圖可以看出，下、中間層上，溫度隨齡期變化規(guī)律一致；兩層混凝土在齡期0～1.5d上升。1.5 d后，隨著齡期增長(zhǎng)，各位置溫度值緩慢下降，形成“山坡”，說(shuō)明各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度極值變化不大；28d齡期時(shí)，溫度下降趨勢(shì)已經(jīng)平緩，但未降至室外溫度0℃左右。

4.2 應(yīng)變與溫度關(guān)系分析

圖3、圖4列出了下層、中間層的典型特征點(diǎn)應(yīng)變、溫度時(shí)程曲線。根據(jù)這兩幅圖可以看出，溫度與應(yīng)變明顯反相關(guān)。

4.3 裂縫與溫度應(yīng)力關(guān)系分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)，路基混凝土前后共出現(xiàn)5條明顯的裂縫，前期（0～100 d）出現(xiàn)的三條裂縫B1、B2、B3隨著時(shí)間推移不斷增大，并在150d后逐漸閉合，后期（101～150d）出現(xiàn)的兩條裂縫B4、B5隨著時(shí)間發(fā)展規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，但沒有出現(xiàn)閉合趨勢(shì)。路基混凝土在20d齡期應(yīng)變與裂縫關(guān)系，見圖10。

分析圖10可知，B2、B3裂縫附近的應(yīng)變監(jiān)測(cè)顯示該區(qū)域周圍的應(yīng)變與周圍相比有較大變化，這說(shuō)明早期裂縫的發(fā)生可能對(duì)應(yīng)變值有一定關(guān)系。裂縫出現(xiàn)時(shí)，與其對(duì)應(yīng)的區(qū)域應(yīng)變并沒有發(fā)現(xiàn)跳變，應(yīng)變?cè)诹芽p出現(xiàn)時(shí)依然變化平滑連續(xù)；同時(shí)，B2、D3裂縫附近的應(yīng)變極值相對(duì)于其他部位都偏高很多，推斷認(rèn)為，應(yīng)變極值較大區(qū)域附近更可能產(chǎn)生裂縫。同時(shí)，進(jìn)一步研究可發(fā)現(xiàn)，路基混凝土施工期裂縫大小規(guī)模與溫度應(yīng)力呈正相關(guān)，即在路基混凝土施工期，溫度應(yīng)力越大，混凝土拉應(yīng)力越大，壓應(yīng)力越小，混凝土越容易出現(xiàn)裂縫。

圖10 路基混凝土20d齡期應(yīng)變與裂縫關(guān)系圖

根據(jù)路基混凝土施工期溫度應(yīng)力、裂縫規(guī)模的發(fā)展歷程可知，路基混凝土的入倉(cāng)溫度是早期應(yīng)變場(chǎng)分布的重要影響因素，裂縫產(chǎn)生的規(guī)模與溫度應(yīng)力呈顯著的指數(shù)正相關(guān)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)路基混凝土施工期容易產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象，選擇S338寧鎮(zhèn)線戴莊段實(shí)例工程進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析，探討了路基混凝土施工期裂縫與溫度應(yīng)力關(guān)系規(guī)律，研究結(jié)果表明，路基混凝土施工期裂縫大小規(guī)模與溫度應(yīng)力呈指數(shù)正相關(guān)，且寬縫區(qū)域基本出現(xiàn)在溫度應(yīng)力極值區(qū)域。由此可見，要有效控制路基混凝土裂縫規(guī)模，采取合理措施，控制入混凝土倉(cāng)溫度是關(guān)鍵因素。

由于筆者精力、能力有限，本文未就路基混凝土裂縫規(guī)模與溫度應(yīng)力的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的探討，建議有關(guān)同仁就這一方向展開進(jìn)一步深入探討。

[1]Krajcinovie D，Silva M A G．Statistical aspects of the continuous damage theory[J].International Journal of Solids and Structures，1982,18(7)：551-562．

[2]吳瑤，徐世烺，吳建營(yíng),等.雙K斷裂準(zhǔn)則在丹江口大壩安全性評(píng)定中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào)，2015,46(3)：366-372．

[3]管俊峰，卿龍邦，趙順波.混凝土三點(diǎn)彎曲梁裂縫斷裂全過(guò)程數(shù)值模擬研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30(1)：143-148,155．

A Study on the Relation between Cracks and Temperature Stress During Subgrade Concrete Construction Period

GUO Lei
(China Railway Eighteen Bureau Group Co.,Ltd.,Zhuozhou,Zhuozhou Hebei,072750)

As to the adverse effect of cracks to the stability of subgrade during subgrade concrete construction period,taking Yunfu-Zhanjiang part and Huazhou-Zhanjiang part of Shanzhan super highway as example,by collecting large amount of data,we analyzed the relation between cracks and temperature stress and discussed the development of temperature field,strain field and cracks during subgrade concrete construction period.Besides,the rule of the relation between cracks and temperature stress was systematically researched.

subgrade;concrete;fracture;temperature stress;prototype monitoring;crack control

TV147

A

〔責(zé)任編輯 王東〕

1674-0874(2017)04-0065-06

2017-05-08

郭磊（1983-），男，安徽蚌埠人，工程師，研究方向：道路工程管理。