路基混凝土施工期裂缝与温度应力关系规律研究

郭磊

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北涿州072750）

路基混凝土施工期裂缝与温度应力关系规律研究

郭磊

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北涿州072750）

针对路基混凝土施工期裂缝对路基稳定不利影响的问题，以汕(头)湛(江)高速公路云浮至湛江段及支线工程(化州至湛江段)第TJ-29合同段为研究实例，采集了大量相关实测数据，在此基础上就路基混凝土施工期裂缝与温度应力关系进行了系统分析，探讨了路基混凝土施工期温度场、应变场与裂缝的发展时程，同时，就裂缝与温度应力关系规律进行了系统研究。

路基；混凝土；裂缝；温度应力；原型监测；裂缝控制

作为道路工程的核心工程之一，路基的性能尤为重要，其结构的可靠性和耐久性，是相关部门和工程技术人员关注的焦点。路基结构体型和受力情况均十分复杂，极易在混凝土施工期出现裂缝，裂缝会极大地影响了路基结构的防渗性、耐久性和结构强度。目前虽然对路基结构混凝土的裂缝控制已探索出一些措施和方法，但是在建路基的表面、侧面仍然经常出现表观裂缝，对于路基混凝土施工期的裂缝控制的相关研究仍然很有价值。

1986年,美国麻省理工大学J.Rayller指出，路基混凝土在施工期产生裂缝的根本原因是因为混凝土表面拉应力超过其承载极限而产生的剪切塑性破坏。所以，要合理控制路基混凝土施工过程中的裂缝，就必须合理控制路基混凝土在施工过程中的应力分布[1-2]，而因为温度变化引起的温度应力是混凝土拉应力的一种重要形式。本文将结合汕(头)湛(江)高速公路云浮至湛江段及支线工程(化州至湛江段)第TJ-29合同段实例工程，通过原型观测测量和分析对比，对其混凝土施工期裂缝与温度应力关系规律进行系统的研究探讨。

1 工程概况

汕(头)湛(江)高速公路云浮至湛江段及支线工程(化州至湛江段)第TJ-29合同段设计桩号范围为：LZK11+800-LZK26+000，路线总长14.2 km，主要位于廉江市良垌镇及石城镇境内，见图1。合同段内设置有良垌服务区（LZK11+810-LZK13+240）、廉江东互通立交（LZK20+050-LZK21+250）。工程所在区域为南亚热带和北热带的过渡带，属南亚热带、北热带、亚湿润季风气候，夏长冬暖，雨热同季，降水分布不均匀，干湿季明显，冬季寒潮入侵偶有严寒，夏秋期间，台风、暴雨频繁。年平均气温22.3～23.9℃之间。本工程混凝土全年可以浇筑。境内多年平均年降雨量为1 724mm。降雨量季节和地理分布不均匀，4～9月份是雨季，降雨量占全年的83%；1月、2月、11月、12月为干旱季节，4个月降雨量只有全年的8%。良垌一带降雨量相对较多。

图1 工程地理位置图

本标段为低缓丘陵地貌，主要为缓丘、微丘间山间洼地地貌及台地地貌，部分为河流冲积平原。地形较平缓，起伏不大，一般高程在5～50 m，高差一般为5～35 m。

2 混凝土施工期温度、应变监测设置

2.1 监测点布置设计

本次试验测量主要针对路基混凝土区域，沿竖直方向共分三层布置，见图2。其中，上层与下层测点布置一致，均布置24个测点，中间层考虑到安装条件较差，局部区域难以布设测点，共布设20个测点。各层根据拉应力的分布规律，重点将测温仪与应变计布置在拉应力集中区域。三层总共布置68个测点，每个测点布置一个测温仪与两个应变计，局部测点只设置一个应变计，三层共布置113个应变计。

2.2 路基混凝土施工期裂缝监测

图2 监测点布置设计

综合考虑仪器的适用性、测量精确度以及试验成本等因素，本次试验温度测量采用MR1S双色测温仪（量程为-30～80℃，测量精度为±0.5℃），应力测量仪器选择XH5861全程控动态应变计（量程为0～5000με，测量精度为±1με）。其中，MR1S测温仪与XH5861应变计都具有实时数据传输功能。

混凝土的裂缝采用ZT-F00A智能裂缝测宽仪，辅以皮尺进行测量、记录。ZT-F00A裂缝测宽仪可利用粒子成像技术将裂缝等比例地缩放于电子屏幕上，自动进行裂缝特征参数测量，测量精度可达±0.01mm。同时，该仪器还能采集裂缝历时过程的图像、视频数据。

3 路基混凝土施工期监测结果及分析

3.1 典型监测点时程数据分析

图3 上、下层典型监测点应变、温度时程曲线

分析68个测点各组数据的应变历时变化，可发现上层和下层测点应变变化规律一致，拉应变历时曲线为“先急凹后缓凸”型曲线；中间层测点的应变变化规律与上、下层相反，拉应变历时曲线为“凹”型曲线。

3.1.1 上层、下层测点时程数据分析

经分析，上层、下层共48个测点的时程数据曲线都基本一致，均表现为先拉后压的“先急凹后缓凸”型曲线。选择下层测点S-07为特征点，其应变时程曲线，见图3，可以分为三个明显阶段：

（1）大幅收缩阶段（混凝土入仓后0～24 h）

此阶段内，混凝土水化热剧烈，放热速率较高，温度迅速上升（由19.5～35.3℃），此时混凝土所受X、Y方向的应变断崖式下降（X方向由0下降至-152.8με，Y方向由0下降至-226.4με），该阶段数据呈直线下降趋势。

（2）缓慢恢复阶段（1～14 d）

此阶段内，混凝土产生的水化热较为平缓，混凝土逐渐稳定，温度开始逐渐下降，混凝土内外温差显著减小，混凝土所受X、Y方向的应变开始缓慢恢复（X方向由-152.8με恢复至0，Y方向由-226.4με恢复至-135.6με）。

该阶段恢复期较长，应变恢复也产生了多次波动，此阶段末期混凝土由压应力开始向转变为拉应力转变。

图4 中间层典型监测点应变、温度时程曲线

（3）持续微缩阶段（14～30 d）此阶段温度持续平稳下降，混凝土所受X、Y方向的应变也持续下降，根据文献[3]，该阶段内混凝土强度上升幅度较大，是混凝土重点养护期。

3.1.2 中间层测点时程数据分析

经分析，中间层8个测点的时程数据曲线都基本一致，均表现为“凹”型曲线。选择中间层测点X-19为特征点，其应变时程曲线，见图4，可以分为三个明显阶段：

（1）自收缩阶段（混凝土入仓后0～24 h）

此阶段内，大部分边界点点位监测数据表现出收缩的情况（压应变增大），收缩50με至100με不等；大致在12 h收缩停止。

（2）温升压缩阶段（混凝土入仓后1～3 d）

此阶段内，X向、Y向应变随着温度的升高而减少，体现受压状态。

（3）温降拉伸阶段（混凝土入仓后4～30 d）

温度在第3 d达到峰值，此后应变随着温度的下降，随着时间缓慢增大。同时，温度曲线1～2 d达到峰值，峰值为60～80℃，之后温度随着时间缓慢下降，龄期达28 d时，温度依旧有下降趋势，未到稳定温度。

根据以往经验与现场实际情况分析，整个应变曲线跟温度曲线显现出很好的反相关性，但应变与温度比值并不等于线膨胀系数；24 h龄期内急剧收缩现象依然存在，例如在时程曲线中可以看出。同时，进一步观察可知，温度曲线上升迅速、下降缓慢，主要为内部散热不畅所致，规律基本正常。

图5 0.5d龄期混凝土应变切片云图

图6 5d龄期混凝土应变切片云图

图7 12d龄期混凝土应变切片云图

3.2 监测场应变分析

混凝土监测场各龄期X方向和Y方向应变场的切片云图，见图5～图8。

图8 25d龄期混凝土应变切片云图

从混凝土监测场X方向应变发展历程来看，混凝土入仓初期，应变场以拉应力变化为主。在5 d龄期下层中心区域开始逐渐转变为压应力，并逐渐向上层和四周传递。在12d以后，下层中心区域受压程度有所降低，受压地区大幅向四周扩散。在25d时，下层中心区域由受压状态又变化为受拉状态，四周的混凝土则由受拉转为受压状态。

混凝土监测场Y方向应变发展历程与X方向发展历程相似，在0～5d的受压中心位于底板底层中心部位，相比X向应变中心位置偏下，0～5d外围逐渐受拉，中心逐渐受压。5～25d后，外围由拉转压，底板底层受压程度及区域都相减少。

图9 25 d龄期混凝土应变切片云图

4 路基混凝土施工期裂缝与温度应力关系

4.1 监测场温度分析

在路基混凝土下层、中间层各取20个测点（两层之间水平坐标完全一致），温度变化，见图9。分析该图可以看出，下、中间层上，温度随龄期变化规律一致；两层混凝土在龄期0～1.5d上升。1.5 d后，随着龄期增长，各位置温度值缓慢下降，形成“山坡”，说明各监测点温度极值变化不大；28d龄期时，温度下降趋势已经平缓，但未降至室外温度0℃左右。

4.2 应变与温度关系分析

图3、图4列出了下层、中间层的典型特征点应变、温度时程曲线。根据这两幅图可以看出，温度与应变明显反相关。

4.3 裂缝与温度应力关系分析

根据监测，路基混凝土前后共出现5条明显的裂缝，前期（0～100 d）出现的三条裂缝B1、B2、B3随着时间推移不断增大，并在150d后逐渐闭合，后期（101～150d）出现的两条裂缝B4、B5随着时间发展规模也逐渐扩大，但没有出现闭合趋势。路基混凝土在20d龄期应变与裂缝关系，见图10。

分析图10可知，B2、B3裂缝附近的应变监测显示该区域周围的应变与周围相比有较大变化，这说明早期裂缝的发生可能对应变值有一定关系。裂缝出现时，与其对应的区域应变并没有发现跳变，应变在裂缝出现时依然变化平滑连续；同时，B2、D3裂缝附近的应变极值相对于其他部位都偏高很多，推断认为，应变极值较大区域附近更可能产生裂缝。同时，进一步研究可发现，路基混凝土施工期裂缝大小规模与温度应力呈正相关，即在路基混凝土施工期，温度应力越大，混凝土拉应力越大，压应力越小，混凝土越容易出现裂缝。

图10 路基混凝土20d龄期应变与裂缝关系图

根据路基混凝土施工期温度应力、裂缝规模的发展历程可知，路基混凝土的入仓温度是早期应变场分布的重要影响因素，裂缝产生的规模与温度应力呈显著的指数正相关。

5 结论

本文针对路基混凝土施工期容易产生裂缝的现象，选择S338宁镇线戴庄段实例工程进行数据监测分析，探讨了路基混凝土施工期裂缝与温度应力关系规律，研究结果表明，路基混凝土施工期裂缝大小规模与温度应力呈指数正相关，且宽缝区域基本出现在温度应力极值区域。由此可见，要有效控制路基混凝土裂缝规模，采取合理措施，控制入混凝土仓温度是关键因素。

由于笔者精力、能力有限，本文未就路基混凝土裂缝规模与温度应力的函数对应关系进行进一步的探讨，建议有关同仁就这一方向展开进一步深入探讨。

[1]Krajcinovie D，Silva M A G．Statistical aspects of the continuous damage theory[J].International Journal of Solids and Structures，1982,18(7)：551-562．

[2]吴瑶，徐世烺，吴建营,等.双K断裂准则在丹江口大坝安全性评定中的应用[J].水利学报，2015,46(3)：366-372．

[3]管俊峰，卿龙邦，赵顺波.混凝土三点弯曲梁裂缝断裂全过程数值模拟研究[J].计算力学学报，2013，30(1)：143-148,155．

A Study on the Relation between Cracks and Temperature Stress During Subgrade Concrete Construction Period

GUO Lei
(China Railway Eighteen Bureau Group Co.,Ltd.,Zhuozhou,Zhuozhou Hebei,072750)

As to the adverse effect of cracks to the stability of subgrade during subgrade concrete construction period,taking Yunfu-Zhanjiang part and Huazhou-Zhanjiang part of Shanzhan super highway as example,by collecting large amount of data,we analyzed the relation between cracks and temperature stress and discussed the development of temperature field,strain field and cracks during subgrade concrete construction period.Besides,the rule of the relation between cracks and temperature stress was systematically researched.

subgrade;concrete;fracture;temperature stress;prototype monitoring;crack control

TV147

A

〔责任编辑 王东〕

1674-0874(2017)04-0065-06

2017-05-08

郭磊（1983-），男，安徽蚌埠人，工程师，研究方向：道路工程管理。