鋼筋混凝土箱涵裂縫成因分析及處理措施

張靜元，聶玉東

(黑龍江省公路勘察設(shè)計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，涵洞各等級公路建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，其中鋼筋混凝土箱涵是目前涵洞最常用的結(jié)構(gòu)形式。鋼筋混凝土箱涵具有施工方便，占用空間較小，造價較為經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點。

鋼筋混凝土箱涵目前主要存在翼墻與涵身脫開或傾斜、翼墻與涵身擠壓開裂、涵身塌腰、涵身開裂、變形縫開裂、臺背不均勻沉降、淤塞積水、滲水或漏水、護(hù)坡破壞等病害。但裂縫是鋼筋混凝土箱涵主體結(jié)構(gòu)最容易出現(xiàn)的病害之一。在施工過程中和使用過程中，鋼筋混凝土箱涵均會出現(xiàn)裂縫。裂縫的出現(xiàn)直接影響了箱涵的美觀和表觀質(zhì)量，但更對箱涵結(jié)構(gòu)的使用壽命和行車安全造成了諸多不利影響。鋼筋混凝土箱涵裂縫的存在無法阻止外界有害物質(zhì)對混凝土和鋼筋腐蝕，會導(dǎo)致混凝土劣化，鋼筋銹蝕，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性，大大降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，裂縫情況嚴(yán)重時，可能會威脅行車安全，給人民的生命和財產(chǎn)造成重大的威脅。

本文對鋼筋混凝土箱涵裂縫進(jìn)行了具體分類，并對裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，提出切實可靠的處理措施。

1 鋼筋混凝土箱涵裂縫的分類

1.1 按結(jié)構(gòu)受力分類

從結(jié)構(gòu)受力方面，鋼筋混凝土箱涵的裂縫可以劃分為兩種，第一種為結(jié)構(gòu)性裂縫，第二種為非結(jié)構(gòu)性裂縫。

結(jié)構(gòu)性裂縫一般出現(xiàn)箱涵的頂板或腹板位置，常常出現(xiàn)在箱涵運營使用期間。頂板通常會出現(xiàn)橫向裂縫，腹板通常會出現(xiàn)豎向裂縫。

非結(jié)構(gòu)性裂縫可能出現(xiàn)箱涵的任何位置，常常出現(xiàn)在箱涵施工和養(yǎng)護(hù)期間，主要包括溫度裂縫、干縮裂縫和收縮裂縫。溫度裂縫是最常見的一種類型，在施工過程中要采用一定的措施進(jìn)行防控。干縮裂縫出現(xiàn)的時機(jī)一般為混凝土養(yǎng)護(hù)一段時間后或者混凝土澆筑完成7 d左右。收縮裂縫一般出現(xiàn)在混凝土凝結(jié)之前，可以分為干燥收縮和自收縮兩種。

1.2 按裂縫出現(xiàn)時間分類

從裂縫出現(xiàn)時間方面，鋼筋混凝土箱涵的裂縫可以劃分為兩種，第一種類型為施工期間出現(xiàn)的裂縫，容易出現(xiàn)裂縫的時機(jī)主要以下四個，如圖1所示。裂縫可能在其中一個階段出現(xiàn)，例如僅在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后出現(xiàn)，也可能在多個階段出現(xiàn)裂縫，例如同時在模板拆除后、預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后和支架拆除后三個階段出現(xiàn)裂縫，其中后一階段的裂縫可能是前一階段裂縫誘導(dǎo)產(chǎn)生的，同時會導(dǎo)致前一階段裂縫的延伸和發(fā)展。第二種類型為運營期間出現(xiàn)的裂縫，主要包括外界荷載變化和不利環(huán)境侵蝕造成的裂縫。

圖1 箱涵施工期間裂縫出現(xiàn)的時機(jī)

1.3 按裂縫深度分類

從裂縫深度方面，鋼筋混凝土箱涵的裂縫可以劃分為三種，分別為表層裂縫(或淺層裂縫)、深層裂縫和貫通裂縫。

表面裂縫一般出現(xiàn)腹板或頂板混凝土的表面，裂縫寬度較小，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響較小。貫通裂縫是由淺層裂縫不斷發(fā)展和延伸的最終結(jié)果，裂縫寬度較大，將整體結(jié)構(gòu)分成了不同的板塊，板塊僅通過少量鋼筋連接，結(jié)構(gòu)喪失了整體性，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性很差，極大的危害結(jié)構(gòu)的安全。深層裂縫介于表面裂縫和貫通裂縫之間，使結(jié)構(gòu)斷面部分?jǐn)嚅_，無法整體受力，危害性也很大。

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1.4 按裂縫寬度分類

從裂縫寬度方面，鋼筋混凝土箱涵的裂縫可以劃分為四種，見表1。

表1 裂縫寬度分類

2 鋼筋混凝土箱涵裂縫的成因分析

2.1 裂縫形成原因分析流程

對鋼筋混凝土箱涵裂縫形成原因分類的關(guān)鍵是對裂縫進(jìn)行合理的分類。首先判斷裂縫出現(xiàn)的時間，然后根據(jù)裂縫的分布情況和裂縫的寬度、深度等數(shù)據(jù)判斷裂縫是否為結(jié)構(gòu)受力性裂縫，所有的裂縫最終劃分為是否為受力相關(guān)的裂縫。結(jié)構(gòu)受力性裂縫要從荷載變化、邊界約束變化等方面引起的結(jié)構(gòu)受力改變的角度進(jìn)行分析；非結(jié)構(gòu)受力性裂縫要從原材料、混凝土的配合比、澆筑和養(yǎng)護(hù)條件、外界環(huán)境等方面進(jìn)行分析。

鋼筋混凝土箱涵裂縫形成原因的分析流程，如圖2所示。

圖2 裂縫形成原因分析流程

2.2 典型結(jié)構(gòu)性裂縫形成原因

(1)頂板橫向裂縫主要是由于箱涵頂部行車荷載增大，例如超載嚴(yán)重，頂板所承受的荷載超過本身所能提供的抗力，頂板出現(xiàn)橫向通長裂縫，裂縫會不斷發(fā)展和延伸，一般表現(xiàn)為深層裂縫，裂縫寬度通常表現(xiàn)為中裂縫或大裂縫。

(2)腹板豎向裂縫主要是地基不均勻沉降造成的沉陷裂縫，通常是因為箱涵結(jié)構(gòu)所處的地基存在土質(zhì)松軟、回填土壓實度不夠、排水不暢等問題，基礎(chǔ)經(jīng)受長時間的雨水浸泡，導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻的沉降，這是典型的邊界約束條件發(fā)生變化導(dǎo)致的裂縫。腹板豎向裂縫一般表現(xiàn)為貫通裂縫，裂縫寬度通常表現(xiàn)為超大裂縫或大裂縫。

2.3 典型非結(jié)構(gòu)性裂縫形成原因

非結(jié)構(gòu)性裂縫一般表現(xiàn)為表層裂縫，裂縫寬度較小，通常表現(xiàn)為微裂縫或者小裂縫，對結(jié)構(gòu)的耐久性存在諸多不利影響。

(1)溫度裂縫一般是由于內(nèi)外溫差超過一定范圍導(dǎo)致的，箱涵混凝土在澆筑過程中，水泥水化現(xiàn)象會釋放熱量，通過混凝土傳遞熱量，但混凝土內(nèi)部熱量比外部熱量釋放慢，從而導(dǎo)致內(nèi)部的溫度高于外部的溫度，產(chǎn)生了內(nèi)外部的溫差效益，在混凝土的表面出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，當(dāng)溫差過大時，拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度，在混凝土表面會出現(xiàn)裂縫。

(2)干縮裂縫是混凝土澆筑一段時間后，在養(yǎng)生過程中灑水不夠或采用吸水性較大的木模板，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)干縮裂縫，其原理是外部環(huán)境濕度小或者模板吸水性大，混凝土內(nèi)部的水分不斷向外部擴(kuò)散，一旦水分流失速度過大，就會產(chǎn)生裂縫。

(3)收縮裂縫通常發(fā)生混凝土凝固之前，主要原因為混凝土水分流失快，與干縮裂縫成因類似。

3 處理措施

對鋼筋混凝土箱涵的裂縫進(jìn)行處理，首先要準(zhǔn)確判斷裂縫的類型和形成原因，然后有針對性的提出處理措施。

3.1 結(jié)構(gòu)性裂縫的處理措施

(1)頂板橫向裂縫的處理措施

控制超載現(xiàn)象，防止裂縫進(jìn)一步發(fā)展；

對頂板裂縫區(qū)域進(jìn)行加固，通常采用粘貼鋼板法或粘貼碳纖維布法等方法，如圖3(a)所示，也可以采用UHPC增大截面法，如圖3(b)所示。

圖3 頂板橫向裂縫加固方法示意圖

(2)腹板豎向裂縫的處理措施

采用壓漿技術(shù)對地基進(jìn)行加固。

對腹板裂縫區(qū)域進(jìn)行加固，可以采用粘貼鋼板法、粘貼碳纖維布法、UHPC增大截面法等。

3.2 非結(jié)構(gòu)性裂縫的處理措施

(1)預(yù)防性處理措施

不同類型非結(jié)構(gòu)性裂縫的預(yù)防性處理措施見表2。

表2 預(yù)防性處理措施

(2)裂縫出現(xiàn)后處理措施

非結(jié)構(gòu)性裂縫的處理一般采取封閉處理，根據(jù)裂縫的寬度可以分為封縫和灌縫處理。當(dāng)裂縫寬度<0.15 mm，采用環(huán)氧樹脂膠凝封閉裂縫；當(dāng)裂縫寬度≥0.15 mm，采用自動恒壓低壓灌注化學(xué)膠液的方法對裂縫進(jìn)行灌縫處理。

3 結(jié) 語

鋼筋混凝土箱涵在施工和運營期間都會出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的耐久性和受力性，為了提高鋼筋混凝土箱涵的使用壽命，對裂縫進(jìn)行了詳細(xì)的分類，基于裂縫分類提出了裂縫成因分析流程，并對典型裂縫的形成原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了針對性的維修加固處理措施，可以為類似工程提供參考依據(jù)。