長沙機(jī)場GTC項(xiàng)目薄壁式擋墻豎向裂縫成因分析及處理措施*

陳譜新，徐昌林，廖 飛，陳鏡丞，連 貫

(中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410114)

0 引言

我國工程建設(shè)規(guī)模巨大，混凝土作為使用量最大的一種建筑材料，被廣泛應(yīng)用于水利、住宅、海港、軌道等工程中?；炷岭m具有優(yōu)異的強(qiáng)度、耐久性及耐火性，但在混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中，受外部環(huán)境溫度、自身水化熱溫度、混凝土齡期、施工工藝等因素的影響，易造成開裂，對結(jié)構(gòu)外觀、穩(wěn)定性造成一定影響，留下安全隱患，甚至可能引發(fā)結(jié)構(gòu)報(bào)廢，造成嚴(yán)重的人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行研究、評價(jià)和處理。

長沙某地鐵站是一處綜合軌道換乘站臺，3條軌道交通線路共站。站臺兩側(cè)擋土墻混凝土強(qiáng)度等級為C30，施工環(huán)境溫度為5～15℃，北側(cè)薄壁式擋土墻在拆模后5d發(fā)現(xiàn)墻面出現(xiàn)數(shù)十條細(xì)小裂縫，呈不均勻分布。后續(xù)施工采取一定的保溫措施對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，但仍有細(xì)小裂縫產(chǎn)生，隨即該施工區(qū)域停工。為辨識擋土墻現(xiàn)有裂縫的影響，對裂縫開展深度、寬度、分布等情況進(jìn)行測量和分析，根據(jù)分析結(jié)果對擋土墻裂縫提出預(yù)防和處理措施。

1 混凝土裂縫檢測原理及方法

1.1 檢測原理

混凝土裂縫檢測有超聲波平測、電阻應(yīng)變片檢測等方法。超聲波平測法利用聲波的衍射原理，在裂縫表面兩側(cè)設(shè)置換能器，接收換能器無法獲得發(fā)射換能器的聲波和反射波，繞過裂縫的衍射波則被接收換能器所獲取，從而獲得裂縫的長度、形狀等信息。根據(jù)項(xiàng)目擋土墻工程特性、已有人員和設(shè)備條件、便利性需求，本文采用超聲波平測法對擋土墻裂縫進(jìn)行檢測。

1.2 檢測儀器與方法

1.2.1檢測儀器

擋土墻混凝土裂縫檢測使用HC-F800混凝土裂縫缺陷綜合測試儀，如圖1所示，主要由平面換能器、主機(jī)和顯微攝像頭組成。開展檢測工作時(shí)，需借助相應(yīng)的輔助工具，包括定位尺、油漆筆、耦合劑、卷尺和溫濕度計(jì)等。

圖1 HC-F800混凝土裂縫缺陷綜合測試儀

1.2.2檢測方法

對HC-F800測試儀進(jìn)行標(biāo)定處理，使用標(biāo)定后的超聲波探頭、攝像頭對圖像進(jìn)行寬度識別，標(biāo)定后選取現(xiàn)場某處裂縫開展聲波信號測試，保證儀器的正常使用。

實(shí)際測量采用重復(fù)觀測和交叉測量的方式，防止檢測結(jié)果誤差較大，并將相對誤差控制在5%以內(nèi)，從而確保其滿足相關(guān)規(guī)范要求。對混凝土裂縫進(jìn)行表觀檢查，結(jié)合工具、人工和綜合測試儀近距離檢查混凝土面。隨機(jī)選取某區(qū)域裂縫進(jìn)行編號并標(biāo)記，檢查裂縫參數(shù)無誤后對其進(jìn)行登記處理，確保在裂縫測點(diǎn)編號、寬度、長度和深度等方面不出現(xiàn)較大誤差，保證裂縫深度圖片得到有效保存。

對裂縫進(jìn)行寬度測量，將攝像頭放在待測裂縫上，如圖2所示。攝像頭將裂縫圖片實(shí)時(shí)傳輸?shù)絻x器并顯示在液晶屏上，待圖像清晰后,可自動(dòng)識別裂縫輪廓，進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)判讀，從而得到裂縫自動(dòng)判讀的寬度,停止捕獲后儀器獲得當(dāng)前幀圖片，然后可對當(dāng)前圖片進(jìn)行手動(dòng)判讀處理，從而得到裂縫手動(dòng)判讀的寬度。

圖2 裂縫寬度測量示意

對裂縫進(jìn)行深度測量(跨縫測試)，將發(fā)射、接收換能器置于待測裂縫兩側(cè)對稱位置，換能器與混凝土墻面間使用耦合劑耦合，以保證接收信號的強(qiáng)度；單擊儀器的開始按鈕，進(jìn)行裂縫采樣，當(dāng)裂縫深度值發(fā)生改變時(shí)，單擊保存按鈕儲存裂縫的相關(guān)信息，裂縫深度檢測如圖3所示。

圖3 裂縫深度檢測示意

2 擋土墻裂縫發(fā)展趨勢及成因分析

2.1 裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

選取存在裂縫的某段地鐵擋土墻，其配筋如圖4所示。該處擋土墻實(shí)際高度為0.5～3.5m，現(xiàn)場發(fā)生裂縫處擋土墻高3m，下方冠梁高1m，裂縫發(fā)生在擋土墻上部位置，如圖5所示，依次對其進(jìn)行編號(LF1～LF6)。2022年1月30日開始第1次監(jiān)測，5d為一周期，監(jiān)測3個(gè)月，裂縫位移監(jiān)測曲線如圖6所示，長度及深度監(jiān)測曲線如圖7所示。

圖4 擋土墻配筋

圖5 裂縫

圖6 裂縫位移監(jiān)測曲線

圖7 裂縫深度監(jiān)測

由圖6可知，裂縫位移量為0.25～0.45mm，大部分裂縫的位移接近0.35mm，隨著時(shí)間的推移，位移值趨于穩(wěn)定。

由圖7a可知，裂縫的伸長量為1.10～1.80m，其中3條裂縫長度>1.5m，裂縫的伸長量隨時(shí)間的增加，幾乎無增長。

由圖7b可知，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示裂縫的深度為 0.6～1.0cm，隨著時(shí)間的增加，裂縫的深度開始緩慢增加，在60d后，裂縫深度變化趨于平穩(wěn)。

由此可見，隨著時(shí)間的推移，擋土墻裂縫的發(fā)展趨于平穩(wěn)，且裂縫深度在擋土墻混凝土保護(hù)層中，沒有發(fā)展至擋土墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可推斷該處裂縫屬于表面淺層裂縫。

2.2 擋土墻受力分析

為分析擋土墻裂縫成因，首先根據(jù)擋土墻的自身受力情況進(jìn)行穩(wěn)定性分析，如圖8所示。作用于該擋土墻的力系可分為永久作用和可變作用，永久作用(主要力系)包括擋土墻自重G、作用于墻上的主動(dòng)土壓力Ea、基底的法向反力N及摩擦力F，可變作用包括擋土墻后的施工荷載F動(dòng)。

圖8 擋土墻受力分析

抗滑穩(wěn)定性系數(shù)為：

(1)

擋土墻墻背的填土高度為3.5m，填土重度為19kN/m3，該處擋土墻自重為25kN/m3，施工荷載取20kN/m2，計(jì)算得該擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.237>1.3，滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。由此可知，擋土墻的受力不是裂縫產(chǎn)生的主要原因，裂縫不屬于結(jié)構(gòu)裂縫。

2.3 擋土墻施工條件分析

在混凝土擋土墻澆筑過程中，由于混凝土溫度與澆筑環(huán)境溫度、墻體內(nèi)部溫度不一致造成溫差，混凝土振搗不及時(shí)、養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等因素造成混凝土擋土墻內(nèi)部應(yīng)力集中，局部位置所承受的拉應(yīng)力超過其抗拉極限時(shí)，混凝土表面就會發(fā)生裂縫。

本項(xiàng)目擋土墻混凝土強(qiáng)度等級為C30，澆筑前由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多次配合比試驗(yàn)，選取配合比：水泥∶水∶砂∶石=1.00∶0.60∶3.34∶4.14，經(jīng)過驗(yàn)證，該配合比符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)施工方案及施工記錄，該處擋土墻混凝土采用分層澆筑、分層振搗，每層澆筑厚度控制30cm。每層混凝土澆筑過程中，隨混凝土的灌入及時(shí)采用插入式振搗棒振搗。振搗棒振動(dòng)時(shí)移動(dòng)間距不超過振搗棒作用半徑的1.5倍。振搗上層混凝土，振搗棒插入下層混凝土內(nèi)5～10cm。每處振搗完畢后，緩慢提出振搗棒，快插慢拔，符合施工規(guī)范。

混凝土澆筑完成后，及時(shí)收漿，立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。采用土工布對混凝土進(jìn)行覆蓋保濕養(yǎng)護(hù)，混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于7d。

經(jīng)查閱施工記錄，該處擋土墻混凝土澆筑時(shí)為12月，長沙氣溫處于3～15℃，澆筑時(shí)外部環(huán)境溫度低，混凝土內(nèi)部水化熱溫度高，墻內(nèi)外會形成溫差，易導(dǎo)致?lián)跬翂Ξa(chǎn)生裂縫。

對混凝土絕熱溫升進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：W為每立方米混凝土的膠凝材料用量(kg/m3)，取387kg/m3；Q為膠凝材料水化熱總量(kJ/kg)，取224.35kJ/kg；C為混凝土比熱容(kJ/(kg·℃))，取0.98kJ/(kg·℃)；ρ為混凝土密度(kg/m3)，取2 512.88kg/m3；m為與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)d-1，取0.40d-1；t為齡期(d)。

經(jīng)計(jì)算得出不同齡期下的混凝土絕熱溫升值，如表1所示。

表1 不同齡期下的混凝土絕熱溫升值 ℃

依據(jù)預(yù)先在墻體內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器，對擋土墻內(nèi)的溫度進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示澆筑后2d內(nèi)外溫差在25～33℃，澆筑4d后內(nèi)外溫差在20～28℃，澆筑7d后內(nèi)外溫差在20～28℃，內(nèi)外形成一定的溫差(超過相關(guān)規(guī)范要求的25℃溫差)，擋土墻表面受溫度引起的拉應(yīng)力作用，這與該處混凝土計(jì)算的絕熱溫升值相符合。

通過上述對擋土墻配合比、澆筑工藝、養(yǎng)護(hù)工藝、溫度控制的分析，可推斷該處擋土墻裂縫的成因主要是由溫度引起。表面裂縫主要是因?yàn)閾跬翂M(jìn)行混凝土澆筑時(shí)使用的混凝土水化熱較大，混凝土內(nèi)部的水化熱聚集不能及時(shí)擴(kuò)散，墻內(nèi)高溫與外部低溫相當(dāng)于產(chǎn)生約束，使墻表面不能自由收縮；同時(shí)，墻內(nèi)高溫產(chǎn)生膨脹力，造成低溫墻表面受到張拉，突破極限后的擋土墻表面形成抗拉應(yīng)力破壞，最終產(chǎn)生拉裂縫。

由此可推斷本項(xiàng)目擋土墻裂縫主要是由于混凝土內(nèi)外溫差較大，擋土墻表面發(fā)生抗拉破壞造成。

3 處理及預(yù)防措施

針對本項(xiàng)目已產(chǎn)生的裂縫，采取靜壓灌漿技術(shù)進(jìn)行處理，使用微型電動(dòng)高壓注漿機(jī)持續(xù)對該處的裂縫進(jìn)行注漿，直至擋土墻裂縫的微縫、微孔被漿液填充；注漿結(jié)束后對裂縫進(jìn)行檢測，擋土墻裂縫未繼續(xù)發(fā)展，也未發(fā)生滲漏，達(dá)到封堵裂縫的目的。

對于擋土墻裂縫，可從以下幾方面進(jìn)行預(yù)防。

1)優(yōu)化原材料，使用低熱化水泥，如礦渣水泥等，同時(shí)對配合比進(jìn)行試驗(yàn)對比，選取優(yōu)化的配合比進(jìn)行澆筑。

2)混凝土施工時(shí)采取分層澆筑、分層搗實(shí)，保證上、下層混凝土在初凝前結(jié)合好，不得留冷縫；混凝土澆筑振搗時(shí)盡可能低溫入模。

3)澆筑完成后，及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，可依據(jù)環(huán)境的變化及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)周期、手段等。

4)加強(qiáng)測溫和溫度監(jiān)測管理，實(shí)行信息化控制，內(nèi)、外溫差控制在25℃以內(nèi)，基面溫差和基底溫差均控制在20℃以內(nèi)，及時(shí)調(diào)整保溫措施，使混凝土的溫度梯度和濕度不至于過大，以有效控制裂縫出現(xiàn)。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目擋土墻裂縫隨著時(shí)間的推移，裂縫的發(fā)展趨于平穩(wěn)，且裂縫深度在擋土墻混凝土保護(hù)層中，沒有發(fā)展至擋土墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部，屬于表面淺層裂縫。擋土墻側(cè)面的靜荷載、動(dòng)荷載均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，對裂縫的發(fā)展幾乎無影響。裂縫形成的主要原因是水泥水化熱較高、內(nèi)外溫差較大，造成表面抗拉破壞，為控制裂縫的產(chǎn)生，可采取以下措施。

1)降低水泥水化熱，選用較低水化熱或中水化熱的水凝品種配制混凝土，在基礎(chǔ)內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管，通入循環(huán)冷卻水，強(qiáng)制降低混凝土水化熱溫度。

2)降低混凝土溫差，選擇較適宜的氣溫澆筑大體積混凝土，設(shè)置遮陽或保溫措施。

3)加強(qiáng)施工中的溫度控制，監(jiān)測擋土墻的內(nèi)外溫度，實(shí)時(shí)調(diào)整，合理把控。

針對筆者所做的裂縫研究工作還存在不足，如澆筑時(shí)鋼筋的配合比、混凝土振搗狀態(tài)、澆筑次數(shù)、養(yǎng)護(hù)狀態(tài)等如何影響裂縫的發(fā)展，還有待進(jìn)一步研究。