裂缝机理（共10篇）
裂缝机理 篇1
摘要：沥青混凝土路面被广泛用于各大省市的道路建设, 特别是在今天, 我们几乎随处都可以看到它的存在。作为城市与城市之间的交通枢纽, 它承担了大量的商品物资的运输。由于沥青混凝土具有无接缝, 表面平整性好, 机动车行驶平稳, 舒适性强, 对机动车振动影响小, 而且施工机械化程度较高, 速度快, 质量好, 维护简单等优点。如今已成为各大道路建设的首选材料, 正因为如此, 我们才格外重视它的品质。不得不做好与之相关的所有工作使其尽可能久的为人们服务。众所周知, 在我们所见到的沥青混凝土路面上经常有大小不等的横向裂缝, 那么, 它们是怎么产生的呢?
路面结构的性能会随着车辆荷载的反复作用以及所处环境条件的变化而逐渐恶化, 甚至会丧失其工作能力。由于荷载、环境、材料组成、结构层次组合、施工和养护等条件的变异, 使得路面的损坏形态多种多样、错综复杂。沥青路面建成后, 一般都会产生各种形式的裂缝。在裂缝的产生初期, 由于缝的宽度较小, 所以不会对我们车辆的通行有什么影响, 有的裂缝甚至不明显。但是, 如果对初期产生的裂缝没有足够的重视, 那么当有雨水等渗入到裂缝中就会导致沥青路面内部受到腐蚀, 这种腐蚀就是指沥青路面在存在水分的条件下, 如果受到反复的交通荷载作用, 一方面水分会不断地渗入到沥青路面的内部与底层的集料接触, 另一方面, 由于沥青路面表面的行车荷载导致的水动力作用, 就会使沥青膜渐渐地从底层集料表面剥离, 并导致沥青与集料、集料与集料之间的粘结力丧失, 从而引起路表面的破坏。破坏的沥青路表面再由于行车荷载的反复作用, 就会造成裂缝的明显扩张, 直至路面有块状的或粉状的集料, 这时路面不再平坦就会影响我们的交通。
1 裂缝分类
裂缝种类按其形状可分为以下几类:
纵向裂缝:是与道路中线大致平行的长直裂缝, 有时也会伴有少量的支缝;横向裂缝:与道路中线近于垂直的裂缝, 有时也会伴有少量的支缝;网状裂缝:其裂缝纵横交错, 其缝宽1mm以上, 间距40mm以下;块状裂缝:将路面分割成块状的纵横交错的裂缝等。
2 影响因素
2.1 设计因素的影响
正如凡事的原因都有两个来源, 一个是内在的另一个是外在的。沥青混凝土路面的裂缝产生的原因也一样, 我们把它概括为外部条件的影响和内部因素的决定。所谓内部因素, 主要指沥青路面的结构组成, 其由路面结构设计决定。路面结构设计的主要内容有结构组合和厚度确定。
影响沥青路面的品质最直接的因素就是集料的选取和级配设计。如果在设计的时候没有考虑好这两个因素, 那么就很容易在沥青混凝土摊铺完后造成潜在的空洞。由于粗骨料在重力作用下会表现为向下层移动, 那么在这种不易察觉的影响下, 集料之间粘合性就不好, 导致集料分布的不均匀, 不能达到最初的设计效果。而这种内部存在的空洞在后期的环境因素影响下就会产生空洞的扩大或缩小, 在一定空间内, 某一部分的增大就会伴随着另一部分的缩小, 同样的, 某一部分的缩小那么一般也会有另一部分的空间增大, 这就造成了沥青混凝土路面内部裂缝的游移, 在由于外部行车荷载的作用, 这种裂缝就会逐渐由内部向表面移动, 从而引起路面的断裂。
为了保证路基的稳定, 基层的坚实, 以及面层的耐用, 应选择适宜的面层类型。沥青混凝土适用于高级路面;热拌沥青碎石、沥青灌入式、沥青表处、乳化沥青碎石等适用于次高等级公路;级配碎石、泥结碎石、水结碎石等适用于中级路面……由于交通繁重程度不同, 对路面的影响程度也不同, 因此应该区别对待, 选用最优方案。
2.2 施工过程的影响
施工过程也是很重要的, 沥青在摊铺过程中必然存在内表的温差, 这种温差会导致裂缝的产生, 因此应当避免这种内表的温差过大。一方面是选择合适的摊铺时间, 另一方面还要避免摊铺造成的局部过厚或过薄, 过厚的地方热量积聚就会过多, 而过薄的地方热量相对较少, 这就会导致温度应力。在由于内表存在的温差, 这种应力就会表现得有一定的梯度, 也即受力不均匀, 这同样会导致在我们施工铺筑完后潜在裂缝的产生, 这样的情况应当避免。如果在我们的沥青混凝土路面上已经产生了一定的裂缝, 那么从其结构稳定性来说, 它内部的张力已经得到了释放, 完整的路面分割成了独立的板块, 这是在多重因素下顺理成章形成的, 因此可以推测这种变化已经使我们的路面趋于一种稳定了, 但是沥青路面不能一直处于这种稳定状态。由于各种荷载的作用以及恶劣自然环境的影响, 会使这种平衡被打破, 特别是雨水的渗入, 将进一步加剧这种破坏。
2.3 降水的影响
降水渗入到裂缝中就会有两种情况, 一者是在上表层浸润, 不能浸入下表层的集料部分, 二者就是直接渗入到下表层集料部分。
第一种情况, 当降水仅仅在上表层发生浸润, 那么这时沥青面与集料面的接触部分就有可能浸入少量水, 进而如果在温度的冷热作用下液体发生膨胀, 就会在两表面之间产生力, 当这种力超过了两者粘合的力就会使两者分离, 这只是一种可能的原因。另外, 如果降水渗入到上表层, 且有一部分游移水存在, 那么在外部的行车荷载作用下, 这部分游移的水就会产生运动, 从而造成水动力, 在这种水动力的反复作用挤压和冲刷的作用下, 暴露在空气中的沥青混凝土材料就有可能从表面脱离, 夹杂在裂缝中。还有一种更加糟糕的危害, 那就是在雨水不断地游移和冲刷下, 下表层的集料被水带走, 使我路断面形成一个倒过来的V字形, 继而在行车荷载作用下由于承载强度不够就会坍塌, 从而造成路面的破坏。
2.4 温度的影响
温度的单独作用对道路的破坏并不大, 但是当其与上述因素共同作用时, 会对沥青路面产生极大的危害。设计时若不能考虑到温度对路面的影响, 会造成不可估量的损失, 各种材料均有热涨冷缩的特性, 若设计时不加以考虑, 路面就会隆起或者开裂;施工是应时时控制温度, 有拌合温度, 摊铺温度, 环境温度等, 当这些温度不符合规定时就会使路面产生裂缝;在路面遭遇降水后, 温度更是起到了重要的破坏作用, 温度降低, 路面空隙增大, 降水渗人更深, 从而导致裂缝的加剧。
温度的变化是不可改变的, 但温度的影响却可以加以控制, 合理的设计, 准确的施工, 及时的养护以及适当的使用, 会使温度对路面裂缝的影响程度降到最低, 达到提高道路使用性能及使用年限的目的
3 结束语
综上所述, 对于沥青路面的横向断裂常见的影响因素可归为四类。第一, 设计的影响;第二, 施工与温度的影响;第三, 降水与温度的影响;第四, 行车荷载的作用。那么知道沥青路面断裂产生的机理, 就有可能进一步研究它的补救措施。在设计时, 注意级配及骨料选择, 确定正确的分层厚的及组合方式;施工养护时严格控制混合料摊铺温度, 合理选择接缝位置;为排水顺畅, 做好路拱横坡及其他排水设施;在不同温度地区选用适宜的路面材料;严格控制超重汽车上路行驶等。
裂缝机理 篇2
摘 要：随着预应力混凝土连续箱梁桥腹板裂缝成为一个普遍而复杂的问题，人们给予了越来越多得重视，并设法通过采取措施将其控制在一个容许的裂缝宽度之内。本文总结了预应力混凝土连续箱梁桥腹板裂缝出现的规律，对其作用机理进行了简要的分析，并对腹板裂缝的预防和控制提出了针对性的建议。
关键词：裂缝； 作用机理； 预防控制腹板斜裂缝
（1）边跨现浇段和支座附近至L/4跨范围两侧腹板25°～50°斜向裂缝。如图1所示。分析认为，这种裂缝属于结构性裂缝，出现这种裂缝主要是承受了较大的剪应力而腹板抗剪能力又不足以满足所产生的过大主拉应力要求所引起的。
在忽略腹板厚度方向的应力状态情况下，将箱梁桥复杂的空间应力状态简化为双向应力作用下的平面应力状态，忽略横向正应力，在双向应力状态下，主应力计算公式为：
（1）
由式（1）可知，竖向预应力的存在，能大大减小主拉应力。设计中首先计算出箱梁桥腹板的主拉应力，然后通过合理的调整竖向预应力筋的数量和间距来减小甚至完全消除主拉应力，使得第一第二主应力均为负值（压应力），不超过混凝土的极限抗拉强度，以此来控制腹板斜裂缝。
可对于变截面箱形梁桥，边跨直线段箱梁高度较小（高跨比通常为1/25），导致竖向精轧螺纹钢筋长度较小，施工中往往由于孔道布设不合理和张拉压浆质量难以保证，导致竖向精轧螺纹钢筋中的永存预应力损失过大，往往主拉应力大于极限拉力，裂缝难以避免的出现。为了避免预应力混凝土连续箱梁的弯起束摩擦损失较大，也为了方便施工，现在的箱形梁桥多采用纵向预应力束和竖向预应力粗钢筋的组合布索方式来取代弯起束，通过调整竖向预应力，把主拉应力减小到一定范围之内，进而控制裂缝的产生，这在理论设计计算中是可行的，可实际上取消弯起束采用这种组合布索方式的预应力箱梁还是不可避免的出现了与水平方向呈45°的斜裂缝。
在设计中对于不同布索方式的选择要充分考虑由于施工难度大，施工质量难以证引起的预应力尤其是竖向预应力损失，进行充分的论证，不可盲目的为了施工方便而采用纵向预应力束和竖向预应力粗钢筋的组合布索方式，必要时可以增设弯起束，调整竖向预应力筋的间距，增加腹板的厚度，加密箍筋；同时为了消除主应力空白区，应对箱梁斜截面的抗裂能力进行考虑，适当增加非预应力钢筋尤其是弯起钢筋来配合预应力钢筋提高斜截面抗裂承载能力；由于梁高的限制边跨梁端抗剪能力差，为了避免梁端剪应力过高，设计中应选择合适的边跨和中跨的比例。施工中要对预应力的孔道布设和压浆工艺进行优化，以保证较短的预应力筋在施工完成之后有充足的有效预应力，从而将主拉应力控制在不超过极限抗拉强度的范围内，避免腹板斜裂缝的出现。
（2）锚固区出现的的腹板斜裂缝。西南交大结构所通过试验研究，建议对箱梁分段施工的湿接缝混凝土抗拉强度取0.53的折减系数予以折减；美国《节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范》也规定在计算接缝混凝土强度时，应分别乘以抗弯和抗剪基本强度折减系数，这样接触面只存在很低的混凝土抗拉强度。而采用后张法的悬臂浇筑预应力混凝土箱梁桥在悬臂施工中，预应力筋往往锚固在接触面上，由于预应力筋的锚固所形成的局部高压应力会在锚头后会产生拉应力，而锚固区的混凝土抗拉强度折减后很小，如果设计时这一区域的受拉钢筋配置又不合理，在接缝面上的锚固区往往会形成粗裂缝。
因此对锚固区进行分析，计算锚后拉应力，合理布设间接钢筋和闭合式箍筋，是预防锚头处附近产生开裂的有效措施。腹板水平裂缝
该类水平裂缝主要发生在箱梁桥腹板上缘，位于边跨支座附近和中跨L/4～3L/4之间，分析认为，这主要是竖向正应力超过应力限值所引起的裂缝。
现代混凝土箱梁桥跨度越来越大，特别是对于腹板间距大，横隔板较少的箱梁，由于采用经典梁理论周边刚性假定分析箱梁桥的变形，而对箱梁桥空间畸变变形考虑不足，箱梁腹板会产生较大的竖向正应力，甚至大大超过设计应力，这是导致箱梁桥腹板产生水平裂缝的主要原因之一。因此，设计时重视对连续箱梁桥空间畸变变形的分析和研究，能很好地预防控制箱梁桥腹板水平裂缝的产生和发展。腹板水平、斜向组合裂缝
该类组合裂缝：腹板上缘水平裂缝，腹板45°斜向裂缝，位于边跨支座附近L/4跨范围和中跨L/4～3L/4之间。分析认为，由于边跨支座附近是预应力钢筋锚固集中区，受力复杂，往往由于主拉应力而出现斜裂缝；同时跨中和边跨直线段由于梁高的限制抗剪能力差，竖向精轧螺纹钢筋较短，预应力损失严重，竖向正应力作用下出现水平裂缝，如图2所示。鉴于梁高较小区段竖向预应力损失过大，设计时可以考虑采用平行刻痕钢丝，墩头锚体系来代替精轧螺纹粗钢筋。
从预应力混凝土连续箱梁桥腹板裂缝形成的机理来看，混凝土裂缝是一个复杂的问题，是多种因素相互作用的结果。正确的认识腹板裂缝，应根据环境和混凝土的具体情况，首先分析裂缝产生的位置、特征和规律，随后分析裂缝产生的机理，最后有针对性地从多方面采取预防控制措施。
参考文献：
裂缝机理 篇3
摘要：混凝土施工是房屋建筑工程中的重要部位，如房屋工程的承重构件框架梁、板、柱以及一些小型构件等。随着经济和施工技术的发展，房屋工程逐渐摆脱以砖混结构为主的格局，钢筋混凝土框架结构已占据主导地位。因此，加强混凝土工程裂缝控制至关重要，而加强混凝土施工中温度控制是防止混凝土构件出现裂缝重要环节之一。本文在此从混凝土温度裂缝的成因出发，从设计、材料、施工和养护等角度对混凝土温度裂缝施工做了详细的研究。
关键词：混凝土；温度；裂缝
一、建筑施工温度与混凝土裂缝的基本特征
在工程施工中，温度变化引起的裂缝主要产生在混合结构的房屋建筑中，一般，屋盖采用现浇钢筋混凝土板、墙体采用砖砌体，而裂缝就多发生在屋盖现浇板下的砖砌体中。如果房屋的纵向裂缝超过60m，还没有进行相对的沉降处理时，温差裂缝就会出现在房屋纵向部位的两端，中间部位通常屋裂缝或只有很轻微的裂缝，而在上述两种情况中，如果外墙门窗的开洞过大，裂缝也会更加明显。裂缝多为一条细缝的状态出现，宽度一般在0.2-1.5cm 内，严重时可能会出现 370mm 墙体裂通。
1、八字缝，通常出现在墙体顶端的两端的1-2个开间内，裂缝从两边向中间逐渐上升，呈对称八字形，纵墙出现的机率大于横墙。
2、水平缝，该裂缝主要发生在屋盖钢筋混凝土圈梁底面标高处或檐口下。
二、混凝土温度裂缝的产生的原因
1、混凝土本身的特点引起的原因
工程建设中许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、干湿变化，混凝土表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1/10左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×104，长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2～2.0）×104。由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。
2、温度应力引起的原因
对于边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如：桥梁墩身，结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间过程出现压应力。这种应力成为自身应力。结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。此时的应力称为约束应力。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。
三、施工准备阶段控制措施
1、设计措施
1.1根据实际情况采取合理的结构形式进行分块、分层和分时段的浇筑形式，应对各分层之间混凝土浇筑的时间提出要求，保证每层表面水化热的散发，尽量降低约束作用。应根据温度裂缝的要求分块设置水平施工缝，并设置合理的连接方式。
1.2设计时应选用强度等级在C20～C35的低强度混凝土。由于高强混凝土呈现“脆性”易产生裂缝，而且工程造价较高，所以应避免采用水化热较高的高强度混凝土。
1.3进行结构设计时，应对分布钢筋进行合理设置，尽量采用小直径钢筋、采取密间距布置等对降低混凝土裂缝有较好效果的配筋方式，以减少裂缝出现的程度及概率。
2、原材料的选择措施
2.1水泥的选择
水泥的水化热，直接影响混凝土的温升。因此在保证建筑物设计强度的前提下，应选用低热或者中热的C3S及C3A等水泥，并宜对低矿碴、火山灰质等水泥优先选用。并应按照《水泥水化热试验方法（直接法）》等行业标准对所选定的水泥进行水化热测定。
2.2粗、细骨料的选择
（1）为达到设计要求，同时又能发挥水泥的有效作用，应优先选用自然连续级配的粗骨料，因其配制的混凝土所具有的较好的和易性，可有效减少水泥用量，并达到相应的强度；
（2）由于采用碎石拌制的混凝土，其强度较高，并具有良好的抗裂性能，所以选择粗骨料时，宜优先选用碎石；
（3）经验数据表明，当选用中粗砂做细骨料时，可减少混凝土水泥用量，而水泥用量的减少，有利于降低绝热温升，所以，宜采用中粗砂做细骨料；
（4）粗、细骨料均应对含泥量进行严格控制，因为含泥量一旦超标，混凝土的收缩性会大幅度提高，而抗拉强度大大下降，加剧了混凝土的温度裂缝。
2.3外加剂的选择
建筑混凝土外加剂有减水剂、引气劑、等多种类型，粉煤灰是建筑混凝土外加剂的一种，它对于防止混凝土裂缝、改善混凝土的施工性能有较好的效果。建筑用外加剂通常采用I级粉煤灰，但掺兑比例不宜过大，否则会造成混凝土早期强度低、低温泌水大等缺陷。
2.4优化配合比
在满足强度要求的情况下，尽量减少水泥用量。施工前，应反复进行配比试验，优选最合适的配合比，以提高混凝土的流动性、和易性和使混凝土具有较大的抗裂能力，有效降低混凝土的绝热温升。
四、施工阶段采取有效措施对温度裂缝进行控制
1、温度控制措施
为了减少由于温度变化而产生的裂缝，施工单位应改善骨料级配，使用硬度较强的混凝土，掺混合料，加引气剂或塑化剂，这些措施可以有效减少混凝土中的用水量；同时，在搅拌混凝土的同时加水或用水将碎石冷却，可以降低混凝土浇筑的温度。此时，还要为混凝土的散热提供条件，夏天浇筑混凝土时可以适当减少浇筑的厚度，通过建筑层面来降温；对于体积较大的混凝土，应在混凝土结构中预埋水管，通入冷水降温；按照规定的时间拆模，当气温骤降时还要对表面进行保温，预防表面温度巨变而发生的温差裂缝；而对于长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在低温季节仍然要进行保温措施。
2、约束条件改善措施
在工程建设中，混凝土结构浇筑要合理的分块施工，以免基础起伏过大；同时要科学的安排工序。在施工过程中，为了提高模板的周转率，通常要求新浇筑的混凝土做早期拆模。而当混凝土的温度高于气温时，才应考虑拆模，这样才能预防混凝土出现温差裂缝。新浇筑早期拆模，会在表面形成较大的拉力，出现“温度冲击”现象。
3、掺入外加剂
木质素磺酸钙属阴离子表面活性剂，对于水泥颗粒的分散效果较好，还能降低水的张力，而引起加气作用。因此，如果在水泥中混入0.25%的木钙减水剂（即木质素磺酸钙），其混凝土的和易性能有明显的改善，还能较少约10%左右的拌合水，节约 l0%左右的水泥，以此而降低水化热。
五、混凝土的早期养护
实践证明，混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
1、防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度，防止表面裂缝。
2、防止混凝土超冷，应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
3、防止老混凝土过冷，以减少新老混凝土间的约束。
混凝土的早期养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果，一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂能力。适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝上的保温措施常常也有保湿的效果。
六、结语
桥梁结构裂缝机理分析及防治对策 篇4
桥梁结构在施工和营运使用过程中,常常会出现各种不同形式的裂缝。由砖、石、混凝土构筑而成的桥梁结构物,由于砖石砌体及混凝土材料的抗拉能力弱,稍微受拉就有可能产生裂缝。当混凝土的裂缝宽度发展到一定程度时,构件内的钢筋就会因混凝土开裂而锈蚀;对于砖石砌体结构,其抗拉强度小,结构脆性较大,裂缝荷载比较接近或几乎等于破坏荷载,当砖石砌体出现由于荷载引起的裂缝时,往往是砌体破坏的特征或前兆,应作及时分析和处理。因此,由砖石砌体及混凝土构成的桥梁结构裂缝,如果得不到及时处理,将会危及桥梁安全并最终导致桥梁损毁,给人们生命财产安全带来损失。研究桥梁结构裂缝的机理,并据此采取相应的防护措施,保障桥梁安全营运具有重要意义[1]。
2 桥梁结构裂缝机理分析
砖石砌体产生裂缝是常见的一种缺陷。裂缝的产生将对结构的耐久性、美观、强度和刚度等方面产生不同程度的影响。砖石砌体裂缝根据其产生的原因可分为三种[2]:(1)沉降裂缝。它一般是由地基基础沉降和砌体灰缝沉降引起的,基础沉降产生的砌体裂缝有斜面裂缝、垂直裂缝和水平裂缝三种。(2)温度裂缝。砖石砌体不均匀受热,温差较大时亦易引起裂缝,尤其是当结构的温度变形受到约束时,温度应力可导致砌体的开裂。(3)砌体的强度不足及荷载引起的裂缝。它通常包括受竖向荷载而产生的竖向裂缝、受水平拉力而产生的裂缝、受弯时产生的裂缝、受偏心压力时产生的裂缝、水平受剪时产生的水平裂缝、竖向受剪时产生的竖向错开裂缝。
混凝土构件出现的裂缝的形式很多,根据裂缝产生的原因,一般可分为两大类,由自身应力形成的裂缝和荷载作用下产生的裂缝。
由混凝土自身应力形成的裂缝主要包括:(1)收缩裂缝——混凝土凝固时,一些水分与水泥颗粒结合,使体积减小,另一些水分蒸发,也使体积减小,混凝土的干燥过程是由表面逐步扩展到内部,在混凝土内呈现含水梯度。因此产生表面收缩大,内部收缩小的不均匀收缩,致使表面混凝土承受拉力,内部混凝土承受压力。当表面混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。(2)温度裂缝——混凝土受水泥水化放热、阳光照射、大气及周围温度、电弧焊接等因素影响而出现冷热变化时,将发生收缩和膨胀,产生温度应力,温度应力超过混凝土强度时,即产生裂缝。通常,大体积混凝土,灌注之后由于水化放热,内部温度很高,如无妥善散热措施,由于内外温差太大,很易形成温度裂缝。蒸气养护及冬季施工时如措施不当,混凝土骤冷骤热,内外温度不均,也易发生温度裂缝。当构件较长且两端固定时,由于周围温度变化将产生附加的温度应力,该附加应力和原有内力的合力超过混凝土强度时就会产生破坏裂缝。在新旧混凝土接头处、沿接缝面的垂直方向也易产生裂缝,这也是由于水泥水化热引起的温度裂缝。预制构件安装时,预埋铁件焊接措施不当,使铁件附近混凝土产生的裂缝也是一种温度裂缝。
由荷载作用下产生的裂缝包括:(1)弯曲裂缝——对受弯构件和压弯构件,弯曲裂缝首先出现在弯矩最大的截面的混凝土受拉区。梁板结构的正弯矩裂缝一般位于跨中,从底边开始向上发展,负弯矩裂缝位于连续或悬臂梁板的支座附近,自上向下发展。随着荷载的增大,裂缝宽度增大,长度延伸,缝数增多,裂缝区域逐渐向两侧发展。(2)剪切裂缝——首先发生在剪应力最大的部位,对受弯构件和压弯构件,往往发生在支座附近,由下部开始,沿着与轴线成25°~50°的角度裂开。随着荷载的增大,裂缝长度将不断增大并向受压区发展,裂缝缝数不断增多并分岔,裂缝区也逐渐向跨中方向扩大。(3)断开裂缝——受拉构件在荷载作用下产生的裂缝均沿正截面开展,裂缝的间距有一定的规律性。受拉构件在内力较小时,混凝土和钢筋均匀承受拉力,拉应力值较小不超过混凝土抗拉极度限,随着内力增大,钢筋应力达到流动极限,钢筋伸长率较大,裂缝很宽超过设计规范允许宽度的许多倍,这时多为使用所不允许的状态。(4)扭曲裂缝——该裂缝一般45°倾斜方向。钢筋混凝土构件在扭曲作用下,产生的裂缝一般有许多条,裂缝出现后混凝土保护层剥落,扭曲产生的扭矩改由钢筋承担,直至钢筋滑动时构件完全破坏。(5)局部应力引起的裂缝——其主要表现在:墩台支座处受到大局部压力、构件突然受到冲击荷载、构件角隅处、预应力梁端锚固端受到较大局部应力而引起裂缝。
3 桥梁结构裂缝的维修处治对策[3]
桥梁结构出现裂缝之后,应加强检查与观测。根据裂缝的特征,结合设计、施工资料进行分析,查明裂缝性质、原因及其危害程度,确定是否需要修补并为修补方案的制订提供可靠的依据。砖石砌体、混凝土及钢筋混凝土结构物裂缝的修理,主要的目的是恢复结构的整体性、保持结构的强度、刚度、耐久性、抗渗性及外形的美观。笔者结合近几年来国内外的有关桥梁维修加固工作实例,总结出几种对桥梁结构裂缝的维修处治措施。
3.1 表面封闭修补法
包括填缝、表面抹灰、凿槽嵌补、表面喷浆等几种。(1)填缝是砖石砌体裂缝修理中最简便的一种方法。操作时,将缝隙清理干净,根据裂缝宽度不同分别用勾缝刀、抹子、刮刀等工具进行操作,所用灰浆通常采用1:2.5或1:3水泥砂浆,一般不得低于砌筑灰浆的强度。填缝处理后可在美观、耐久性等方面起到一定的作用,而对砌体的整体性、强度等方面所起的作用甚微。(2)表面抹灰是指用水泥浆、水泥砂浆、环氧基液及环氧砂浆等材料涂抹在裂缝部位的砖石砌体或混凝土表面上的一种修补方法。采用水泥砂浆涂抹可先将裂缝附近的混凝土表面凿毛,并尽可能使糙面平整,经洗刷干净后,洒水使之保持湿润,涂抹时注意厚度,太厚容易使砂浆在自重作用下剥落,太薄则易在收缩时开裂,其总厚度一般应为1.0cm~2.0cm。温度高时,涂抹3.0h~4.0h后即需洒水养护,并防止阳光直接照射,冬季应注意保温,切不可受冻。(3)凿槽嵌补是沿混凝土裂缝凿一条深槽,然后在槽内嵌补各种粘结材料。修补时先沿裂缝凿槽,槽形根据裂缝位置和填补材料而定。槽的两边混凝土面必须修理平整,槽内要清洗干净,必要时可在填料前用丙酮擦一遍。用水泥砂浆填补,事先要保持槽内湿润;用沥青或环氧材料填补时,要保持槽内干燥,否则应先采取其他措施,使槽内干燥后再进行填补。(4)表面喷浆修补是在经凿毛处理的裂缝表面,喷射一层密实而且强度高的水泥砂浆保护层来封闭裂缝的一种修补方法。根据裂缝的部位、性质和修理要求与条件,可分别采用无筋素喷浆、挂网喷浆,或挂网喷浆结合凿槽嵌补等修补方法。
3.2 压力灌浆修补法
指施加一定的压力,将某种浆液灌入结构物内部裂缝中去,以达到封闭裂缝,恢复并提高结构强度、耐久性和抗渗性能的一种修补方法。此法一般用于裂缝多且深入结构内部或结构有空隙的修补场合,它包括水泥灌浆、化学灌浆。(1)水泥灌浆的工艺流程包括六个部分:裂缝检查及处理→钻孔及清孔→止浆或堵漏处理→压水试验→灌浆→封孔及质量检查。在每一道工序操作中,都应严格遵守相应的施工规范,否则起不到良好的效果。(2)采用化学材料灌浆,修补结构裂缝,可以大大改善灌浆材料的可灌性能,施工机械简单,操作简便,其应用日趋广泛,用于修补混凝土裂缝的化学灌浆材料,常用的主要有环氧树脂灌浆材料和丙烯酸酯类灌浆材料两种。采用化学材料灌浆时要注意采取防护措施,包括有效通风、密封、皮肤保护、环境保护、防火防爆等。
3.3 表面粘贴修补法
指用胶黏剂把玻璃布或钢板等材料粘贴在裂缝部位的混凝土面上,达到封闭裂缝的目的的一种修补方法。常用的有玻璃布粘贴和钢板粘贴两种方法。
4 结语
桥梁结构裂缝的成因有多种多样,处理的方法也各有不同,上述诸方法都是在日常工作中经过长期探索得到的,经过了实践的检验,是行之有效的。当然,有关桥梁结构裂缝的成因及防治对策是很复杂的,都有待进一步研究。只有搞清楚了裂缝的机理,才能对症下药,找到合理的处治措施,充分利用国家有限的建设资金发挥最大的经济效益。
摘要：对桥梁结构裂缝的形成机理作了深入分析,指出了砖石砌体结构和钢筋混凝土结构裂缝形成的根本原因,提出了相应的防治对策,并对各种防治措施的施工过程作了简明扼要的介绍,为桥梁维修加固工作提供了指导依据。
关键词：结构裂缝,表面封闭修补,压力灌浆修补,表面粘贴修补
参考文献
[1]杨文渊.桥梁维修与加固[M].北京:人民交通出版社,1994.
[2]邵容光.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,1995.
裂缝机理 篇5
摘要：在建筑施工中，需要应用大量的混凝土材料，这种材料对施工质量要求比较高，施工人员需要严格按照工艺流程进行施工，否则极易出现施工裂缝问题。在建筑轻质混凝土砌块结构中，非承重墙出现质量问题比较常见，为了改善这一问题，施工单位需要采取有效的防治措施进行处理，要根据裂缝产生的机理，制定出合理的防治措施，还要考虑影响混凝土砌筑质量的因素，这样才能在今后的施工中有效的规避错误操作行为。
关键词：轻质混凝土；砌块；非承重墙；裂缝；防治
建筑工程在人们的生活中比较常见，随着人们生活质量的提高，对建筑施工的质量提出的更高的要求，在施工的过程中，施工单位一定要加强管理，保证施工人员按照施工流程进行操作，还要降低外界因素对施工质量的的影响，这样才能降低建筑墙体出现裂缝的概率。本文对轻质混凝土砌块非承重墙裂缝产生的机理以及防治措施进行了介绍，希望对施工单位有所帮助，在施工中优化工艺流程，保证建筑的质量，促进建筑行业稳定的发展。
一、轻质混凝土砌块非承重墙裂缝现状
在很多建筑工程中，会采用轻质混凝土砌块结构，这种结构下的非承重墙在抹灰完成后，内墙或者纵墙极易出现裂缝，这些裂缝具有一定特点，一般呈阶梯状，而且墙面顶部的裂缝比底端多。在楼梯间两侧的墙体中，出现裂缝的概率最高，墙面会出现较多横向以及纵向的裂缝，这极大的影响了墙面的美观性。通过分析发现，非承重墙裂缝的宽度最大的有1.5mm。
二、轻质混凝土砌块非承重墙裂缝产生的机理
1、砌块材质问题
在轻质混凝土砌块结构中，非承重墙出现裂缝的原因很多，其中砌块材质引起的裂缝比较常见。施工材料的性能对施工质量的影响比较大，砌块的材质如果不符合施工设计的要求，则混凝土硬化后会出现较多的收缩裂缝，这主要是因为在硬化的过程中失水过多导致的。在选择砌块材料时，一定要将混凝土收缩率控制在0.035-0.05%之间，如果砌块材料的收缩程度过高，会增加混凝土的收缩应力；如果砌块材料的收缩程度不足，砂浆的粘结度较低，则会影响灰缝的施工质量。混凝土砌块养护也是一项重要的工作，如果后期养护工作做得不到位，会增加砌块的裂纹。当砌块出现含水量不足问题，会使墙体出现水平裂缝。
2、混凝土构造问题
轻质混凝土砌块是一种常见的建筑结构类型，如果混凝土构造存在缺陷，构造设计缺乏合理性，也会引起裂缝问题。比如在墙体尺寸设计的过程中，砌块的规格不符合设计要求，砌块之间会存在较大的空隙，墙体如果存在较多的裂缝，会影响墙体结构的稳定性，不利于保证墙体的抗渗性。
3、施工操作不规范问题
在施工的过程中，施工技术水平对施工质量有着直接的影响，有的施工单位，在设计施工流程时，存在较多的漏洞，很多操作步骤的设计也不够合理，这会导致砌块的施工质量不过关。另外，还要保证砌块和混凝土柱的连接处的拉筋数量达到标准。另外，如果墙体的卡槽设置不科学也会直接影响到墙体的整体强度。
4、温度及盈利引起的裂缝现象
如果建筑是平屋面的结构，砌体受到温度变化的影响情况比较明显。一旦温度出现变化，顶层的墙体表面就会出现裂缝的现象。另外，室内和室外的温度明显不同，无盖和墙体的变形很明显协调程度明显不够。不仅如此，平屋面对墙体也会产生强大的作用力。建筑物端部的墙体出现开裂的现象比较常见。另外，屋面板以及梁板之间都会出现严重的裂缝现象。可见，在施工的过程中，如果温度出现了明显的变化，或者是受到的应力相对较大，也会产生明显的裂缝现象，直接影响到工程的质量。
5、不均匀沉降引起的裂纹
一般来讲，建筑物长期缓慢地不均匀沉降会使砌体结构内产生附加应力，有可能造成剪拉斜裂缝或垂直弯曲裂缝。如果房屋中部沉降大、两端沉降小，会使端部墙体产生正“八”字斜裂缝；如果房屋一侧沉降大，墙体将产生主拉应力作用下的斜裂缝。在湿陷性黄土地区，许多建筑物会因地下管道跑水产生较为严蕈的不均匀沉降，跑水的部位不同，可能导致的裂缝也不一样。这种不均匀沉降所带来的破坏性后果比较严重，应予以重视。
三、避免墙体裂纹的措施
1、避免材质干缩裂纹的措施
（1）规范施工现场混凝土砌块的存放管理。施工中砌块的用量及品种较多，应按施工计划分批运至；在运输、装卸过程中，严禁抛掷和倾倒。进场后砌块应按品种、强度等级及规格分别堆放整齐，同时要设置标志；砌块存放必须平整、不聚水；砌块的堆码高度一般≤1.5m，露天存放处应准备栅布，以备下雨天及时遮挡。
（2）砌块龄期达到28d之前，自身收缩速度较快，其后收缩减慢，且强度趋于稳定。为有效控制砌体收缩裂纹和保证砌体强度，砌体施工时所用砌块，龄期不应小于28d。所用砌块的相对含水率应严格控制在40%之内，严禁使用龄期不足28d（蒸养的不足20d）的砌块进行砌筑。砌筑时应清除砌块表面的污物，提前2天浇水湿润。
（3）砌筑砂浆应具有良好的和易性、可塑性及保水性。在施工中使用的石膏粉是一种利用废渣资源的新型石膏产品，具有保水性、和易性好、黏结力强等优点，石膏砂浆对于克服内墙粉刷开裂、开花等质量通病有良好的效果。
2、构造引起裂纹的措施
根据墙体长宽高尺寸，通过计算选用规格适合的砌块，并通过调整灰缝厚度，使砌块完全填满墙体，减小砌体与混凝土框架结构的梁板柱连接部位的缝隙。同时施工时处理好排水、泛水和滴水等构造，避免因渗漏造成的墙体开裂。
3、施工操作引起裂纹的措施
用混凝土砌块砌筑墙体时，墙底部应砌不小于200mm高的普通烧结砖后，再砌混凝土砌块。蒸压加气混凝土砌块和轻骨料混凝土小型空心砌块不应与其他块材混砌。砌块与砼柱连接处及施工留洞后填塞部位设拉结钢筋。
砌块砌筑时，要错缝搭砌，搭接长度不应小于90mm，竖向通缝不应大于2皮。砌块砌至接近梁板底时，应留一定空隙，待墙体砌筑完并至少间隔7d后，再将其补砌挤紧。
4、防止荷载破坏裂纹的措施
（1）必须使用强度等级符合要求的砌块和砌筑砂浆。
（2）砌筑砂浆必须搅拌均匀，一般在4h内用完。
（3）墙体的灰缝做到横平竖直，宽度控制在规定范围内。
（4）灰缝应填满灰浆，水平缝可采用“提刀灰坐浆法”，竖向缝采用“双面碰头灰”砌筑法，灰缝有漏浆时，应及时用灰浆填补。
四、结语
综上所述，轻质混凝土砌块非承重墙产生的裂缝的原因很多，为了保证施工的质量，施工单位必须重视砌块施工这一施工项目，要根据以往经验，采用有效的防治措施避免砌块裂缝或者墙体裂缝的出现。轻质混凝土砌块是一种常见的结构类型，这种结构的施工较难掌握，施工单位一定要做好施工材料的质量审查工作，还要选择适合的技术，根据工程实际情况，要优化施工技术，这样才能降低裂缝出现的概率。
参考文献：
[1] 黄炜，姚谦峰，丁永刚，田洁. 新型复合墙体的有限元建模技术研究[J]. 工业建筑. 2005（11）
[2] 徐铨彪，金伟良，余祖国，严家熹. 混凝土小型空心砌块墙体非线性有限元分析[J]. 浙江大學学报（工学版）. 2005（06）
城市地裂缝形成机理及防治对策 篇6
我国首例地裂出现在50年代末西安市西南郊西北大学内。仅在西安市区已因10条地裂缝报销楼房百余栋[1]。国家科委全国重大自然灾害组合研究组在1993年完成的“全国重大自然灾害调查与减灾对策”, 其成果专著的第五篇首次将地裂缝列为四大地质灾害之一[2]。
1 城市地裂缝的类型及机理
20世纪80年代后, 多因素作用的复合机制认识逐渐深化, 尤其是地下水开采对地裂的影响, 构造作用与地下水开采耦合作用等方面取得了可喜的成果。随着城市建设迅猛发展, 人类工程活动对这种自然地质现象的反效应也日趋加重, 地下水的过量开采和一些地下工程的兴建所引起的地下水位大幅度下降乃至造成地面沉降, 致使地裂缝活动和与其相联系的地面沉降相互叠加, 地裂缝灾害加重。西安地区20世纪70年代初期开始过量抽汲深层承压水, 同期西安市城区和近郊区出现了显著地面沉降, 加快了地裂缝的活动速度。对有关地区地裂缝成因主要有三种观点:
1) 认为是现代构造运动引起的。
2) 提出人类工程活动的破坏特别是过量开采地下水, 改变了水与土之间的平衡和应力状态造成的。
3) 认为既有现代构造活动的原因, 也有超采地下水的原因。
近年来形成一种共识, 确定构造地裂缝的形成和发育有多种因素。按其发生、发展过程中所起作用的组合, 可分为主导、诱发和影响三个因素[2]。
2 地裂缝对城市的危害机制
地裂灾害就是由于地质体中地裂的产生, 而造成了附存在地质体上或地质体中的人类建筑物破坏, 进而对人类产生的灾害。城市地裂灾害的主要表现形式为地裂造成的建筑物开裂、地下管线错位、道路路面破裂和局部塌陷、地下工程破裂和土地使用价值降低等。地裂缝有差异沉降、水平拉张、水平扭动三向变形特征。降量最大, 张量次之, 错量最小。随着社会经济的迅速发展和城市化步骤的加快, 我国地铁建设进入快速发展时期。在2007年, 长安大学对地铁区间隧道通过地裂缝进行了模拟试验。试验当中, 针对地裂缝对隧道的破坏进行了实体模拟。
试验结果显示:差异沉降量最大, 造成破坏。西安地裂缝是现今正在活动的地表断层。地裂缝的长期蠕动具有单向位移积累的特征, 这种蠕动一般不产生动力作用, 可以等效于静力作用下的变形。尽管活动速率较低, 但是长期位移积累仍能使建筑物在有效使用期内破坏。这种缓慢出现的建筑物地基失效是跨地裂缝建筑物损坏的根本原因。地裂缝致灾范围仅限于地裂缝带的影响空间之内, 对远离地裂缝带的外围地段和更深处不具辐射作用, 并且在地裂缝带范围内, 其灾害在横向上沿主裂缝向两侧致灾程度逐渐减弱, 且上盘重于下盘;在垂直方向上, 沿地裂缝直地表向下灾害作用强度递减, 几十米深部只使井管和钻具破裂;沿地裂缝走向其灾害作用强弱很不平衡, 一般其转折段和错裂部位相对严重。
生命线工程通常指为维持和保证生产和生活的能源、水源及通讯、交通干线等工程, 如电力、供气、供暖、供水、排水、通讯、交通网络系统工程等。地下管线的干线或支线管道在承受拉伸变形时, 铸铁管、水泥管或陶瓷管, 无论哪种管子, 其密封性都要受到损坏;当承受剪切变形时, 管道本身、管子接头或连接套管都可能被剪裂。地裂缝张开和差异升降而出现的拉伸和剪切, 可使地下管线拉断和剪裂, 必然要造成自来水、污水和煤气的大量流失。城市排水系统的管道都是水泥管或陶瓷管, 它们的抗剪强度远不如由铸铁管组成的供水管道, 因此地裂缝对排水系统的破坏显得更为严重, 管道破裂、堵塞, 造成污水横流的现象时有发生。地裂缝通过处, 人防地道底面、边墙和拱墙均有不同程度的损坏。地裂缝造成的破坏效应, 主要表现为因水平拉张、垂直差异不均匀沉降和微量水平扭动, 致使地下构筑物破裂。
3 城市地裂缝灾害对策
3.1 避让性原则
地裂缝孕育过程中, 受着自然和人为因素的制约, 灾害种类、成因、性质、特点、环境保护、灾害预测预报及整治, 彼此间存在着直接或间接的联系制其行为, 稳定其现象, 防止其灾害。地裂缝灾害是地质灾害中的一种, 是以内力作用为主, 因此地裂缝灾害是复杂的。对于地裂缝带附近的土地要统一规划, 建立合理的用地计划, 不能随意的自由买卖。陕西省标准DNJ 61-6-2006西安地裂缝场地勘察与工程设计规范规程中认为地裂缝活动对建筑物破坏是难以抵御的, 地裂缝灾害的防治主要以避让为主。规程还规定, 在裂缝经过的场地进行建设时, 要进行详细的地裂缝场地勘察, 确定主、次裂缝的准确位置, 确定合适的避让距离和选择必要的建筑结构。地裂缝灾害作用主要集中于主、次裂缝组成的地裂缝带范围内, 且所有横跨主裂缝的建筑或工程无一免受损害。在剖面上自地表向下地裂缝灾害作用逐渐减弱, 目前所揭露的受损坏深度约10 m。
3.2社会性原则
城市在发展过程中, 其土地商业价值逐年上涨, 对于地裂缝一味采取避让似乎不妥。由于人为因素作为地质营力的组成部分, 在一定条件下, 它对地裂缝灾害的产生具有决定性意义或诱发作用, 有时甚至成为导致灾害发生的直接原因;其次, 地裂缝灾害属于环境内容不可分割的一部分。无论在区域或局部范围, 它们不可避免地与人类社会紧密地联系在一起。再次, 地裂缝在时间和空间上是不连续的, 按一种原则统一执行过于武断。所以, 地裂缝灾害的减缓与防御不可能离开社会孤立地进行。城市地下水开采缺乏科学管理, 过量开采造成补采失调, 引起地面沉降等, 体现出社会性内容。
因此可以采取以下减缓与防治灾害措施[1]:
1) 对于一些线性地下管道工程 (廊道或管道) 跨越地裂缝时, 避让措施不再可行。所以, 通常以工程减灾措施为主。具体工程措施建议如下:a.外廊道隔离、内悬支座 (避免直埋式) 工程措施。b.外廊道隔离、内支座式管道活动软接头连接工程措施。c.地裂缝带受损建筑拆、留措施。2) 建筑避让措施。a.对主裂缝实行避让是保证工程安全的普遍性原则。一般避让宽度上盘6 m, 下盘4 m。b.工程设防措施:对避让带外侧的次级地裂缝和微破裂影响带划定设防宽度。
4结语
地裂缝是一种渐进性地质灾害, 所以对于重大工程在建设初期应做好灾害评估工作, 在使用阶段注意对其周围地裂缝的监控, 对工程结构进行及时维护和调整。为了适应未来大规模地下工程建设, 我们不仅局限于地裂缝地表的观测, 应该沿同一条裂缝的剖面分别埋设观测点, 从而建立对裂缝沿深度方向的变化规律的直观认识, 为城市地下工程穿越地裂缝时提供依据和支持。
摘要：分析了城市地裂缝的类型及机理, 探讨了地裂缝对城市的危害, 提出了防治城市地裂缝灾害的对策, 强调了对地裂缝沿深度方向变化规律认识的重要性, 从而为城市地下工程穿越地裂缝提供依据。
关键词：地裂缝,机理,防治对策,变化规律
参考文献
[1]王景明.地裂缝及其灾害的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社, 2000.
[2]谢广林.地裂缝[M].北京:地震出版社, 1988.
[3]张义.黄土地区城市地裂缝灾害研究及其工程对策[D].西安:西安建筑科技大学, 2006.
沥青路面裂缝形成机理及防治措施 篇7
1 沥青路面的裂缝形式
1)横缝:
是垂直于行车方向的裂缝,主要是由于沥青面层本身的温度收缩引起的裂缝和基层反射裂缝。
2)纵向裂缝:
它产生的原因有三种可能性:a.沥青面层分路幅摊铺时,两幅接槎处未处理好,在行车荷载的作用下逐渐开裂;b.由于路基压实度不均匀或由于路基边缘受水浸蚀产生不均匀沉陷而引起的;c.路基加宽工程新老路基存在施工缝,压实度和强度不均匀而引起整个施工路段裂缝。
3)不规则裂缝:
主要是由于路面整体强度不足引起的,其原因可能是路面结构设计不合理,路基路面压实度不足,路面材料配比不当或未拌和均匀,也可能是由于路面出现横向或纵向裂缝后未及时封填,致使水渗入下层,尤其在融雪期间冻融交加,加剧了路面的破损,还有沥青长期使用老化也会导致沥青面层形成网裂。
2 裂缝的危害
1)雨雪水会沿路面裂缝渗入路面基层土基,降低路基路面的稳定性和强度,造成局部变形,逐渐扩展为网状开裂。2)裂缝部分,特别是裂缝密集的龟裂部分,受水浸入和车辆反复荷载的冲击,更会加速路面出现坑槽。3)碾压中产生的微裂及反射裂缝,初期不影响行车,但在水分浸入及阳光照射下,成为促使面层沥青混凝土疲劳开裂的催化剂,会大大缩短沥青路面寿命。
3 沥青路面裂缝形成机理
3.1 荷载性裂缝
荷载性裂缝主要是由行车荷载作用产生的裂缝,在车轮荷载作用下,路面各结构层底部产生拉应力,若此拉应力大于结构层材料的抗拉强度,则结构层底部就很快开裂,在行车荷载的反复作用下,底部的裂缝会逐渐扩展到上部,并使沥青面层开裂。主要由以下四种情况产生荷载性裂缝:1)路面结构设计不合理或厚度不足,路面强度不能满足行车要求。2)路面强度日趋不足,回弹弯沉值逐渐增大,满足不了交通量迅速增长和汽车载重量明显增大的需要。3)无机结合料稳定细粒土或稳定细粒土含过多的粒料土。4)沥青路面结构中有软夹层。
3.2 非荷载性裂缝
非荷载性裂缝是温度裂缝,低温收缩裂缝等,主要是由于冬季随着气温的下降,沥青材料变硬并开始收缩,由于沥青面层在路面中受到约束,当气温大幅度下降时,沥青面层中产生的收缩拉应力或拉应变一旦超过沥青混合料的抗拉强度或极限拉应变,沥青面层就会开裂。温度疲劳裂缝,主要是由于在太阳照射强烈,日温差大的地区,沥青面层白天与夜间温度之差很大,在沥青面层中会产生较大的温度应力,这种温度应力日复一日地反复作用在沥青面层中,使沥青面层产生疲劳开裂。在沥青路面上,还存在一种由于路基不均匀沉陷引起的非荷载性纵、横向裂缝。冰冻地区还会出现由路基冻胀引起的裂缝。
4 防治措施
4.1 沥青路面合理设计
合理的路面结构设计是保持沥青路面良好使用性能的基础,也是避免沥青路面早期裂缝的保证,要特别注意:1)采用半刚性基层与底基层,半刚性基层具有高强度和较高的模量,可避免沥青路面荷载性裂缝的产生,为了使半刚性基层保持良好的工作状态,还应注意下承层对基层的作用,因为下承层的模量对减少基层底面的拉应力和拉应变有很大影响。2)合理确定路面厚度作为柔性路面,根据其道路等级,交通量,自然地基地质情况,道路基层情况和施工季节综合因素计算其设计厚度。3)重视沥青混合料的级配设计,采用密级配沥青混合料在路面结构层中设置各种类型的应力吸收层和设置某种土工织物,以消除应力集中。4)使用粘层油,粘层油是指在封层之间或具有裂缝的路面层之间的涂刷层,它能有效地去除反射裂缝,如路面做在半刚性基层和旧水泥混凝土路面上时必须使用。5)设置专门的一层隔水层,减少路面水下渗,使路面水沿路面纵坡、横坡排走。
4.2 沥青路面合理施工
1)基层施工。基层、底基层、路面表面清扫要干净,在铺筑上一结构层前,若路面结构层及路基表面的浮土、浮砂清除不干净,在雨水作用下,浮层细料变软被行车挤压造成泥浆,进而波及沥青面层表面。对石灰(水泥或二灰)无机稳定粒料土,石灰剂量要充足, 用水量不宜过大或过小,拌和均匀,碾压密实,如果压实度不足,厚度不够,造成基层路面稳定性差,强度低,就会产生沥青路面早期破坏。对水泥稳定类材料,压实延迟时间越长,压实度就越低,强度损失就越大,过长的延迟压实和过度的碾压,都对半刚性基层产生破坏作用。因此,在施工时,应严格控制碾压时间和碾压遍数。基层找平得当,半刚性基层在整型找平过程中用平地机反复刮补,将高处的混合料刮到低洼处找平,这样从表面看,基层表面是平整了,勉强压住了,但实际上是一层薄层与原先较光滑的结构层不能有效地结合起来,从而形成薄夹层。在车辆荷载作用下,薄夹层逐渐被推动压碎松散,进而导致沥青面层产生局部网状裂缝。
2)面层施工。严把沥青混凝土进场摊铺的质量关,凡发现沥青混凝土级配不佳,集料过细,油石比过低,炒制过火,油大时,必须退货并通知生产厂家。严格控制摊铺和碾压,终压的沥青混凝土温度,施工组织必须紧密,大风和降雨时停止摊铺和碾压。双层式沥青混合料面层的上下两层铺筑,宜在当天完成。如间隔时间较长,下层受到污染,铺筑上层前应对下层进行清扫,并应浇撒适量粘层沥青。沥青混合料的松铺系数宜通过试铺碾压确定,应掌握好沥青混合料的厚度。宜采用全路宽多机全幅摊铺,以减少纵向分幅接槎。
3)按GB 50092-96沥青路面施工及验收规范做好纵横向接缝。纵缝要尽量采用直槎热接的方法,摊铺段不宜太长,一般在60 m～100 m之间,于当日衔接,第一幅与第二幅搭接2.5 cm～5 cm,然后再推回碾压。不是当日衔接的纵横缝上冷接槎时,要刨直槎,涂刷粘层边油后再摊铺,或用喷灯烘烤冷槎后立即用热沥青混合料接槎压实。
5结语
沥青路面各种形式的裂缝可能不可避免,但它们并不一定会影响路面结构的强度、路面的平整性和行车的舒适性。只要采取正确的应对措施,即使路面出现裂缝也不会对路面功能的正常发挥产生明显影响。主要处理办法:及时封闭面层裂缝。沥青路面封层时应采用喷油层铺法或混合料拌铺法以全面封闭表面破损,设置路面结构排水层。
综上所述,合理的设计、选材,精心的施工、养护和及时的维修是提高沥青路面使用性能,减少沥青路面裂缝产生的唯一途径。
参考文献
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[2]沈金安,李福普,陈景.高速公路沥青路面早期损坏分析与防止对策[M].北京:人民交通出版社,2004.
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[5]袁卫军.沥青路面出现裂缝的原因及预防措施[J].公路与汽运,2002(5):74-75.
裂缝机理 篇8
1 试验原理
当射孔方位与最大水平主应力方向一致时，水力裂缝将优先沿着射孔孔眼方位扩展，为此，现场多利用深穿透定向射孔技术来减少近井筒附近由于应力集中导致的多裂缝问题[10,11,12,13,14,15];但当两者方向不一致时，水力裂缝一般会首先沿着射孔方向延伸一段距离，之后再转向最大主应力方向[16,17,18,19]。基于上述理论，提出先通过高压水射流技术改变原始井周应力场，之后再通过水力压裂进行储层改造的压裂设计理论。目前对定向射孔压裂裂缝延伸机理的研究大多建立在数值模拟的基础上，但由于对其内在机理认识不足，在分析裂缝扩展规律时往往采用理想化的假设条件，因此本文首先通过理论分析对此问题进行可行性论证，之后结合室内试验对定向射孔压裂中的裂缝扩展行为进行直观观测研究[20,21,22,23,24]。
1.1 定向射孔破裂压力理论解
假设岩体是均匀各向同性线弹性多孔介质，并假设井壁围岩处于平面应变状态，将水平射孔孔眼看作一段圆柱体，在边上受周向应力σθ，在上下受压应力σz，轴向受单轴压缩应力σr，并作拉应力为正，压应力为负的假设，建立的力学模型和定义坐标系如图1、图2所示。
对于水平射孔孔眼，认为其轴向两端有刚性约束，其轴向位移受到限制，各点都只能在s-φ平面内移动而不能沿zz方向移动，即为平面应变问题。在此基础上，推导得到孔壁应力分布模型:
式(1)中，σr为井眼围岩径向应力，MPa;σθ为井眼围岩周向应力，MPa;σz为井眼围岩轴向应力，MPa;σs为孔眼围岩径向应力，MPa;σφ为井眼围岩周向应力，MPa;σzz为井眼围岩径向应力，MPa;τsφ，τsz，τzφ为孔眼围岩剪应力，MPa;PPf为孔眼内流体压力，MPa;rhs为孔眼半径，m;s为距孔眼中心的径向距离，m;θ为自最大水平主应力σH方向逆时针测量的方位角;φ为自σθ方向逆时针测量的方位角。
令s=rhs，可得水平井孔壁处应力分布:
结合井周围岩应力分布[23]，可得射孔孔壁上任一位置的周向应力表达式为:
式(3)中，a为井眼半径，m;r为距井眼中心的距离，m;Pwb为井眼内流体压力，MPa;σH为最大水平主应力，MPa;σh为最小水平主应力，MPa;σV为上覆岩层压力，MPa。
在孔眼跟部，即r=a，有:
由弹性力学理论，射孔孔壁最大拉应力σmax为:
综合岩石拉伸破坏准则，引入有效应力，满足式(6)时，裂缝开裂:
式(6)中，α为Biot系数，无量纲;Pp为孔隙压力，MPa;T为岩石的抗拉强度，MPa。
1.2 定向射孔压裂诱导复杂裂缝可行性研究
为了验证该压裂理论可行性，以西南某低渗透气田为例，分析了定向射孔孔壁应力分布，并计算了相关的破裂压力。该区块的垂向主应力为-42MPa，最大水平主应力为-35.95 MPa，最小水平主应力为-29.02 MPa，泊松比为0.2，井眼半径为0.1m，径向射流水平孔眼直径为0.06 m。分别考虑井眼内压分别为20 MPa和30 MPa时，射孔孔眼跟部孔壁上的应力分布如图3，图4所示。
由图3和图4可以看出，当射孔方位角固定时，孔眼壁面上应力极值出现在具有高度的对称性;随着井眼内压由20 MPa增大到30 MPa，孔眼壁面局部区域周向应力分量由压应力变为拉应力，并且在孔眼顶面和底面位置处拉应力最大，即在孔眼的顶面和底面最易产生拉伸破坏，因此在计算破裂压力时只需取
假设岩石本身抗拉强度为2 MPa，原始孔隙压力为18.0 MPa,Biot系数为0.65，孔眼深度1.0 m，不同射孔方位角条件下孔眼跟部的破裂压力如图5所示。
由图5可以看出，与裸眼完井相比定向射孔显著降低地层破裂压力，同等条件下裸眼井破裂压力为41.41 MPa，当沿水平最大主应力方向定向射孔地层破裂压力仅为31.27 MPa，降幅达24.48%;此外随着射孔方位角的增大，地层破裂压力逐渐升高，但其增幅呈现出明显的阶梯状，同时存在一个最佳射孔方位角，在此位置射孔可以在井壁上形成多个“破裂源”，进而诱导地层产生复杂裂缝。
2 试验设备及试样制备
2.1 试验设备
试验本研究所采用的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟系统主要由三轴高压缸(图6)、液压动力泵组、伺服控制系统、主控计算机、信号采集系统5部分组成。实验系统中水平地应力加载方式为加压板柔性加压，加压板放置在岩样与加载框架之间，通过向加压板中注液，压力增大致加压板膨胀，然后将压力传递至岩样表面，达到模拟水平地应力的目的。加压板柔性加压与传统的扁千斤顶刚性加载相比，具有应力加载均匀的优点，但由于加压板材料的膨胀不可回缩特性，重复使用次数有限。
2.2 试样制备
受天然岩样加工条件的限制，本研究采用混凝土试样进行实验，其尺寸为100 mm×100 mm×100mm。试样采用普通32.5R水泥和120目石英砂以体积比1∶1混合而成。在试样制作的同时，将外径10 mm、内径8 mm、长60 mm的钢管预置在试件中，以模拟井筒，其上有直径为2.5 mm的小孔模拟射孔孔眼，其长度为20 mm(图7)。以质量分数0.45%的瓜胶作为压裂液(添加了蓝色示踪剂)，其表观黏度为52.4 MPa·s。实验排量为4.1×10-9m[3]/s，试样基本参数见表1。
2.3 实验参数及条件设置
水力压裂物理模拟实验要求模拟地层条件，其中最主要因素之一便是地应力大小和分布。依据相似准则确定各实验参数，取σV=24 MPa，射孔相位角为180°，采用平面简单布孔方式布孔，设3排孔(共6个)。详细的模拟实验方案见表2。
3 试验结果及影响因素分析
3.1 射孔方位角的影响
为研究射孔方位角对破裂压力和裂缝形态的影响，本次共进行了5块岩样的模拟压裂实验，实验结果见表3，实验后试样裂缝形态如图8所示。
#1号试样由于射孔孔眼方向与σH方向一致，裂缝沿0°，180°相位孔眼起裂后，一直沿孔眼方向延伸，产生了1条平整、规则的对称双翼裂缝，裂缝形态与裸眼井压裂类似。
#2号、#3号试样首先在射孔炮眼处起裂，裂缝延伸一段距离后转向最大地应力方向，形成1条双翼转向裂缝。由于射孔方位角增大，#3号试样破裂压力及转向距离较#2号试样明显增大。
#4号试样裂缝形态较为特殊，不仅在井眼两侧形成沿定向射孔尖端起裂形成的一条双翼弯曲裂缝，同时，又沿σH方向形成了一条对称双翼裂缝。
#5号试样自射孔孔眼跟部与井壁的交汇位置起裂、穿过微环面后形成一条沿σH方向扩展的对称双翼裂缝，但裂缝面较为粗糙。
由表3可以看出，随着射孔方位角的增加，地层破裂压力及裂缝转向距离不断增大。根据最小能量原理，裂缝总是沿着阻力最小的平面破裂和传播。平行于最大水平地应力方向的孔眼壁面的破裂阻力最小，所需的破裂压力最低;当射孔方位角不等于0°或180°，即偏离最佳射孔方向时，偏离得越远，地层破裂阻力越大，所需的能量越大，破裂压力也越大。
综合上述实验结果，可以将定向射孔水力压裂中可能出现的裂缝扩展形态归结为4大类，如图9所示。当定向射孔沿着最大水平地应力方向时，人工水力裂缝一般沿着定向射孔方向起裂，产生一条规则的双翼平直裂缝[图9(a)];当定向射孔与最大水平地应力呈一定角度时，裂缝首先沿射孔方向扩展并迅速转至最大水平地应力方向，产生一条双翼转向裂缝[图9(b)];同时存在一临界射孔角度，在此位置，定向射孔处和最大水平地应力方向处的第一主应力大小相等，裂缝可以同时在这两个位置起裂[图9(c)];当定向射孔方位角进一步增大时，人工裂缝将不再沿着定向射孔起裂，而是沿最大水平地应力方向起裂，产生一条穿过微环面的双翼平直裂缝[图9(d)]。对于实际需要改造的储层，由于受岩石非均质性及固井质量的影响，实际形成的裂缝形态可能会更加复杂。
3.2 射孔深度的影响
为了研究射孔深度对破裂压力的影响，除#1试样外，又进行了3块岩样的模拟压裂实验，实验结果见表4。
由表4可以看出，地层破裂压力随着射孔深度的增加而降低，但是当钻孔深度增至一定值后，钻孔深度的增加引起的地层破裂压力的降幅逐渐减小。这是因为钻孔深度增加，在注入同样压裂液体积的条件下，液体压力在井壁上的有效作用面积增大，用于破裂地层的能量增大，使得井壁的周向应力增加，地层的破裂压力降低。
3.3 水平应力差的影响
为研究水平应力差对破裂压力和裂缝形态的影响，选取射孔方位角为45°，进行了3组模拟实验，结果见表5。
由表5可以看出，随着水平应力差的减小，破裂压力显著升高，裂缝转向距离也随之增大。可见在低水平应力差储层进行定向射孔压裂，能显著提高水力裂缝波及面积，改善渗流通道，提高增产效果。
4 结论与认识
(1)通过室内物理模拟实验对定向射孔压裂裂缝的起裂及延伸机理进行了系统研究，实验结果表明:通过定向射孔压裂可以人工控制形成“多破裂源”，激发诱导地层产生“S”型、“X”型等更为复杂裂缝形态。
(2)定向射孔方位角对破裂压力、起裂位置以及转向距离均有显著的影响。随着定向射孔方位角的增大，破裂压力与转向距离均增大;存在一个有效射孔角范围，超过此范围，裂缝将从微环隙起裂或者转向不明显，所以建议最佳射孔角范围在45°～60°之间。
(3)射孔深度和水平应力差也是影响定向射孔破裂压力及裂缝形态的核心参数。地层破裂压力与射孔深度成反比。随着射孔深度增加，地层破裂压力也不断降低，但地层破裂压力的降幅随着射孔深度的增加而降低;对于水平应力差而言，其值越小，地层破裂压力越高，裂缝转向距离越大。
(4)本实验结果主要针对于各向同性较强的水泥试样，未来应用到复杂的裂缝性页岩储层来说将更有意义，借助两条主裂缝的同步延伸会大大增加与储层中天然裂缝接触的机会和复杂缝网形成的概率，从而达到三维立体储层改造体积的目的，为致密油气的压裂改造提供了更广阔的设计思路。
摘要：基于线弹性岩石力学和定向射孔增产理论,提出了利用定向射孔诱导地层形成复杂体积裂缝的增产设计思路。通过大型真三轴水力压裂物理模拟实验对其压裂机理进行了研究,分析了射孔方位、水平地应力差、射孔深度等对破裂压力以及裂缝扩展形态的影响。结果表明:定向射孔方位角和水平地应力差对破裂压力的影响最为明显;并且控制着裂缝转向半径。随着射孔方位角的增大,破裂压力逐渐升高;随着射孔深度的增加,破裂压力逐渐降低;同时存在一个最佳射孔方位角范围,在此范围内可以诱导地层产生“S”型、“X”型等复杂裂缝形态。研究成果可为定向射孔压裂施工参数优选提供理论支撑。
裂缝机理 篇9
住宅楼现浇混凝土楼板裂缝问题与渗漏问题是目前居民住宅质量投诉的重点, 而从剪力墙结构与砖混多层结构投诉情况来看, 砖混结构裂缝发生率更高, 大部分裂缝表现为表面龟裂, 也有贯穿裂缝, 既有纵向、横向, 也有斜向以及无规则裂缝。一般对实际使用无多大危害, 但仍应进行有效控制, 特别是避免有害裂缝的发生。
1 楼板裂缝特点
裂缝最多的是房屋西南向阳角处, 或外侧发生45度左右的楼地面斜角裂缝。有些呈断裂贯穿状, 即从板面和板底均可见, 不仅影响外观, 还可引起渗漏、钢筋腐蚀和混凝土碳化等, 影响建筑物的耐久性, 并给用户带来严重的不安全感, 此类通病在现浇搂板的任何一种类型的建筑中都普遍存在。
2 混凝土裂缝产生机理
混凝土作为一种复合建筑材料, 由于其组成材料的多样化以及各组成材料间物理化学作用的多变化, 致使混凝土的物理力学性能与很多因素有关, 混凝土抗压性能良好而抗拉性能很差, 抗拉强度只有抗压强度的1/8-1/20, 并且不与抗压强度成比例地增加, 其极限拉伸变形很小, 因而极易产生裂缝。通过近代仪器己经发现混凝土在受荷载以前, 在硬化后的混凝土内部, 尤其是在胶结料与骨料的界面上总是存在着大量的微观裂缝, 其分布有随机性, 而这些裂缝在外界荷载作用下或环境变化时会发展而形成可见宏观裂缝, 目前规范或规程按计算控制的主要是宏观裂缝。对于荷载引起的裂缝, 当构件中的主拉应力大于混凝土的抗拉强度或主拉应变大于混凝土的极限拉伸应变时混凝土就会产生裂缝, 如受弯构件受拉区的弯曲裂缝、弯剪裂缝等。温度引起的裂缝一种情况是大体积混凝土因水泥水化热导致内外温差过大所引起的温度应力超过混凝土早期抗拉强度时引起的裂缝, 另一类是混凝土因环境温度变化而产生膨胀或收缩变形, 其中收缩变形又受到外界的约束或内部钢筋的阻碍而产生裂缝。
其它还包括混凝土硬化前产生的表面裂缝、混凝土收缩变形时受到约束产生的裂缝、材料不良引起的裂缝等。对于目前住宅现浇楼板存在的裂缝问题同样没有形成比较一致的处理意见, 而更多的是从设计上采取一定构造措施、施工中加强混凝土配合比控制和养护等几方面提出相关建议, 从实际效果来看确实收到了一定成效, 但楼板裂缝的形成原因确实有其特殊性和复杂性, 无法以一般大体积混凝土裂缝控制、非荷载原因来解释分析, 对于砖混结构、剪力墙结构等也有其截然不同的分布规律和形态特征。
3 变形作用引起的楼板裂缝分析
3.1 温度应力引起的裂缝分析根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段:
(1) 早期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束, 一般约30天。这个阶段的两个特征, 一是水泥放出大量的水化热, 二是混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化, 这一时期在混凝土内形成残余应力。 (2) 中期:自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止, 这个时期中, 温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起, 这些应力与早期形成的残余应力相叠加, 在此期间混凝上的弹性模量变化不大。 (3) 晚期:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起, 这些应力与前两种的残余应力相迭加。根据温度应力引起的原因可分为两类:a自生应力:边界上没有任何约束或完全静止的结构, 如果内部温度是非线性分布的, 由于结构本身互相约束而出现的温度应力。b约束应力:结构的全部或部分边界受到外界的约束, 不能自由变形而引起的应力。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下, 需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松驰, 计算温度应力时, 必须考虑徐变的影响, 具体计算这里就不再细述。
3.2 混凝土收缩引起的裂缝收缩裂缝顾名思义其产生原因就是混凝土硬化后水份蒸发体积收缩。
从理论上讲当混凝土在无任何约束而处于自由收缩时, 不会产生裂缝的, 而实际工程中, 混凝土总是受到各种约束的, 如两端的约束、内部配制钢筋的约束等。由于混凝土收缩过程中受到约束, 因而内部产生拉应力, 当拉应力大于混凝土的抗拉强度时, 就会产生收缩裂缝。一般来讲, 混凝土受到的约束越大, 其产生的收缩裂缝越多或越宽。由于混凝土体积收缩是因为水份蒸发、干燥导致的, 因而收缩裂缝也通常称为干缩裂缝。
一般情况下, 几个月以后, 混凝土体内多余水份蒸发已基本完成, 混凝土内湿度与环境湿度基本趋于一致, 因而收缩裂缝的宽度发展也趋于停止, 处于相对稳定状况。当然, 之后还将随着环境湿度和温度的变化而略有变化, 当环境湿度变大时, 混凝土将吸取空气中的水份, 而收缩裂缝变窄些, 反之当环境湿度变小时, 混凝土收缩裂缝将变宽些。另外, 还随着环境温度变化, 混凝土也将产生热胀冷缩现象, 因而收缩裂缝也会随着环境温度的升高而变窄些, 反之, 随着环境温度的降低而变宽些。
4 楼板裂缝的常规修复
4.1 混凝土裂缝的修复时机无论混凝土是何种因素引起开
裂, 包括内应力和外应力, 从技术角度考虑其修复时机都应选择在裂缝基本稳定后才实施。如收缩裂缝的修复应等其收缩基本完成后再实施。
4.2 混凝土裂缝的修复方法
4.2.1 宽度≤0.
3m m, 混凝土裂缝的修复 (1) 修复性质:封闭性修复; (2) 修复目的:恢复使用功能和耐久性; (3) 修复方法:a表面封闭法:沿裂缝表面涂刷聚合物或环氧类封闭材料。b浅层封闭法:沿裂缝将混凝土凿成三角槽, 三角槽内混凝土界面处理, 在槽内嵌入修复材料。修复材料可视裂缝变形情况分别采取无机刚性修复材料和聚合物微变形或有机柔性修复材料。c化学 (环氧类) 灌浆法:采用的灌浆修复材料为低粘度亲水性环氧树脂, 此方法最大的优点是修复材料能在空气压力作用下灌入混凝土裂缝深处, 并填充于混凝土裂缝中, 从而从根本上达到封闭裂缝的修复目的。
因此, 采用这些材料对混凝土裂缝灌浆后, 不仅能有效地对裂缝进行封闭, 同时, 也兼有补强加固的作用。另外, 在配制化学灌浆材料的过程中使其增加一定的柔韧性, 这对提高混凝土裂缝修复质量从而提高工程的整体质量是相当有益的。
4.2.2 宽度>0.
3m m, 混凝土裂缝的修复a修复性质:封闭与加固性修复。b修复目的:恢复混凝土结构的承载力、使用性能、耐久性能。c修复方法:粘钢板加固-防腐、防火处理。
化学 (环氧类) 灌浆封闭裂缝-粘贴碳纤维布加固或粘贴碳纤维板加固-防火处理。
裂缝机理 篇10
关键词：石拱桥,裂缝,病害机理,外观检查
石拱桥具有造型优美、因地制宜、经济适用等优点。在上世纪80年代左右,我国为支持地方经济的发展,在县道、乡道上修建了大量的石拱桥。经过近三十年的运营,不少石拱桥出现了病害,部分桥梁甚至成为了危桥,严重影响交通安全。而对这部分桥梁进行拆除重建是当地经济状况所不能承受的。因此,对该部分桥梁进行长期健康监控,并对已有病害桥梁进行加固改造很有必要。本文基于石拱桥在外观检查中所表现出来的常见裂缝病害,借助有限元模型计算分析病害的产生机理,总结外观检查结果同结构病害的关系,最后归纳了石拱桥的外观检查要点,为今后的检测设计工作提供参考。
1 石拱桥主要裂缝病害表现及机理分析
通过对大量的石拱桥进行外观检查,石拱桥的严重病害均出现在主拱圈上。作为主要承力结构的主拱圈一旦出现损坏,不但维修加固困难,而且影响石拱桥的承载能力和使用寿命。主拱圈的病害可分为裂缝、渗水、变形等,较严重的病害均以不同形式的裂缝为主,外观检查记录结果主要可分为以下两点:
(1)主拱圈横向裂缝。该病害主要出现在拱顶和拱脚位置,严重的可贯穿整个横断面。
(2)主拱圈纵向裂缝。该病害较为常见,一般在桥梁中轴线处从拱座发展到1/4跨位置处,或出现在拱顶处纵向发展;部分出现在横桥向1/4位置处。较严重的则贯穿整个主拱圈,将主拱圈拱桥分割为左、右两个部分。
引起裂缝的原因不同,则拱桥的加固和改造的方法不同。本文主要分析主拱圈的裂缝病害,介绍其特点和产生机理。以下分别分析部分常见病害机理所造成的裂缝特点。
(1)车辆超重
在自重作用和较小的荷载作用下,主拱圈的内力以轴力为主。近年来越来越多的载重汽车出现在乡道和省道上行驶,导致结构超负荷工作。当过大的荷载施加于跨中位置处时,跨中拱圈位置和拱脚位置将不可避免地出现较大弯矩,该作用是造成主拱圈拱顶和拱脚横向开裂的原因之一。图1为一石拱桥模型,主拱圈厚0.6m、跨径12m、矢高10m的抛物线拱桥模型。当跨中受集中力作用时,可明显看出正弯矩分布区域为拱顶和拱脚处,由于拱脚轴向力较大,因此该荷载作用下,主拱圈拱顶易出现横向裂缝。
(2)拱脚水平位移
当一侧拱脚出现水平方向的均匀横向位移时,主拱圈弯矩分布如图2所示。该情况下若石料强度不足,主拱圈同样会在拱顶或拱脚出现明显的横向裂缝。一般情况下,路堤向河道方向的滑移会造成拱脚截面的拱背出现明显裂缝;而路堤的抗推能力不足会造成拱顶截面的拱腹出现裂缝。因此,在准确判断出路堤状态的情况下,可初步判断出该病害的机理。
(3)基础均匀沉降
一侧拱脚出现均匀竖向沉降时,主拱圈将会在沉降一侧的半拱内产生正弯矩。该情况会造成横向裂缝出现在1/4跨位置。如图3所示。该类型病害一般为单侧拱脚竖向位移引起,对于中等跨径的桥梁外观检查中可辅以拱脚标高测量,对于小跨径拱桥需检查基础是否被流水掏空,即可分析出L/4处横向裂缝的产生原因。
(4)局部温度应力
当主拱圈所受作用关于中轴线不对称时,为准确把握主拱圈的受力状态,应采用空间分析计算方法。对于一面靠山、一面临水的沿河流走向的石拱桥,由于靠山一侧温度较低,而沿河一侧由于受到日晒的影响而温度较高,主拱圈将产生较大的温度应力。现采用梁格法建立拱桥模型,对拱顶一侧施加一温度荷载。图4为主拱圈结构的内力分布,可明显发现拱顶横向联系出现较大的剪力,该剪力可能导致主拱圈出现纵向开裂。因此,对于长期存在局部日照的拱桥,主拱圈或在日照区域边缘产生纵向裂缝。
(5)基础非均匀沉降
当一侧拱脚基础出现非均匀沉降时,中部的横系梁将会出现较大剪力,如图5所示。该剪力可导致裂缝从拱脚处向拱顶开展,以至于出现贯穿半跨的纵向裂缝。对于中小跨径拱桥,单侧基础非均匀沉降主要由流水冲刷引起。
2 石拱桥检查要点
将50座中小跨径石拱桥的裂缝病害现象及其机理汇总于表1,其中数据为病害现象和病害机理相符合的桥梁数量。其统计结果基本符合上述病害机理分析。此外,大多数病害桥梁均出现超载现象,因此对桥梁活载的控制对于保证桥梁使用寿命有积极意义。
通过以上分析可看出,引起主拱圈裂缝病害的原因较多,同一位置处裂缝的病害机理也是不同的。因此,正确把握引起裂缝的真正原因不仅能够提高外观检查效率,也能够在后期较好地对桥梁进行加固改造,保证其使用性能。对于石拱桥的外观检查,笔者总结了如下经验,供设计检测人员参考:
(1)拱顶出现横向裂缝,须查看地区周围有无大型生产基地,是否长期有重型车辆通过;其次检查路堤或河堤是否有滑移现象,拱脚处是否有横向变位。
(2)主拱圈1/4位置或其他位置出现横向裂缝,须查看拱脚基础是否有沉降,是否被流水掏空。
(3)主拱圈出现中轴线附近的纵向裂缝,须查看拱脚基础是否有非均匀沉降、部分基底有无被流水掏空;桥梁结构是否长期处于非均匀日照的位置。
石拱桥的病害机理多种多样,以上仅为常见的病害及其原因,对于复杂的环境和病害特性仍需要具体研究。
3 结语
主拱圈的病害主要以横向裂缝和纵向裂缝为主,产生裂缝的具体原因不同,后期需要进行的加固改造设计不同。因此,需要在对石拱桥进行外观检查的同时,准确把握产生病害的原因。本文通过对石拱桥的病害机理分析,总结了产生主要裂缝病害的具体原因;通过对大量石拱桥的实际检查和模型分析,得出了相应结论,为更有效地开展检测和加固工作提供了一定理论依据和经验总结。
参考文献
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[3]冯冲.大跨径石拱桥拱上立柱病害分析及加固方案研究[J].公路建设与汽运,2010(5):153-155.