混凝土橋墩開裂處理對策分析

　　基礎是橋梁和地基之間的連接體。基礎把橋梁豎向體系傳來的荷載傳給地基。從平面上可見，豎向結構體系將荷載集中于點，或分布成線形，但作為最終支承機構的地基，提供的是一種分布的承載能力。

　　如果地基的承載能力足夠，則基礎的分布方式可與豎向結構的分布方式相同。但有時由于土或荷載的條件，需要采用滿鋪的伐形基礎。伐形基礎有擴大地基接觸面的優(yōu)點，但與獨立基礎相比，它的造價通常要高的多，因此只在必要時才使用。不論哪一種情況，基礎的概念都是把集中荷載分散到地基上，使荷載不超過地基的長期承載力。因此，分散的程度與地基的承載能力成反比。

　　如果地基承載力不足，就可以判定為軟弱地基，就必須采取措施對軟弱地基進行處理。軟弱地基系指主要由淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層構成的地基。在建筑地基的局部范圍內有高壓縮性土層時，應按局部軟弱土層考慮?？辈鞎r，應查明軟弱土層的均勻性、組成、分布范圍和土質情況，根據(jù)擬采用的地基處理方法提供相應參數(shù)。沖填土尚應了解排水固結條件。雜填土應查明堆積歷史，明確自重下穩(wěn)定性、濕陷性等基本因素。

　　1.1 樁基施工中護壁混凝土強度等級應與樁基混凝土的強度等級一樣，且護壁應高出地面至少30厘米，另外應對護壁進行仔細檢查有無漏水和滲水。

　　1.2 樁基混凝土配合比，應在施工前選擇取料場對原材料進行檢測合格后，分人工挖孔樁和鉆孔樁進行配合比設計，一般情況下，鉆孔樁水下混凝土的坍落度比人工挖孔樁混凝土坍落度要大，但無論何種混凝土都應滿足施工工藝的具體要求，如混凝土坍落度、初凝時間、終凝時間等，其中最重要是混凝土粘聚性和保水性一定要好。

　　1.3 混凝土灌注前應仔細對孔底進行檢查，檢查孔底有無積水和沉渣。一般情況下，沉渣較容易清除，但由于地下水位比較高時，積水就難清盡，鑒于此一般有兩種處理方法：一是地下水量較少時，可在第一盤混凝土灌注前使用海綿、毛氈等物品盡量將孔底積水吸干凈，一旦吸干凈就可以立即進行混凝土灌注；且第一盤混凝土的水泥用量應適大加大，灌注高度應嚴格進行控制，也利混凝土充分振搗；一是地下水量較大采用海綿、毛氈無法吸干凈時，可以考慮按鉆孔樁進行水下混凝土灌注。

　　1.4 鉆孔樁水下混凝土灌注應仔細對每盤混凝土下料量和導管拔管高度進行嚴格的計算。否則極易出現(xiàn)導管拔出混凝土以造成斷樁，另外，應將混凝土灌注超過樁頂設計標高至少0.8米，也保證將樁頭鑿出浮漿后樁頂?shù)幕炷临|量。

　　1.5 人工挖樁混凝土灌注首先應將孔積水，特別是串筒潤濕而流下的積水吸干凈，避免孔底混凝土由于積水而使混凝土局部水灰比增大而出現(xiàn)混凝土強度偏低，嚴重時會造成混凝土離析，另外灌注過程中，應嚴格控制混凝土振搗高度，保證混凝土振搗充分避免漏振和過振，最后隨著樁基混凝土的不斷上升，樁基表面由于混凝土振搗而產(chǎn)生的浮漿不斷增加，這時應用捉桶將表面的浮漿捉出倒掉，特別是接近樁頂更是如此，也避免由于混凝土配合比失真而造成樁頂出現(xiàn)低強度區(qū)。

　　常用的地基處理方法有：換填墊層法、強夯法、砂石樁法、振沖法、水泥土攪拌法、高壓噴射注漿法、預壓法、夯實水泥土樁法、水泥粉煤灰碎石樁法、石灰樁法、灰土擠密樁法和土擠密樁法、柱錘沖擴樁法等。

　　2.1 換填墊層法適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理。其主要作用是提高地基承載力，減少沉降量，加速軟弱土層的排水固結，防止凍脹和消除膨脹土的脹縮?！?.2 強夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等地基。強夯置換法適用于高飽和度的粉土，軟-流塑的粘性土等地基上對變形控制不嚴的工程，在設計前必須通過現(xiàn)場試驗確定其適用性和處理效果。強夯法和強夯置換法主要用來提高土的強度，減少壓縮性，改善土體抵抗振動液化能力和消除土的濕陷性。對飽和粘性土宜結合堆載預壓法和垂直排水法使用。

　　2.3 砂石樁法適用于擠密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、雜填土等地基，提高地基的承載力和降低壓縮性，也可用于處理可液化地基。對飽和粘土地基上變形控制不嚴的工程也可采用砂石樁置換處理，使砂石樁與軟粘土構成復合地基，加速軟土的排水固結，提高地基承載力。

　　2.4 振沖法分加填料和不加填料兩種。加填料的通常稱為振沖碎石樁法。振沖法適用于處理砂土、粉土、粉質粘土、素填土和雜填土等地基。對于處理不排水抗剪強度不小于20kPa的粘性土和飽和黃土地基，應在施工前通過現(xiàn)場試驗確定其適用性。不加填料振沖加密適用于處理粘粒含量不大于10%的中、粗砂地基。振沖碎石樁主要用來提高地基承載力，減少地基沉降量，還可用來提高土坡的抗滑穩(wěn)定性或提高土體的抗剪強度。

　　2.5 水泥土攪拌法分為漿液深層攪拌法（簡稱濕法）和粉體噴攪法（簡稱干法）。水泥土攪拌法適用于處理正常固結的淤泥與淤泥質土、粘性土、粉土、飽和黃土、素填土以及無流動地下水的飽和松散砂土等地基。不宜用于處理泥炭土、塑性指數(shù)大于25的粘土、地下水具有腐蝕性以及有機質含量較高的地基。若需采用時必須通過試驗確定其適用性。當?shù)鼗奶烊缓啃∮?0%（黃土含水量小于25%）、大于70%或地下水的pH值小于4時不宜采用于法。連續(xù)搭接的水泥攪拌樁可作為基坑的止水帷幕，受其攪拌能力的限制，該法在地基承載力大于140kPa的粘性土和粉土地基中的應用有一定難度

　　2.6 高壓噴射注漿法適用于處理淤泥、淤泥質土、粘性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土地基。當?shù)鼗泻休^多的大粒徑塊石、大量植物根莖或較高的有機質時，應根據(jù)現(xiàn)場試驗結果確定其適用性。對地下水流速度過大、噴射漿液無法在注漿套管周圍凝固等情況不宜采用。高壓旋噴樁的處理深度較大，除地基加固外，也可作為深基坑或大壩的止水帷幕，目前最大處理深度已超過30m.

　　2.7 預壓法適用于處理淤泥、淤泥質土、沖填土等飽和粘性土地基。按預壓方法分為堆載預壓法及真空預壓法。堆載預壓分塑料排水帶或砂井地基堆載預壓和天然地基堆載預壓。當軟土層厚度小于4m時，可采用天然地基堆載預壓法處理，當軟土層厚度超過4m時，應采用塑料排水帶、砂井等豎向排水預壓法處理。對真空預壓工程，必須在地基內設置排水豎井。預壓法主要用來解決地基的沉降及穩(wěn)定問題。

　　2.8 夯實水泥土樁法適用于處理地下水位以上的粉土、素填土、雜填土、粘性土等地基。該法施工周期短、造價低、施工文明、造價容易控制，目前在北京、河北等地的舊城區(qū)危改小區(qū)工程中得到不少成功的應用。

　　2.9 水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）法適用于處理粘性土、粉土、砂土和已自重固結的素填土等地基。對淤泥質土應根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗或現(xiàn)場試驗確定其適用性?；A和樁頂之間需設置一定厚度的褥墊層，保證樁、土共同承擔荷載形成復合地基。該法適用于條基、獨立基礎、箱基、筏基，可用來提高地基承載力和減少變形。對可液化地基，可采用碎石樁和水泥粉煤灰碎石樁多樁型復合地基，達到消除地基土的液化和提高承載力的目的。

　　2.10 石灰樁法適用于處理飽和粘性土、淤泥、淤泥質土、雜填土和素填土等地基。用于地下水位以上的土層時，可采取減少生石灰用量和增加摻合料含水量的辦法提高樁身強度。該法不適用于地下水下的砂類土。

　　2.11 土擠密樁法和土擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基，可處理的深度為5～15m.當用來消除地基土的濕陷性時，宜采用土擠密樁法；當用來提高地基土的承載力或增強其水穩(wěn)定性時，宜采用灰土擠密樁法；當?shù)鼗恋暮看笥?4%、飽和度大于65%時，不宜采用這種方法?；彝翑D密樁法和土擠密樁法在消除土的濕陷性和減少滲透性方面效果基本相同，土擠密樁法地基的承載力和水穩(wěn)定性不及灰土擠密樁法。在選擇地基處理方法時，應綜合考慮場地工程地質和水文地質條件、橋梁對地基要求、建筑結構類型和基礎型式、周圍環(huán)境條件、材料供應情況、施工條件等因素，經(jīng)過技術經(jīng)濟指標比較分析后擇優(yōu)采用。　大體積混凝土施工的關鍵問題是控制混凝土溫度，防止混凝土裂縫的產(chǎn)生，因此，施工前要制定針對大體積混凝土施工的技術方案，即防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的預案。針對方形橋墩易于開裂的問題，本文通過對方形橋墩在設計、施工及運營期間可能出現(xiàn)的裂縫原因進行列述，并就施工期間水化熱、運營期間的溫度驟降因素建立有限元模型進行應力場分析，根據(jù)分析結果提出相應的處理對策。

　　根據(jù)相關病害調查，橋墩裂縫是混凝土橋梁最主要的病害形式之一：橋墩作為橋梁結構中重要的下部構件，不僅承擔著上部結構及汽車等產(chǎn)生的豎向軸力、水平力和彎矩，有時還受到風力、土壓力、流水壓力以及可能發(fā)生的地震力、冰壓力、船只和漂流物對墩臺的撞擊力等荷載的作用。橋墩墩身裂縫直接影響且損害其自身乃至整體橋梁（根據(jù)混凝土結構缺損狀況評定標準，墩臺部件權重約占全橋的50%）的安全性、實用性、耐久性和美觀。

　　裂縫形成原因歸結為溫度裂縫，溫度裂縫的走向通常無一定規(guī)律，大面積結構裂縫?？v橫交錯；裂縫寬度大小不一，受溫度變化影響較為明顯，冬季較寬，夏季較窄。高溫膨脹引起的混凝土溫度裂縫是通常中間粗兩端細，而冷縮裂縫的粗細變化不太明顯。此種裂縫的出現(xiàn)會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低混凝土的抗凍融、抗疲勞及抗?jié)B能力等。

　　分析橋墩病害的主要表現(xiàn)形式為：混凝土剝落、露筋、砌體風化、灰縫脫落、水平裂縫、豎向裂縫、網(wǎng)狀裂縫、水平位移、傾斜、沉降等。其中，裂縫作為混凝土結構的主要病害之一，其成因復雜繁多，裂縫劃分無嚴格界限，每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要因素，其余因素對于裂縫起到繼續(xù)發(fā)展或加劇劣化的作用。常見的墩身裂縫形式包含：橋墩中心線附近的豎向裂縫、橋墩在日照時間較長側的裂縫、橋墩模板對拉筋孔處的裂縫、橋墩模板分塊接縫處的裂縫、橋墩頂部環(huán)向裂縫以及混凝土表面細小、不規(guī)則的裂縫。究其開裂原因，擬從橋墩的設計、施工及運營使用三方面進行分析論述。

　　1.1橋墩設計。橋墩在設計階段，結構不計算或漏算、結構受力假設與實際受力不符，內力與配筋計算錯誤，結構的安全系數(shù)不夠、設計時考慮的施工可能性與實際情況出現(xiàn)差異等均會使橋墩在外荷載直接作用下產(chǎn)生裂縫。

　　1.2橋墩施工。橋墩施工過程中，水化熱效應、施工工藝、材料自身等因素都會影響橋墩開裂。

　　1.2.1水化熱?；炷翝沧⑦^程中水泥水化放熱，受混凝土自身的不良導熱性和混凝土熱脹冷縮性質影響，橋墩內部溫度升高體積膨脹而外部溫度相對較低發(fā)生收縮，內外相互作用易導致橋墩混凝土外部產(chǎn)生很大的溫度拉應力，當混凝土抗拉強度不足以抵抗該拉應力時，會引發(fā)橋墩豎向開裂。該類裂縫僅存在于結構表面。

　　1.2.2施工工藝。在橋墩澆注、起模等過程中，若施工工藝不合理、質量低劣，可能產(chǎn)生各種形式的裂縫，裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度都因產(chǎn)生的原因而異：模板的傾斜、變形以及接縫都可能會使新澆注的混凝土產(chǎn)生裂縫；混凝土振搗不密實、不均勻，也會引發(fā)蜂窩、麻面等缺陷；混凝土的初期養(yǎng)護時的急劇干燥也會引發(fā)混凝土表面的不規(guī)則裂縫；混凝土入模溫度過高、施工拆模過早也會導致墩身開裂。

　　1.3橋墩運營。橋梁在運營階段，交通量的增長、超出設計荷載的重型車輛過橋、鋼筋的銹蝕等都會影響橋梁墩柱及其它構件的裂縫開展情況。當墩柱受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或有沿受壓方向的短裂縫，則應特別注意，往往是結構達到承載力極限的標志。此外，環(huán)境溫度對橋墩等構件的開裂影響也不容忽視，引起混凝土橋墩溫度變化的主要因素包括：年、月溫差、日照變化、驟降溫差等，尤其是入冬期間溫度驟降極易造成橋墩等大體積構件開裂。

　　混凝土不可避免地帶裂縫工作，裂縫的存在和發(fā)展也將一定程度地削弱相應部位構件的承載力，并進一步引發(fā)保護層剝落、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、持久強度低等，甚或危害橋梁的正常運行和縮短其使用壽命。因而，針對前裂縫在設計、施工及運營階段可能出現(xiàn)的原因，進行控制對策的研究，列述如下。2.1設計階段。在計算模型選取合理、橋墩強度、剛度、穩(wěn)定性等滿足規(guī)范要求的條件下，可選擇尺寸較小的圓形截面橋墩，以一定程度地減緩減弱其溫度應力峰值，從而降低其開裂風險。此外，在橋墩四周加防裂鋼筋網(wǎng)，配筋除滿足承載力及構造要求外，應結合水泥水化熱引起的溫度應力增配鋼筋，以提高鋼筋控制裂縫的能力。

　　2.2施工階段。

　　2.2.1水化熱。R.Springenschmid認為，混凝土的2/3應力來自于溫度變化，1/3來自干縮和濕脹。典型的波特蘭水泥會在開始3天內放出約50%的水化熱。可見，水化熱是混凝土早期溫度應力的主要來源，過快過高的水化熱是早期開裂的主要原因。針對水化熱效應，可采取以下措施以改善并控制開裂情況：在滿足設計強度的前提下，盡可能采用圓形截面柱、盡可能采用低標號混凝土；采用低水化熱的水泥或摻粉煤灰的水泥或摻緩凝劑，其對改善混凝土和易性、降低溫升、減小收縮具有較好的效果，也可提高自身抗裂性。此外，對墩身內部布設冷水管以循環(huán)降溫。

　　2.2.2入模溫度。降低混凝土的入模溫度也是一項降低混凝土溫度應力的重要措施。一般的，混凝土從塑形狀態(tài)轉變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時，澆注溫度越低開裂傾向越小。過高的入模溫度會加劇了混凝土的早期溫升，使得溫度應力更大。

　　2.2.3其它。橋墩的模板應具備足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，可承受新澆混凝土的重力、側壓力以及施工過程中可能產(chǎn)生的各種荷載；混凝土的振搗密實、均勻，可有效防止收縮裂縫，不可過搗，否則造成混凝土離析；拆模不應太早，混凝土終凝后對墩柱表面應及時的保濕保溫養(yǎng)護，使水泥水化作用順利進行，以提高混凝土的抗拉強度。主要養(yǎng)護方法包括：覆蓋養(yǎng)護、澆水養(yǎng)護、儲水養(yǎng)護和薄膜養(yǎng)護等。

　　2.3運營階段。運營階段的抗裂措施應主要包含兩方面內容：對潛在開裂隱患的控制和既有裂縫的修補控制。對于前者，若不考慮地震、撞擊等偶然因素的影響，橋梁在運營期間的裂縫則主要跟環(huán)境變化相關。根據(jù)前文的溫度驟降影響分析，圓形截面柱的抗裂情況較另2者略優(yōu)，因而，可優(yōu)先選擇圓截面柱作為橋墩的設計方案。

　　除此，可在溫度驟降前期或初期，于橋墩表面附加保溫材料或涂抹防護材料以削減溫度驟降帶來的影響。對于后者，雖然對橋墩混凝土的原材料、配合比及工藝等方面加強預防措施，但混凝土橋墩的裂縫仍不可避免。根據(jù)《公路工程質量檢驗評定標準》規(guī)定，公路橋墩裂縫縫寬>0.15mm，鐵路橋墩裂縫縫寬>0.2mm以下的局部收縮裂縫，須進行處理、修補。對于運營期間出現(xiàn)的裂縫，由變形變化所引起的裂縫，其無承載力危險，可采用防水型化學灌漿技術作一般表面處理。

　　混凝土橋墩工程中，多屬于大體積混凝土工程，較易出現(xiàn)裂縫。只有在設計、施工、運營各階段進行科學、合理的運作，可減輕減緩混凝土的裂縫開展。根據(jù)前文，相同體積情況下，滿足強度、剛度、穩(wěn)定性要求后，圓截面柱較矩形柱受施工期間水化熱、運營期間溫度驟降所引起的溫度應力小，因而建議橋墩設計采用圓截面。