橋梁基礎大體積混凝土裂縫種類和成因分析
2010-08-12
引言
在世界金融危機日趨嚴峻、我國經(jīng)濟遭受沖擊日益顯現(xiàn)的背景下，中國宏觀調(diào)控政策作出了重大調(diào)整，將實行積極的財政政策和適度寬松的貨幣政策，并在今后兩年多時間內(nèi)安排4萬億元資金強力拉動內(nèi)需，促進經(jīng)濟穩(wěn)定增長，而鐵路建設成為拉動內(nèi)需的火車頭。
本文將以鐵路橋梁作為研究主題，重點探討墩身大體積混凝土表面裂縫問題。
基礎工程是建、構筑物的第一環(huán)節(jié)，但現(xiàn)在有不少已建、在建工程的基礎存在著不同程度的沉降及開裂現(xiàn)象，這對建、構筑物的安全造成了直接影響，存在極大的安全隱患。特別是對于橋梁基礎工程． 作為“生命線工程”．橋梁基礎工程的開裂及沉降給人類社會發(fā)展屢屢?guī)砭薮髶p失，是人類面臨的嚴重的非自然災害。
混凝土橋梁基礎裂縫的成因復雜而繁多．甚至有多種因素相互影響．但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的原因。混凝土因其取材廣泛、價格低廉、抗壓強度高、可澆筑成各種形狀，并且耐火性好、不易風化、養(yǎng)護費用低，成為當今世界建筑結構中使用最廣泛的建筑材料?；炷恋娜秉c是：抗位移能力差，容易開裂。雖然混凝土裂縫不可避免，但其有害程度可以控制。在使用荷載或外界物理、化學因素的作用下， 目前一些混凝土橋梁不斷產(chǎn)生裂縫而且已擴展． 引起混凝土炭化、保護層剝落、鋼筋腐蝕，使混凝土的強度和剛度削弱，耐久性降低，危害了結構的正常使用，因此必須對此加以控制。
1 荷載引起的裂縫
混凝土橋梁在靜、動荷載及次應力作用下產(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫，主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產(chǎn)生的裂縫；次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產(chǎn)生的裂縫?；炷翗蛄涸陟o、動荷載及次應力作用下產(chǎn)生裂縫的原因主要有以下幾點。
1．1 設計階段
設計階段引起裂縫的因素有：結構受力假設與實際受力不符：結構安全系數(shù)不夠：結構設計時不考慮施工的可行性：鋼筋設置偏少或布置錯誤；結構剛度不足等。
在設計外荷載作用下。由于結構物的實際工作狀態(tài)同常規(guī)計算有出入或計算不考慮。從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。例如兩鉸拱橋在拱腳設計時常采用布置“X”形鋼筋， 同時采用削減該處斷面尺寸的辦法設計鉸，理論計算該處不會存在彎矩，但實際上該鉸仍然能夠抗彎，以至出現(xiàn)裂縫而導致鋼筋銹蝕。
1．2 施工階段
施工場地隨便堆放施工機具、材料：不了解預制結構受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設計圖紙施工，擅自更改結構施工順序。改變結構受力模式：不對結構作機器振動下的疲勞強度驗算等，這些都是導致裂縫產(chǎn)生的原因。
2 溫度變化引起的裂縫
混凝土具有熱脹冷縮特性．當外部環(huán)境或結構內(nèi)部溫度發(fā)生變化時混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束．則將在結構內(nèi)產(chǎn)生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即會產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中．溫度應力可以達到甚至超出荷載應力。溫度裂縫區(qū)別于其他裂縫最主要的特性是將隨溫度變化而擴張或合攏。引起溫度變化的主要因素如下。
2．1 溫差
一年中四季溫度不斷變化，但變化相對緩慢，對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構造來解決。
2．2 日照
橋面板、主梁或橋墩側面受太陽曝曬后．溫度明顯高于其他部位，溫度梯度呈非線性分布。由于受到自身的約束作用，導致局部拉應力較大，出現(xiàn)裂縫。日照和驟然降溫是導致結構溫度裂縫的常見原因。
2_3 降溫
突降大雨、冷空氣侵襲、日落等均可能導致結構外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對緩慢而產(chǎn)生溫度梯度。
2．4 水化熱
在施工過程中，大體積混凝土(厚度超過2．Om)澆筑之后由于水泥水化放熱．致使內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，表面出現(xiàn)裂縫。施工中應根據(jù)實際情況，盡量選擇水化熱低的水泥、限制水泥用量、減少骨料人模溫度、降低內(nèi)外溫差，并緩慢降溫，必要時可采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行內(nèi)部散熱，或采用薄層連續(xù)澆筑以加快散熱，甚至有些大體積混凝土工程在澆筑期間，采取加入冰棒的方式降溫。
3 混凝土收縮引起的裂縫
在實際工程中．混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中。塑性收縮和縮水收縮(干縮)是混凝土體積變形的主要原因。另外還有自生收縮和炭化收縮。混凝土收縮裂縫大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細，且縱橫交錯，呈龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。
影響混凝土收縮裂縫的主要因素如下。
3．1 水泥品種、標號及用量
礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高，而普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。水泥標號越低、單位體積用量越大、磨細度越大，則混凝土收縮越大．且發(fā)生收縮的時間越長。
3．2 骨料品種
骨料中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小， 收縮性較低；而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大，收縮性較高。另外，骨料粒徑越大收縮則越小，含水量越大收縮則越大。
3-3 水灰比
用水量越大，水灰比越高，則混凝土收縮越大。
3．4 外摻劑
外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。
3．5 養(yǎng)護方法
良好的養(yǎng)護可加速混凝土的水化反應，獲得較高的混凝土強度。養(yǎng)護時保持濕度越高、氣溫越低、養(yǎng)護時間越長，則混凝土收縮越小。
3．6 外界環(huán)境
大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風速大，則混凝土水分蒸發(fā)得快，導致混凝土很快收縮。
4 地基基礎變形引起的裂縫
由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移，結構中產(chǎn)生附加應力．超出}昆凝土結構的抗拉能力，導致結構開裂?；A不均勻沉降的主要原因有：地質(zhì)勘察精度不夠、試驗資料不準：地基地質(zhì)差異太大；結構荷載差異太大：結構基礎類型差別太大：地面凍脹；橋梁基礎處于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質(zhì)帶，可能造成不均勻沉降。
5 鋼筋銹蝕引起的裂縫
要防止鋼筋銹蝕，設計時應根據(jù)規(guī)范要求控制裂縫寬度，采用足夠的保護層厚度(當然保護層亦不能太厚，否則構件有效高度減小，受力時將加大裂縫寬度)：施工時應控制混凝土的水灰比．加強振搗，保證混凝土的密實性，防止氧氣侵入，同時嚴格控制含氯鹽的外加劑用量，沿海地區(qū)或其他存在腐蝕性強的空氣、地下水地區(qū)尤其應對此加以重視。
6 凍脹引起的裂縫
氣溫低于0℃ 時，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水轉變成冰，體積膨脹9％ ，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應力：同時混凝土凝膠孔中的過冷水(結冰溫度在-7 °C~-8°C 以下)在微觀結構中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強度降低，并導致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴重。成齡后混凝土強度損失可達30％~50％ 。冬季施工時對預應力孑L道灌漿后若不采取保溫措施也可能導致產(chǎn)生沿管道方向的凍脹裂縫。
7 施工材料質(zhì)量引起的裂縫
混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用的材料質(zhì)量不合格，可能導致結構出現(xiàn)裂縫。
7．1 水泥
水泥安定性不合格，水泥中游離的氧化鈣含量超標。氧化鈣在凝結過程中水化很慢．在水泥混凝土凝結后仍然繼續(xù)起水化作用，可破壞已硬化的水泥石，使混凝土抗拉強度下降。
水泥出廠時強度不足．以及受潮或過期后，可能使混凝土強度不足，從而導致混凝土開裂
7．2 砂石材料
砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大，將導致水泥和拌和水用量加大，影響混凝土的強度，使混凝土收縮加大。如果使用超出規(guī)定的特細砂，后果會更加嚴重。
7_3 拌和水及外加劑
拌和水或外加劑中氯化物等雜質(zhì)含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土，或采用含堿的外加劑，可能對堿骨料反應有一定影響。
8 施工工藝質(zhì)量引起的裂縫
混凝土在澆筑、制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不合理、施1二質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進的和貫穿的各種裂縫，特別是更容易出現(xiàn)細長薄壁結構。裂縫出現(xiàn)的部位和走向以及裂縫寬度的產(chǎn)生原因如下。
8．1 保護層厚度
混凝土保護層過厚或亂踩已綁扎的上層鋼筋，使承受負彎矩的受力筋保護層加厚，會導致構件的有效高度減小。形成與受力鋼筋相垂直的裂縫。
8．2 施工振搗
混凝土振搗不密實、不均勻，出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞，導致鋼筋銹蝕或其他荷載裂縫。
8．3 施工澆筑
混凝土澆筑過快，流動性較低，若硬化前混凝土沉實不足或硬化后沉實過大，容易在澆筑數(shù)小時后產(chǎn)生裂縫，即所謂的收縮裂縫。
8．4 施工運輸
混凝土攪拌、運輸時間過長，使水分蒸發(fā)過多，引起混凝土坍落度過低，會使混凝土體出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。
8．5 施工保障與準備工作
混凝土分層或分段澆筑時，若對接頭處處理不好，易在新舊混凝土與施工縫之問出現(xiàn)裂縫如混凝土分層澆筑時，后澆筑混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆筑混凝土初凝前澆筑，會引起層面之間的水平裂縫；采用分段現(xiàn)澆時，先前澆筑的混凝土接觸面未進行鑿毛、清洗不好，新舊混凝土之間粘結力小，或對后澆筑混凝土養(yǎng)護不到位，會導致混凝土收縮而引起裂縫。
8．6 施工期間產(chǎn)生的自重
施工時拆模過早．混凝土強度不足，使得構件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫。
8．7 施工材料質(zhì)量控制差
若任意套用混凝土配合比．水、砂石、水泥材料計量不準，易造成混凝土強度不足和其他性能(和易性、密實度)下降，從而導致結構開裂。
9 地震波對橋梁基礎開裂的影響
地震波是指從震源產(chǎn)生向四周輻射的彈性波。地震發(fā)生時，震源區(qū)的介質(zhì)發(fā)生急速的破裂和運動，這種擾動構成一個波源。由于地球介質(zhì)的連續(xù)性，這種波動就向地球內(nèi)部及表層各處傳播開去，形成了連續(xù)介質(zhì)中的彈性波。
地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波。縱波是推進波，地殼中傳播速度為5．5km／s～7km／s， 最先到達震中。又稱P波．它使地面發(fā)生上下振動，破壞性較弱。橫波是剪切波， 在地殼中的傳播速度為3．2km／s一4．0km／s。第二個到達震中，又稱S波，它會使地面發(fā)生前后、左右的抖動， 破壞性較強。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波。其波長大、振幅強，只能沿地表面?zhèn)鞑?，是造成建筑物強烈破壞的主要因素?br />
地震波對生命線工程— — 橋梁的損害是災難性的。1995年1月里氏7．2級的大地震襲擊了人1：3稠密的13本關西地區(qū)．造成了關西高速橋梁的大量損壞。神戶(Kobe)線(即大阪和神戶兩城市間投入使用的33km長的干道)的損壞尤其是災難性的，有的大梁掉落地面，橋墩傾斜或倒塌。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這條高速公路上1 106個橋墩中有604個受到不同程度的破壞．更令人擔憂的是損壞延伸到了橋梁基礎【1】
10 外力撞擊引起的橋梁基礎開裂
外力撞擊引起的橋梁基礎開裂是指橋梁基礎受車輛、船舶的接觸、撞擊；發(fā)生大風、大雪、地震、爆炸等所引起的震動。外力撞擊是引起橋梁基礎斷裂不可忽視的因素．船只或漂流物的撞擊力屬于偶然荷載。在通行較大重量的船只或有漂流物的河流中。修建橋梁的河中橋墩必須考慮船只或漂流物的撞擊力。這個撞擊力有時是非常巨大的，可以達到1 000kN以上。實例如下：
— — 2007年6月15日清晨5時10分。“南桂機035”號運沙船由佛山高明開往順德途中偏離主航道航行撞擊九江大橋。導致橋面坍塌約200m。
— — 2008年3月28日凌晨1時15分，臺州籍貨輪“勤豐一二八”在舟山海域與正在建設中的金塘大橋發(fā)生撞擊，兩塊重達3000多噸的鋼筋混凝土砸在了貨輪的駕駛艙上。
11 結論與展望
一座橋梁從規(guī)劃論證到投人運營，要經(jīng)歷地質(zhì)勘察、方案論證、施工圖設計、施工、監(jiān)理、運營等多個環(huán)節(jié)。由此可知，每個環(huán)節(jié)緊密相扣，嚴格執(zhí)行國家相關設計、施工標準，是橋梁結構安全、耐用的前提。同時，加強及完善施工期間及投入運營階段的不問斷、不定期的巡查制度，有利于保證工程質(zhì)量隱患的及時排查，尤其是混凝土構件的裂縫。
參考文獻
[1】徐風云，陳德榮，宋鳳立．自錨式懸索橋評述【J]．公路，2005，(11)：27—29．
【2】李建本，賈軍政．自錨式懸索橋發(fā)展綜述fJ]．城市道橋與防洪，2005，(5)：44—45．
【3】施仲衡．地下鐵道設計與施T．iM]．陜西：陜西科學技術出版社，2002．
【4】騰智明．鋼筋混凝土基本構件【M]．北京：清華大學，1987．
【5】姚玲森．橋梁工程[M】．北京：人民交通出版社，1996．
