某铁路涵洞病害分析及整治

文章简要介绍山西南部某涵洞的病害情况，从实验室检验成果、施工单位沉降评估报告、有限元建模分析三个方面对该病害原因进行排查，总结出：各种因素导致涵洞底板出现水平环向裂缝，削弱了底板的有效截面厚度，进而导致涵洞底板轴向开裂。通过植筋，在底板上浇筑一层钢筋混凝土，增大截面对该涵洞进行病害整治，为今后类似铁路涵洞病害治理提供借鉴。

铁路涵洞; 病害; 裂缝; 植筋; 整治

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[定稿日期]2021-07-02

[作者简介]贾继祥（1994～），男，硕士，助理工程师，研究方向为桥梁结构行为。

1 工程概况：

山西南部某1～3.0 m钢筋混凝土盖板箱涵，涵洞高度3.5 m，涵长40.39 m，涵顶填土高8.6 m，线路法线与涵洞轴线之夹角θ=8°。涵洞采用高边墙，基础为刚性联合基础，采用正出入口型式，底板及墙身每节长度为3 m，底板为1.5 m厚C30混凝土，涵洞位于膨胀土地段，基底换填三七灰土封底，换填深度为0.5 m，换填底置于σ=150 kPa的老黄土层上。盖板为C35钢筋混凝土普通盖板，帽石、中间节墙身、基础为C30混凝土。在巡检过程中发现第5～8节涵洞底板中轴线存在竖向贯通裂缝（图1、图2）。

2 涵洞裂缝检测、土工试验以及沉降检测

某检测科技有限公司对涵洞混凝土结构以及涵下地基取芯检测，检测结论：

（1）自涵洞上游起5～8节底板中轴线存在竖向贯通裂缝，缝宽0.5～1 cm;除此之外，在底板厚度0.49～1.1 m范围内分布有水平环向裂缝;在观测期间裂缝宽度均收敛，未见变化。

（2）涵洞底板混凝土强度以及涵下地基土的承载力基本满足设计要求。

施工单位对该涵洞高程、裂缝宽度进行了观测，在涵洞自上游起第5～8号底板进行高程监控，每块底板在大里程、裂缝前后、小里程端各布置4个沉降观测桩，观测频率1次/2～3 d，共观测了8期，对其观测结果进行整理，其最大沉降为0.66 mm，出现在第6号底板处，从观测数据来看，涵洞沉降趋于平稳，各测点观测期间最大沉降如图3所示。

3 有限元模型

为了更好地分析裂缝形成的原因，使用有限元软件midas/FEA建立第6号涵节的有限元模型，分析该涵洞应力分布（图4、图5）。

盖板与边墙使用铰接的连接方式，边墙与基础为刚性连接，基础与土的相互作用使用土彈簧模拟，地基比例系数m取12 000 kPa/m2;荷载组合为涵洞的自重、上部填土荷载引起的土压力以及列车引起的zk活载土压力的最不利组合，上部土重度取γ=18 kN/m3[3]。

材料参数如下：

竖向土压力：p=γ·h。

水平土压力：e=ξ·γ·h，其中ξ为水平土压力系数，取0.35。

活载引起的竖向土压力：qh=q2.6+h，其中q为特种活载分布集度，该涵洞所受活载为ZK标准活载，q取156 kN/m。

活载引起的水平土压力：e=ξ·qh[2]。

对该模型进行网格划分并分析，计算结果显示底板中部受拉，最大拉应力为0.327 MPa，小于TB 10092-2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》[1]所规定的C30混凝土容许拉应力。因此，该结构设计合理，底板开裂并不是由于设计所导致（图6、图7）。

4 涵洞开裂原因分析

通过以上实验室检验成果、施工单位沉降评估报告、有限元建模分析的结论，可以总结出：各种因素所致涵洞底板中存在的水平裂缝削弱了底板的有效截面厚度，进而导致涵洞底板轴向开裂。

通过与施工单位对接，发现该涵洞施工工期过长，且施工质量差，在涵洞基础分层浇筑时，间隔时间过长，接缝混凝土表面未应凿毛洗净，接触面未严格按施工接缝处理，对接缝处没有充分振捣。

5 涵洞病害整治

针对前述的检验、观测资料以及原因分析，本次加固方案采用“增大截面法”进行病害处理[4]。对自涵洞入口起的2至第9节底板进行凿毛处理， 其中5～8节在边墙植钢筋，浇筑50 cm厚钢筋混凝土，为了对流水面进行顺接，在2～4节、9节涵洞底板浇筑C40纤维混凝土。

（1）利用改性环氧树脂类修补胶液对裂缝进行封闭，采用裂缝表面粘贴注胶嘴注胶和裂缝两侧钻注胶孔注胶两种方式相结合的方式进行[6]。

（2）按照施工规范的技术要求，对自涵洞入口起的2至第9节底板进行凿毛处理。

（3）在涵洞5～8号涵节边墙上打孔、植钢筋。

（4）绑扎钢筋骨架，浇筑C40纤维混凝土。

6 植筋施工工艺[7～9]

（1）准备：检查被植筋混凝土表面是否完好，核对并标记植筋部位。

（2）植筋前需按相关规范要求作拉拔试验：16 mm钢筋锚固力不小于51 kN，22 mm钢筋锚固力不小于96 kN[5]。

（3）钻孔：16 mm钢筋（图8中N1）钻孔直径为20 mm，22 mm钢筋（图8中为N2）钻孔直径为26 mm，钻孔深度需满足所选用产品的性能要求。

（4）清孔：钻孔完毕后应用吹气筒或其它空压设备将孔内灰屑吹出，用金属毛刷刷三遍、吹三遍，确保孔壁无尘。

（5）注胶：注胶时将搅拌头插入孔的底部开始注胶，逐渐向外移动，直至注满体积的2/3即可。

（6）植筋：准备好的钢筋旋转着缓慢插入孔底，使得植筋胶均匀地附着在钢筋的表面及缝隙中。

（7）在固化期内禁止扰动。

7 结束语

本文简要介绍山西南部某涵洞的病害情况，从实验室检验成果、施工单位沉降评估报告、有限元建模分析三个方面对该病害原因进行排查，总结出：该涵洞施工工期太长，涵洞底板混凝土分层浇筑间隔时间过长，接缝混凝土表面未应凿毛洗净，接触面未严格按施工接缝处理，对接缝处没有充分振捣，这些施工中存在的问题导致涵洞底板出现水平环向裂缝，削弱了底板的有效截面厚度，进而导致涵洞底板轴向开裂。本文依托植筋工艺，在底板上浇筑一层钢筋混凝土，通过增大截面法对该涵洞进行病害整治，为今后类似铁路涵洞病害治理提供借鉴。

参考文献

[1] TB 10092-2017铁路桥涵混凝土结构设计规范[S].

[2] TB 10002-2017铁路桥涵设计规范[S].

[3] TB 10093-2017 铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[4] GB-50367-2013 混凝土结构加固设计规范[S].

[5] 文国想，程材渊.植筋及植筋混凝土梁力学性能的试验研究[J].佳木斯大学学报，2011，29（5）：667—672.

[6] 孙曼灵.环氧树脂应用原理与技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[7] 秉钧，张洪章.喜利得植筋技术在设计修改工程中的应用[J].建筑技术，2000，3l（11）：766-767.

[8] 赵更歧.植筋粘结锚固性能主要影响因素的试验研究[J].建筑结构学报，2006，（10）：54—57

[9] 赵更歧.植筋粘结锚固性能试验研究[R].2001.

1673500520284