暗渠墙体混凝土早期裂缝及应变现场监测研究

荣世光 金秀梅

（中铁十九局集团矿业投资有限公司1） 辽宁辽阳 111000) 石家庄铁路职业技术学院2） 河北石家庄 050041）

暗渠墙体混凝土早期裂缝及应变现场监测研究

荣世光1）金秀梅2）

（中铁十九局集团矿业投资有限公司1）辽宁辽阳 111000) 石家庄铁路职业技术学院2）河北石家庄 050041）

混凝土早期裂缝是国内外工程界多年关注的重点，也是至今未能有效解决的难题，这根源于其影响因素的复杂性和具体情况的多样性。对一暗渠工程的墙体早期裂缝特征进行总结，分析其产生根源，揭示导致墙体裂缝的主要控制应力。现场测试给出对应温度发展过程的墙体厚度和高度方向的应变分布和变化规律，为同类工程早期裂缝问题的分析和理解提供有益参考，也为预防和控制混凝土早期裂缝的产生提供有力依据。

墙体 早期裂缝 温度 应变

早期裂缝问题在国内外的工程中都相当普遍。自上世纪90年代以来，这一问题越来越受到人们的关注，国内外学者围绕这一问题展开了大量的学术研究与工程实践[1～4]，混凝土的早期裂缝至今仍未得到很好的控制。

南水北调工程是迄今为止世界上最大的水利工程，是优化我国水资源配置的重大战略性基础设施。暗渠是南水北调工程中的一种重要结构形式，其混凝土浇筑质量是影响整个工程安全的关键。在南水北调中线一期工程的华柴暗渠墙体施工过程中出现了早期裂缝，针对此问题，对裂缝的出现规律和特征进行了统计，并采用振弦式应变传感器，对浇筑过程中混凝土的温度和应变进行了现场监测。

通过对浇筑期温度和应变现场测试结果的分析，指出了裂缝产生、分布位置和规律的根源，针对施工过程的应变发展和分布规律的切实研究结论，为同类工程早期裂缝问题的分析和理解提供了重要参考。

1 工程概况

本工程中的暗渠渠身为三孔一联的钢筋混凝土箱形结构，如图1所示，单孔尺寸8.0×9.8 m（宽×高）。墙体与顶板、底板接合处倒角为50 cm×50 cm。底板和边墙混凝土厚度为1.3 m，顶板和中墙厚度为1.2 m。

暗渠混凝土浇筑分三次进行，第一次底板浇筑至底板倒角上方20 cm，第二次浇筑墙身6.8 m，第三次浇筑剩余墙身和顶板。其中，底板和顶板浇筑采用台阶法从一侧边墙向另外一侧边墙浇筑，墙身采用平铺法分层浇筑，浇筑厚度为30～50 cm。

图1 暗渠渠身一管节整体结构示意图

2 暗渠墙体的裂缝特征及根源研究

对于大体积混凝土施工阶段来讲，裂缝主要是由于混凝土温度剧烈变化产生变形受到混凝土内部和外部约束影响，产生较大应力而引起的。由于混凝土的抗压性能优于抗拉性能，所以在受压时一般不会出现裂缝，而在受拉时，当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，就会在混凝土中出现裂缝。

2.1 墙体裂缝表现特征及规律

本工程中的暗渠在施工过程中出现了裂缝问题，经统计分析和总结得其主要特征如下：裂缝主要集中在边墙和中墙，底板和顶板可观测范围内基本没有发现肉眼可见的裂缝。所发现裂缝均从底板与墙体施工缝开始竖直向上发展，所有墙体裂缝均为竖向裂缝。

裂缝长度一般在2～3 m，最大裂缝长度为5.5 m，最小裂缝长度为0.3 m。

裂缝宽度一般在0.1 mm～0.3 mm之间，个别裂缝宽度＞0.3 mm。

裂缝一般在混凝土浇筑完后7 d～15 d发生，刚发生时，裂缝宽度比较小，一般＜0.1 mm。裂缝发生之后的1～3月内稳定，裂缝的长度和宽度不再发展。

2.2 裂缝产生根源研究

图2 暗渠墙体三维胀缩情况示意图

在本工程中，底板、顶板均无裂缝出现，裂缝主要出现在暗渠的墙身。如图2所示，浇筑过程中由于温度变化，墙身混凝土会产生热胀冷缩。由于浇筑墙体时上端是自由的，因此墙身在高度方向（z）的胀缩不受限制；但由于在浇筑墙身时，底板已经浇筑成型，因此墙身（特别是其根部）在厚度方向（y）和长度方向（x）的胀缩必将受到底板的约束。墙厚度方向的胀缩量绝对值相对较小；长度方向胀缩量的绝对值较大，又因其胀缩受到底板的限制，因此裂缝主要出现在墙体两侧，且为竖向裂缝。

暗渠墙体是在已浇筑完成的底板上进行现浇的，墙体长度（x）方向上的胀缩受约束作用将产生水平方向的应力，水平应力是设计主要控制应力，是经常引起垂直裂缝的主要应力，其最大值在长度方向的中点处[5]。

如图3所示，当墙体中部的水平应力超过抗拉强度的时候，在长墙中部会出现第一道裂缝，长墙由一块变为两块，同时应力重新分布。每块又有自己的水平应力分布，其图形完全相似，但其最大值由于长度减少了一半而减少。如果该值仍然超过抗拉强度，形成第二批裂缝，每块再分成两块，如此继续下去一直到最后那块墙板中部最大水平应力小于或等于抗拉强度，裂缝便稳定，不再增加。

因此，此类结构物的裂缝一般遵循有序性理论，“一再从中部开裂”是比较有规律的，裂缝实际情况也基本如此，只是由于混凝土抗拉强度不均匀，而使裂缝部位有时稍偏离中部。

图3 墙体逐次开裂过程及应力重分布情况

3 暗渠墙体混凝土浇筑应变的现场测试

出现裂缝问题后，采取了在墙体心部布设冷却水管、保湿养护、延长拆模时间等一系列措施。并在工程施工过程中埋入传感器进行现场温度和应变测试，以研究墙体混凝土的裂缝产生原因和影响因素。

3.1 墙体厚度方向应变情况

浇筑过程中，在左边墙的墙体厚度中心和边缘位置埋入振弦式应变传感器对混凝土的应变进行测试。为分析与温度发展的对应过程，在每个应变传感器上同时附带测温元件进行温度测量。

监测得墙体心部和边缘的温度发展变化如图4所示。可见：① 沿墙厚度方向，位于边缘的传感器测得温度在降温阶段曲线波动稍大，这是因为其离墙外表面较近，受环境温度的变化影响较大。②墙体心部受环境温度变化的影响很小，其峰值温度明显高于边缘，在浇筑后35h左右达到峰值温度，且保持了约13 h。

图4 墙体厚度方向心部和边缘处温度变化曲线

墙体心部和边缘位置的应变—时间变化曲线如图5所示，由图5可得：

①在升温阶段，混凝土初凝后，由于内、外约束的作用，墙体心部和边缘处都是受压的，随着温度升高，压应变开始显著增加，（对应图4中）温度达到峰值时，压应变达到最大。墙体心部所受到的压应变明显大于边缘的压应变。

图5 墙体厚度方向心部和边缘处应变变化曲线

②当温度达到峰值不再上升后，心部和边缘的压应变都开始逐渐减小，边缘位置在大约70h（3d）左右首先转变为受拉状态，心部位置在大约114 h（4.8 d）后变为受拉状态。

③在转为受拉状态后，各传感器的数据变化逐渐减小，205 h（8.5 d）后两条曲线基本都处于平直趋势，且心部拉应变开始超过边缘的拉应变。

3.2 墙体高度方向应变情况

为研究沿墙体高度方向的应变分布情况，在墙体心部不同高度布置了应变传感器。位置最低的传感器在距与底板接缝0.1m高度处，其上各传感器间隔1m。图6给出了墙体心部距接缝不同高度处的应变测量结果，由图6可见：

图6 墙体心部不同高度处应变变化曲线

①距与底板接缝处0.1 m位置最先转为受拉状态（53.3 h，约2.2 d），1.1 m处在第85.4 h（大约3.7 d）转为受拉，而2.1 m和3.1 m处转为受拉的时间没有明显区别（大约5 d）。

② 较低位置不仅拉应变出现时间早，而且其数值也一直高于较高位置处的拉应变。测试结果说明在高度方向上，距与底板接缝最近的墙体中心是拉应力出现最早的位置，而且其数值也是最高的，反映了其受底板约束影响最强。这与实际观察到的墙体裂缝从接缝位置开始产生的现象是一致。随着高度的增加，拉应力出现时间依次延后，在2 m高度以上，底板约束的影响已经很小。

4 结语

通过对暗渠墙体浇筑过程进行温度和应变现场监测，并结合理论分析，得出以下主要结论：

（1）暗渠墙身为典型的长墙结构，混凝土底板上的长墙结构是裂缝的高发部位，底板对墙体纵向（长度方向）胀缩的约束应力超过混凝土强度是裂缝的出现主因。

（2）指出了沿墙体长度方向的水平应力是导致墙体产生垂直裂缝的主要控制应力。并分析了裂缝产生的位置及其有序性，这与现场裂缝出现规律是非常一致的。

（3）墙体内各测点的应变都是按先受压，再逐渐转为受拉的规律变化。沿厚度方向，墙体表面（边缘）拉应力较墙体心部出现早、数值大，大约9 d后心部受拉程度超过表面。

（4）由于底板的约束限制，混凝土早期温度应力的最大值并不是出现在温度最高的中心，而是在墙体的底部。较低位置处最先转为受拉，且数值最大，2 m高度以上应变差别不大，受底板约束影响较小。

[1]梁志林,简宜端.三峡三期工程大坝混凝土内部温度监测浅析[J].葛洲坝集团科技, 2005,(4):38～40

[2]G. De Schutter, M. Vuylsteke. Minimisation of early age thermal cracking in a J-shaped non-reinforced massive concrete quay wall [J]. Engineering Structures, 2004,26: 801～808

[3]E. Holt, M. Leivo. Cracking risks associated with early age shrinkage [J]. Cement &Concrete Composites, 2004, 26: 521～530

[4]丁宝瑛,王国秉,黄淑萍等.国内混凝土坝裂缝成因综述与防止措施[J].水利水电技术, 1994, (4):12～18

[5]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社, 2007

Field Monitoring of the Early Cracks of the Concrete on the Underdrain Walls

RONG Shi-guang1)JIN Xiu-mei2)
(China Railway 19th Bureau Group Mining Co., Ltd.1)Beijing 100161 Shijiazhuang Institute of Railway Technology2)Shijiazhuang Hebei 050041 China)

The characteristics and causes of the early cracks of the concrete on a underdrain wall are summarized. The field tests indicated the strain distribution and laws of variation of the wall thickness and height direction under different temperatures, which can provide important references for tackling the early cracking problems of concrete in similar projects.

wall early crack temperature strain

A

1673-1816(2014)04-0017-05

2014-10-14

荣世光（1982-），男，辽宁辽阳人，学士，工程师，研究方向铁路、矿山、水利工程等大型土木工程施工及检测技术研究。