配筋混凝土垫层材料的合理选择——以某大型输水箱涵分节长度计算及开裂原因分析为例比较

余际可黄鸿君佘　凯

（1.湖南省水利厅　　长沙市　410007；2.湖南省汇杰工程勘测设计咨询有限公司　　长沙市　410000）

配筋混凝土垫层材料的合理选择——以某大型输水箱涵分节长度计算及开裂原因分析为例比较

余际可1黄鸿君2佘凯2

（1.湖南省水利厅长沙市410007；2.湖南省汇杰工程勘测设计咨询有限公司长沙市410000）

文章对主体结构垫层材料的重要性进行了阐述比较和推荐，针对大型箱涵容易产生竖向裂缝的现象及原因进行分析后，推荐采用性能良好的垫层材料并按整体浇筑法施工，从而在工程管理上获得较好的经济运行效果。

配筋混凝土大型箱涵垫层材料选择

配筋混凝土的裂缝总的来讲有两大类。一类是由荷载（自重、水重、内水压力、土重……等）产生，这一类裂缝占裂缝总数不到20%；另一类为变形裂缝，基本由温度变形、收缩变形产生，约占裂缝总数的80%以上。变形裂缝之所以十分普遍，是因为温度、收缩变形对裂缝产生的影响，目前尚无确切的计算方法，因而许多情况下未进行计算，或计算了也算不准，不像荷载计算比较准确。现阶段对这一类裂缝，主要是采取工程措施来加以防范。如对温度变形裂缝采取填土隔温减少温差应力；收缩变形主要是由“干缩”和“凝缩”产生，混凝土拌合时只有20%的水分是水泥水化所必需的，其余80%都要被蒸发而形成“干缩”。此外，混凝土在水泥水化过程中要产生体积变形，多数是体积变小即为“凝缩”。减少收缩主要也是通过工程措施如选择低收缩性水泥，优化混凝土配合比，严格控制水泥用量，降低拌合料入仓温度，从而有效控制混凝土温度应力和减少混凝土的收缩变形。

由于第二类裂缝产生的普遍性和常见性，一位长期从事“裂缝控制”研究的学者说：“工程的裂缝是不可避免的，但其有害程度却是可以控制的。工程师的全部艺术是把裂缝控制在无害的范围内，为这一理想去奋斗是生命中最快乐的享受”［1］。

1 配筋混凝土垫层材料选择的重要性

配筋混凝土对垫层材料的要求虽然不高，但垫层材料对上部主体结构的影响却是十分显著的。在已建工程调查资料中，到处都可见到垫层材料对主体结构“反作用”留下的“痕迹”。

——高层建筑土基上大体积混凝土底板的裂缝，远远少于底板上长墙和墙上楼板的裂缝；其中刚度（EJ）大的底板上外墙裂缝概率甚至高达85%；

——基岩上浇筑的大体积混凝土上的裂缝远比土基上的混凝土严重；

——大型排涝泵站压力水箱采用分层浇筑时，侧墙二期混凝土的竖向裂缝远比一次整浇箱涵的的竖向裂缝要多。

这些仅是表面现象。根本原因则是主体结构混凝土从浇筑完成、养护结束之日起，就要随着温度变化不断地伸长、缩短；同时开始漫长的收缩过程，收缩发展速度时开始快，以后逐步衰减，收缩最终值一般为0.0003～0.0006，个别大的可以达到0.001。收缩随时间发展的规律难以作精确的估算。作为粗略的估计，仍从混凝土养护完毕之日起，各龄期累计收缩值占长期总收缩值的百分率约为：头7天25%；头1个月50%；头1年75%；其余25%，大约需30年以上才能基本稳定。

主体结构对垫层除要求具备一定（抗压）强度外，“其弹性模量应更小一些，水平阻力系数Cx应更低一些”；否则，工程是难免要出问题的。上面列举的一些工程产生裂缝的现象，就是如此。

2 关于地基水平阻力系数CX

在地基为非刚性的前提下，根据土力学可知，从结构物与地基接触面上的剪应力与水平变位成线性关系的假定出发，可以得出下述方程式：

τ=-Cxμ（1）

式中τ——结构物与地基接触面的剪应力（MPa）；

Cx——阻力系数（即产生单位位移的剪应力，N/mm3）；

μ——上述剪应力处地基的水平位移（mm）。

负号表示剪应力方向与水平位移相反。阻力系数CX随地基的变形模量增加而增加；随地基的塑性变形增加而减少；随水平位移的速度增加而增大；随地基对结构反力的增加而增大。对于阻力系数CX要精确地加以定量有一定的困难。目前主要是参考土动力学抗滑稳定等方面的理论研究及相关试验资料和大量工程裂缝实例的反演及类比，推荐如下定量数据（表1［1，2］）。

表1　各类基础及基础（含垫层）约束下的水平阻力系数CX值

3 垫层材料选择

主体工程对垫层材料的要求可概括为16个字：就地取材，施工方便，造价经济，性能良好。性能良好主要体现在垫层材料的弹性模量要小、水平阻力系数CX要低，这样计算出的箱涵分节长度才可以更长一些（见“5”裂缝实例分析算例）。这里，我们将近若干年来，在工程实践中已有应用先例并取得一定效果的两种垫层材料介绍如下：

（1）水泥土：抗压强度一般可达（15～18）MPa，弹性模量一般为（300～600）MPa，按表1第5栏“风化岩石和低强度等级素混凝土”，可将水泥土视为“低强度等级素混凝土”一类，水平阻力系数取该栏下限值Cx=0.6N/mm3。水泥土替代C10混凝土虽有成功先例，但怀疑者仍担心：一是当碰到工程赶进度时能否像C10混凝土那样快速凝固；二是水泥土能否像C10混凝土那样表面抹光。这两个问题都可从水泥土的水泥含量（掺量为土料的10%～15%，水泥用量为160～240kg/m3）得到解答，水泥土水泥用量并不低于C10混凝土；遍布农村的晒谷坪一般都是三合土做成的，表面都可以抹光，水泥土抹光更没有问题。必须说明，推荐水泥土做垫层材料的主要不是为了节省，而是因其弹性模量低、阻力系数低，对主体工程受力有利。

（2）6%水泥稳定石粉渣混合料（简称水泥稳定层）。水泥稳定石粉渣混合料是采用碎石场的细筛余料，修建公路“基层”时经常要用到。其组成为6份水泥、100份石粉渣干料。含水量一般控制在7%～9%的范围。以“手握成团，但不冒浆，不沾手，落地能散”为度。据文献［3］介绍，在“中等”交通等级，水泥混凝土路面“基层顶面当量回弹模量Et值”可取为100 MPa，较上文水泥土弹性模量要低。水泥稳定层的水平阻力系数为（0.2～0.3）N/mm3，具体采用时，当水泥稳定层中以石粉含量为主时，建议取CX=0.2N/mm3（以下称水泥稳定层-1）；当水泥稳定层中除石粉外尚有石渣、石屑混合料则取CX=0.25N/mm3（以下称水泥稳定层-2）。

4 主体结构施工方法

由于大型箱涵的断面尺寸及混凝土一次浇筑量均较大，施工时采用一、二期混凝土分层浇筑已成为施工单位的不二选择。其最大问题是将导致箱涵侧墙二期混凝土普遍产生竖向裂缝。根据调查，湖区大型泵站大型箱涵凡采用一、二期混凝土分层施工时（图1），在侧墙二期混凝土中部普遍产生第一条或第一批竖向裂缝（图2），原因是侧墙二期混凝土收缩时，受到已浇一期混凝土的约束所致。

图1　某压力输水箱涵横剖面图（单位：mm）

图2　箱涵纵剖面一、二期混凝土示意图

但有个别泵站如澧县的福田寺协排站（属黄沙湾主泵站），施工时仍基本采用“整体浇筑”。该泵站的压力水箱迄今未发现竖向裂缝。据管理人员介绍，他们所讲的“整体浇筑”，实施时仍采用一、二期混凝土分层施工，只是其间歇时间由通常的的6～7天缩短至1～2天。在浇完一期混凝土后不拆内模，立刻安装侧墙外模，着手进行侧墙二期混凝土的浇筑准备，使一、二期混凝土浇筑时基本做到“整体浇筑，一气呵成，同步收缩”以减少侧墙一、二期混凝土的“收缩差”产生竖向裂缝的可能性。

5 裂缝实例分析

以我国南方某城市供水箱涵为例，涵管每节长20m，采用一、二期混凝土分层浇筑（图1、图2）。工程于1998年5～8月施工，每天从16∶00始，约（8～10）h浇完。混凝土浇筑后2～3周，在未覆土未通水情况下，于边、中侧墙二期混凝土中部陆续出现竖向裂缝，发生部位在管长1/2～1/3处，一般为2～3条，呈等距分布。裂缝绝大部分贯穿，宽（0.1～0.3）mm，至1998年9月15日统计，裂缝已达95条。混凝土为C30、W8、425号水泥。试块试验成果正常，均达到或超过设计强度等级。

裂缝性质属于前文提到的“变形裂缝”一类。是由水化热温差及混凝土收缩引起。

当管节较长（≥20m）时，设计施工上仍应采取进一步的措施：

浇注方式，不宜采用一、二期混凝土分层浇筑，而应采用整体浇筑方法（见上文福田寺协排站施工法）。

垫层材料：整体浇筑时，应由一般的C10混凝土改为水泥稳定层（CX=0.2～0.25N/mm3）进行核算；当核算施工分层浇筑情况时：仍应考虑一期混凝土对二期混凝土的约束作用，建议取CX=1.5N/mm3进行核算。

经我们对该实例分节长度进行核算，L=（10.1～14.1）m，均小于箱涵设计分节长度20m，因此箱涵开裂在所难免。

如采用“后浇带”法施工，管节长度亦可达到20m以上。因不属本文研讨范围，不赘述。另见详文献［1，2，4］。

为比较两种浇筑方式、4种垫层材料的优劣，现对参数β及管节长度L进行计算。管节长度L大者为优；大于或等于20m则计算通过。计算时均按管道未裂情况考虑。C30混凝土弹性模量E取3.0×104N/mm2，成果计算见表2。

表2　我国南方某城市输水箱涵采用不同浇筑方式、垫层材料箱涵分节计算长度比较表

以双孔箱涵资料为例（图1、图2），计算公式见

式（2）、式（3）。

①整浇箱涵参数β。

②一、二期混凝土分层浇筑。

式中E——箱涵混凝土28天弹性模量；

b、H、t——分别为箱涵宽度、高度、壁厚（图1）。

箱涵管最大整浇长度，当H/L＜0.2时可用下式计算：

——算例

整体浇筑：

总温差TT=T1+T2T1=T水化+T入仓-T环

式中T1——混凝土水化热入仓温度与开裂时环境之差；

T2——混凝土收缩当量温差。

（1）温度参数确定。

①T水化（水泥水化热温度）：由文献［1］P155表6-2，当结构t=500mm（箱涵厚壁）、夏季施工时，查出基本温升值T′=6℃。

T水化=T′·k1·k2·k3·k4=11.94（℃）。

式中k1·k2·k3·k4分别为水泥标号、水泥品种、水泥用量、模板种类修正系数：k1=1（425号）；k2=1.2（硅酸盐水泥）；k3=1.185（326/275）；k4=1.4（木模）。②T入仓（混凝土入仓温度）：据实测T入仓=33℃。③T环（环境温度）：白天30℃，夜间20℃，平均25℃。

式中a——混凝土线膨胀系数，取1×10-5/℃；

εy（t）——混凝土龄期t=1年的收缩值，取15× 10-5。

式中-εP——混凝土极限拉伸值，取10.21×10-5。

（2）整体浇筑时箱涵最大浇筑长度。

垫层材料采用“水泥稳定层-1”CX=0.2N/mm3。

本工程结构高度，H=5.0m，长度L=20m，当H/ L＜0.2时，箱涵分节长度L按下式计算：

E·t·（2b+3H）

其中E=3.0×104MPa、b=7900mm、H=5000 mm、t=500mm（图1）。

同样，当采用其它垫层材料的CX值，可求出相应的参数β值及箱涵分节长度L（表2）。

（3）混凝土分层浇筑时，箱涵最大浇筑长度。

①温度参数计算成果同“整体浇筑”；

②阻力系数CX，考虑一期混凝土对二期混凝土的约束，阻力系数均为CX=1.5N/mm3。

箱涵分节长度L计算：

其中E=3.0×104MPa、H=3700mm、b=7900mm。

同样，当采用其它垫层材料时，即可求出相应的参数β值及箱涵分节长度度（表2）。

6 结论

由表2计算成果可知：

（1）垫层材料对主体结构受力的影响是十分显著的。建议今后应因地制宜地采用水泥稳定层、水泥土等阻力系数小的材料作垫层（其弹性模量仅为C10混凝土的0.005～0.02；“水泥稳定层-1”作垫层时，箱涵整浇长L为C10混凝土垫层的二倍以上），少用或不用C10混凝土。因为后者不仅造价不菲，主要是不符合垫层材料“弹性模量小、阻力系数低”的基本要求，不利主体结构受力。

（2）选择合理的垫层材料后，不但可以有效地增加箱涵分节长度，对裂缝的控制及防止也能产生有利的影响。

（3）从混凝土的浇筑方式看，整体浇筑较之分层浇筑有明显的优越性；垫层材料则以水泥稳定层最佳，这两者组合使箱涵分节长度达到（20.2～22.6）m，为今后采用长管节设计、施工提供了理论计算依据。其他组合的箱涵分节长度均小于设计长度20m，表明箱涵将会开裂。

（4）箱涵整体浇筑可采用福田寺协排站的施工方式，其最大特点是施工虽分一、二期，但两期混凝土的间歇时间仅1～2天（一般为6～7天以上），使一、二期混凝土的浇筑基本做到“整体浇筑，一气呵成，同步收缩”大大地减少了箱涵侧墙一、二期混凝土“收缩差”产生竖向裂缝的可能性。

［1］王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

［2］赵志缙，赵舧.高层建筑基层工程施工［M］.北京：中国建筑工业出版社，1994.

［3］龙占平，王秉纲.水泥混凝土路面基层顶面当量回弹模量Et的修订建议值，1998.

［4］余际可，范运田，余元君.输水建筑物病险原因防治措施设计要点［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

余际可（1934-），男，教授级高级工程师，曾任湖南省水利厅技术委员会委员，主要从事水工专业工作。

（2016-01-21）