地鐵車站側(cè)墻中裂縫機(jī)理分析和控制_工程管理

1、地鐵車站側(cè)墻中裂縫機(jī)理分析和控制總結(jié)了地鐵車站側(cè)墻中裂縫發(fā)生的狀況,并分析了裂縫發(fā)生的機(jī)理和影響裂縫開展的緣由,提出了掌握地鐵車站側(cè)墻中裂縫的方法。引言地鐵車站是大型地下混凝土框架結(jié)構(gòu),為滿意使用性與耐久性的要求,對(duì)車站結(jié)構(gòu)的防水性應(yīng)有較高要求。在工程中一般認(rèn)為,裂縫是造成滲漏的主要緣由,也就是說掌握裂縫進(jìn)展是防漏的關(guān)鍵。經(jīng)過對(duì)地鐵車站觀測(cè)統(tǒng)計(jì)發(fā)覺,地鐵車站結(jié)構(gòu)中側(cè)墻的中下部以及施工縫處是產(chǎn)生裂縫的主要部位;側(cè)墻中裂縫的走向大部分是豎直的,有少量的環(huán)向裂縫,以及極少橫向裂縫。在混凝土結(jié)構(gòu)中,影響混凝土裂縫開展的因素許多,把其分為外荷載和變形荷載兩大類。外荷載是指靜荷載、動(dòng)荷載和其他外界荷載,變

2、形荷載是指溫度收縮、干縮變形和不勻稱沉降等;其中變形荷載是引起裂縫的主要緣由。地鐵車站的側(cè)墻是混凝土薄壁結(jié)構(gòu),裂縫產(chǎn)生的主要緣由是干縮變形和溫度收縮變形。混凝土的干縮變形主要是指由于混凝土因水分散失而引起的體積縮小。溫度收縮變形主要是由于在混凝土硬化過程中,混凝土中的水泥釋放出大量的水化熱,同時(shí)又在熱量的不斷散失過程中,結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的溫度變化引起的脹縮變形。側(cè)墻中的裂縫依據(jù)其發(fā)生的狀況不同可分為兩類:表面裂縫和貫穿裂縫。下面就這兩類裂縫的產(chǎn)生氣理和緣由進(jìn)行了分析。1表面裂縫1.1表面裂縫機(jī)理及緣由分析在混凝土薄壁結(jié)構(gòu)中表面裂縫產(chǎn)生的主要緣由是干縮變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度非線性分布,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身的相互

3、約束產(chǎn)生的應(yīng)力引起的,即內(nèi)約束作用。1)干縮變形對(duì)混凝土薄壁結(jié)構(gòu)來說,由于混凝土結(jié)構(gòu)的體表面積較小,所以與空氣接觸的外表面水分散失較快,由其引起的干縮變形也大。而該結(jié)構(gòu)中水分散失由表及里漸漸減小,成非線性進(jìn)展。這種非線性進(jìn)展,使內(nèi)外變形不全都,因而表面的干縮變形受到內(nèi)部干縮變形的約束。2)溫度收縮變形混凝土澆筑后,膠凝材料在水化凝聚過程中要散發(fā)大量的水化熱,內(nèi)部溫度急劇上升。一般澆筑后1d就能達(dá)到溫峰。而后隨著混凝土的凝聚,水化熱不斷散失,溫度漸漸降低到與環(huán)境溫度相當(dāng)。當(dāng)澆筑溫度掌握在30時(shí),在混凝土薄壁結(jié)構(gòu)中,由于水化熱作用結(jié)構(gòu)中溫度可上升到5060。而結(jié)構(gòu)的外表面散熱快,因而薄壁結(jié)構(gòu)中的溫

4、度梯度相當(dāng)大。由于升溫階段短暫,而且此時(shí)混凝土的彈性模量很小,徐變較大,升溫引起的壓應(yīng)力并不大,不會(huì)引起裂縫的產(chǎn)生,所以不加考慮。當(dāng)溫度漸漸降低時(shí),隨著混凝土的硬化,彈性模量漸漸變大,徐變減小?；炷两Y(jié)構(gòu)冷卻時(shí),表面溫度較低,內(nèi)部溫度較高,表面的溫度收縮變形受到內(nèi)部的約束,從而表面消失拉應(yīng)力,在內(nèi)部消失壓應(yīng)力。1.2應(yīng)力分析在干縮和溫縮的共同作用下,混凝土薄壁結(jié)構(gòu)的外表面受到拉應(yīng)力的作用,而內(nèi)部則消失壓應(yīng)力,為此在應(yīng)力分析時(shí)采納以下假設(shè)。假設(shè)干縮的應(yīng)力換算成溫度應(yīng)力。對(duì)于內(nèi)約束溫度應(yīng)力可設(shè)想為在混凝土內(nèi)深處有個(gè)“約束面”約束著表層混凝土的收縮變形?！凹s束面”的約束度(R)為1.0,l很大,h很

5、小,l/h比值更大,以至于表面的R可趨近于1.0。混凝土表面溫度下降,“約束面”溫度不變(仍為T),于是產(chǎn)生表里溫差(T=T-T)。對(duì)于混凝土約束溫度應(yīng)力(t),大多文獻(xiàn)列出如下算式:(t)=KTd1Ee (1)其中,K是考慮截面內(nèi)溫度分布不勻稱并假設(shè)為拋物線形分布的系數(shù),并常取K=2/3(2/3是拋物線下平均高度相對(duì)于頂點(diǎn)高度的比值)。對(duì)于地鐵車站結(jié)構(gòu)的側(cè)墻的應(yīng)力、應(yīng)變,按平面二維問題考慮并引入泊松比(),則可用如下基本式代替(1)式: <CENTER</CENTER(2)2貫穿裂縫2.1貫穿裂縫機(jī)理及緣由分析混凝土薄壁結(jié)構(gòu)除了受到由于干縮和溫度變形引起的內(nèi)約束作用外,還受到外約

6、束作用。在地鐵車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)中,側(cè)墻主要受究竟板的變形約束。這種約束還是由于干縮和溫度變形引起的。在混凝土薄壁結(jié)構(gòu)中。隨著混凝土的硬化,水泥水化熱反應(yīng)率的越來越小,薄壁結(jié)構(gòu)的整體溫 度不斷降低,體積不斷收縮。而側(cè)墻與底板之間,新混凝土墻澆筑在老混凝土板上,產(chǎn)生粘結(jié)力。由于新、老混凝土的彈性模量、收縮程度不同,所以側(cè)墻的收縮受究竟板的約束。特殊是在已發(fā)生表面裂縫的地方,由于表面裂縫的存在使水分蒸發(fā)深化到內(nèi)部,即使干縮作用深化到薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部。另外薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度上升得很大,所以冷卻過程中收縮也會(huì)很大。同時(shí)隨著混凝土齡期的不斷增加,彈性模量不斷增加,徐變?cè)絹碓叫?。事?shí)上,混凝土的彈性模量在澆筑后7d就

7、基本達(dá)到與最終值相當(dāng)?shù)拇笮?。所以由于上述緣?混凝土側(cè)墻在底板約束下會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力。而混凝土是脆性材料,抗拉強(qiáng)度只是抗壓強(qiáng)度的1/10左右,所以當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)消失貫穿性裂縫。在側(cè)墻的上部基本處于無外約束的自由變外形態(tài)中。因此地鐵車站側(cè)墻中的裂縫一般是豎向,且消失在側(cè)墻的中下部。2.2應(yīng)力分析地鐵車站結(jié)構(gòu)中側(cè)墻混凝土厚度較大,一般為60cm80cm。在沒有特別降溫措施時(shí),混凝土內(nèi)部最大溫度高達(dá)5060,前后溫差最高可達(dá)40。由于澆筑時(shí)間的先后及側(cè)墻的溫差收縮時(shí)主要受究竟板混凝土的約束。如把底板混凝土視為老混凝土,而側(cè)墻為新混凝土,則新、老混凝土結(jié)構(gòu)之間存在著較大的收縮差

8、,因此當(dāng)側(cè)墻收縮時(shí),底板會(huì)對(duì)其產(chǎn)生巨大的收縮約束。在收縮過程中,老混凝土齡期較長(zhǎng),收縮變形已趨穩(wěn)定,從而約束了新澆筑混凝土的自由收縮,在新混凝土內(nèi)消失拉應(yīng)力,新、老混凝土粘結(jié)面內(nèi)消失剪應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力或剪應(yīng)力大于新混凝土自身的抗拉強(qiáng)度或新、老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),就會(huì)不行避開地消失貫穿裂縫。3裂縫的影響因素和掌握方法3.1水化熱水泥水化放出的熱量聚集在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部不能準(zhǔn)時(shí)散失而引起溫升,由其引起的不勻稱膨脹與收縮在受到約束時(shí),就會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂。水泥的水化熱與混凝土單位體積中水泥用量、水泥品種有關(guān),并隨混凝土的齡期按指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)。特殊是在防止貫穿裂縫進(jìn)展時(shí),有效地降低水泥水化熱是掌握內(nèi)部溫差的主要手

9、段之一。一般可通過實(shí)行如下措施來降低混凝土中水泥的水化熱:1)選用低熱水泥,如礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥。若只能采納一般硅酸鹽水泥,最好不用早強(qiáng)水泥。2)在允許范圍內(nèi)盡量減小混凝土的水灰比。3)摻加適量減水劑,可削減用水量,這樣在確保混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的條件下(即水灰比不變),水泥用量也相應(yīng)削減了。4)必要時(shí)在混凝土內(nèi)部埋置冷卻水管,進(jìn)行通水冷卻,可降低內(nèi)部溫度610。3.2澆筑溫度和外界氣溫GB50204 92混凝土結(jié)構(gòu)工程措施及驗(yàn)收規(guī)范的有關(guān)規(guī)定主要有兩條:1)澆筑溫度不宜超過28;2)大體積混凝土表面和內(nèi)部溫差掌握在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。目前建筑工程中的內(nèi)外溫差允許值的討論成果不多,加之混

10、凝土表面裂縫的緣由也很簡(jiǎn)單,因此規(guī)范規(guī)定了一個(gè)“允許稍有選擇”的標(biāo)準(zhǔn),即不宜超過25。大量的工程實(shí)踐也表明,當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差不超過25時(shí),一般來說,混凝土體內(nèi)的溫度應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。1)掌握混凝土的澆筑溫度。澆筑溫度Tj是由混凝土的機(jī)口溫度再加上運(yùn)輸澆筑過程中的溫度回升(或降低)而定的。拌和前每m3混凝土中原材料的總熱量CiWiTi(ci為比熱,Ti為溫度,Wi為質(zhì)量),再加上拌和時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械熱量(約1500kJ),即可得到機(jī)口混凝土的總熱量,再除以CiWi,就可得出機(jī)溫度。拌和時(shí)可以再用加入冰屑的方法,降低機(jī)口溫度;同時(shí)留意避開骨料被太陽曬。混凝土出拌合機(jī)后,經(jīng)運(yùn)輸、平倉,振搗中的

11、溫度增減后,即為澆筑溫度Tj溫度增減的詳細(xì)數(shù)值與路途運(yùn)輸、平倉的時(shí)間及澆筑的氣溫等有關(guān);所以還應(yīng)在混凝土輸送過程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼谏w等措施,以盡量降低混凝土的澆筑溫度Tj。2)盡可能地在常溫下施工,夏季施工,裂縫消失的狀況比冬季多。3)實(shí)行肯定的保溫、保濕養(yǎng)護(hù)措施。地鐵車站側(cè)墻的模板往往在澆筑混凝土的第2d3d內(nèi)便拆除了,這正好是水泥水化熱的高峰期;而側(cè)墻較薄,表面層的溫度梯度往往很大,混凝土內(nèi)部溫度梯度的急劇增加就引起墻體開裂,同時(shí)養(yǎng)護(hù)措施也可防止因與外界氣溫溫差較大引起的熱交換而產(chǎn)生的表面裂縫。故實(shí)行肯定的養(yǎng)護(hù)措施是必要的。3.3混凝土的收縮變形影響混凝土干縮主要發(fā)生在水泥與水體之間。水泥的礦物成分一般不會(huì)影響混凝土的干縮。只有當(dāng)石膏含量不足 時(shí),有的水泥才有較高的收縮。因而混凝土收縮的大小與水灰比有關(guān),水灰比越大,其收縮也越大。另外,由于骨料對(duì)收縮有很大的抑制作用,這種抑制作用與骨料的彈性模量有關(guān),彈性模量越低,混凝土收縮也越大,特殊是多孔輕質(zhì)骨料混凝土收縮就更大。不良的骨料會(huì)導(dǎo)致水的用量加大,這樣混凝土的收縮就會(huì)加大。由于混凝土成型