排水箱涵垮塌检测与原因分析.pdf

水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第8期 排水箱 涵垮塌检测与原 因分析 彭建和，葛孝椿，丁仕洪 ( 案 科 部 淮 科 委 员 墓 水 利 科 学 研 究 院 ， 安 徽 合 肥2 3 o 0 8 8 ) 摘要 ：针对某排水箱涵垮塌事故 ，在现场对结构混凝土强度、钢筋配置、砂浆强度等检测 的基础 上 ，结合复核计算，对垮塌原 因进行 系统的分析。结果显示，覆土厚度 大大超 出设计厚度是造成箱涵 垮塌 的根本原因。过厚覆土超 出箱涵盖板承载能力 ，导致部分区域盖板断裂，盖板断裂使侧墙上端失 去了支撑，引起局部侧墙垮塌。此外，盖板覆土过厚，使侧墙墙身弯矩过大，强度不满足规范要求， 导致部分 区域侧墙向内倾倒 ，也使顶板 失去支撑而垮塌。 关键词 ：排水箱涵 ；垮塌 ；结构检测 ；覆土；原因分析 中图分类号 ：T V 6 9 8 ． 2 4 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 ． 0 8 6 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 — 0 0 2 4 ． 0 4 De t e c t i o n o n c o l l ap s e of a bo x - c ul v e r t a nd an a l y s i s o n i t s c a u s at i o n P ENG J i a n h e ，GE Xi a o c h u n，DI NG S h i h o n g ( Wa t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h I n s t i t u t e o f A n h u i P r o v i n c e a n d Hu a i h e R i v e r C o mm i s s i o n ， M WR ． ， H e f e i 2 3 0 0 8 8 ， A n h u i ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e i n - s i t u d e t e c t i o n s ma d e o n t h e s t r u c t u r a l c o n c r e t e s t r e n g t h， a r r a n g e me n t o f r e i n f o r c e me n t ， mo r t a r s t r e n gth，e t c ． ，t h e c a u s a t i o n o f t h e c o l l a p s e o f a b o x — c u l v e rt i s s y s t e ma t i c a l l y a n a l y z e d a l o n g w i t h a r e l e v a n t r e — c h e c k c a l c u l a t i o n ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e b a s i c c a u s a t i o n o f t h e c o l l a p s e i s t h a t t h e t h i c k n e s s o f t h e s o i l c o v e r a g e i s f a r b e y o n d t h a t o f t h e d e s i g n ． T h e o v e r — b u r d e n o f t h e s o i l — c o v e r a g e e x c e e d s t h e b e a ti n g c a p a c i t y o f t h e c o v e r — p l a t e， a n d t h e n c a u s e s t h e f r a c t u r e s o f s o me c o v e r - p l a t e s i n a p a r t o f t h e a r e a ．F u r t h e r mo r e， t h e f r a c t u r e s o f t h e p l a t e s l e a d t h e s i d e — w a l l s t o l o s e s u p p o rts a n d fin all y c a u s e t h e c o l — l a p s e o f p a rts o f t h e m． Mo r e o v e r ，t h e o v e r b u r d e n o f t h e s o i l — c o v e r a g e o n t h e c o v e r — p l a t e c a u s e a n o v e r — l a r g e b e n d i n g mo me n t o n t h e b o d y o f t h e s i d e — w a l l a n d t h e n t h e s t r e n gth i s l o w e r e d t o b e o u t o f t h e r e q u i r e me n t o f t h e s p e c i f i c a t i o n，w h i c h i n d u c e s t h e i n — t r o v e r s i v e c o l l a p s e s o f t h e p a r t o f the s i d e — wa l l s a n d l e a d t h e t o p — p l a t e s t o l o s e s u p p o r t a n d c o l l a p s e a t l a s t ． Ke y wo r d s ： d r a i n a g e b o x c u l v e r t ；c o l l a p s e ； s t r u c t u r al d e t e c t i o n； s o i l c o v e r a g e ； a n aly s i s o n c a u s a t i o n 1 概述 某排水箱涵为混凝土一砌体混合结构 ( 见图 1 ) ， 2 0 0 6年建成。3 5 0 m m厚 C 3 0钢筋混凝土底板 ，底部 设 1 0 0 m m厚 C 1 5 垫层，设计持力层承载力特征值大 于 1 5 0 k P a ；侧墙为 M u 7 ． 5 水泥砂浆、M u l 0 砖砌体， 厚 6 2 0 m m；顶板为 3 5 0 m m厚 C 3 0钢筋混凝土盖板。 箱涵设计最大覆土深度为 4 i n 。 2 0 1 0年 7月大雨，排水箱涵部分 区域侧墙垮 塌 ；上盖板局 部 出现严 重变 形 、扭 曲 ，甚 至断裂 ， 主筋外露。侧墙倒塌和上盖板断裂 ，上部土体进入 箱涵内部 ，堵塞箱涵，排水受阻，造成洪涝积水。 为了解该排水箱涵垮塌情况 ，进行 了结构检测 ，在 检测结果 的基础上对结构复核计算 ，并对垮塌原 因 进行分析 。 2 检测成果 2 ． 1 箱涵破坏情况 根据现场外观普查分析 ，箱涵结 构破坏 的主要 形式有 以下几种 ：( 1 ) 涵 1 ( 4号 ) 井 至涵 3 ( 6号 ) 井之间约 3 7 in长顶板断裂 ，坍塌于箱涵内，靠东侧 收稿 日期 ：2 0 1 1 — 0 6 ． 1 0 作者简介 ：彭建和 ( 1 9 7 4 一 ) ，男 ，安徽太湖人 ，高级工程师 ，主任。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l ： 3 水泥砂浆 2． 4 图 1 箱 涵结构 示意( 单位 ：m m) 长约 5 i n的盖板 已严重变形 、扭曲，压顶处顶板主筋 与? 昆 凝土之间产生剥离，主筋弯曲暴露；两翼侧墙部 分 向中间倾斜 ，部分侧 墙断裂 ，基 本呈 “ ” 形 状。 ( 2 ) 雨 5 3 ( 3号 ) 井至涵 1 ( 4号 ) 井以及 涵 3 ( 6号) 井到八字出水 口侧墙产生大量的水平裂缝 ，部分区域 墙体明显出现内倾 ，最严重 的出现向内侧倒塌现象。 ( 3 ) 箱涵联接处伸缩缝变形，接缝渗水较严重。 2 ． 2混凝土和砌体砂浆强度 利用 回弹法检测 混凝土 盖板 的强度 J ，用 贯人 法结合冲击法检测砌体砂浆抗压强度 。 通过现场检测 ，盖板混凝土现龄期抗压强度推定 值为 3 0 ． 3～4 0 ． 6 M P a ，满足设计强度等级 C 3 0的要 求。 现场于雨 5 3 井与涵 3 井之间墙体检测 4处砂浆 强度 ，雨 5 3 井 +1 0 i n处及雨 5 3 井 + 2 0 m处西侧墙 体砌筑砂浆抗压强度分别为 2 ． 8 MP a 、3 ． 3 MP a ，涵 3 井 一 3 3 in处及涵 3 井 一 4 3 i n处墙体砌筑砂浆抗 压 强度分别为 4 ． 3 MP a 、4 ． 0 MP a ，均不满足设计 强度 等级 M7 ． 5的要求 。 2 ． 3 混凝土结构配筋及钢筋力学性能 利用钢筋定位仪 ，现场检测混凝土盖板的板底钢 筋位置、保护层厚度及间距 。抽检部位钢筋间距 满足设计及规范要求 ，板底主筋保护层厚 度范 围为 1 5～5 0 mm 。 现场截取 盖板主筋 ，带 回实验室加 工成标准试 件 ，得到力学性能试验结果如表 1 所列 ，满足设计及 规范 对 H R B 3 3 5的技术要求。 表 1 钢筋力学性能试验结果 编号 屈服强度／ MP a 抗拉强度／ MP a 伸长率／ ％ 冷弯结果 试件 1 3 4 5 5 l O 2 5 ． 0 合格 试件 2 3 3 5 5 0 0 2 5 ． 0 水利水电技术第4 2卷2 0 l 1年第8期 彭建和， 等∥排水箱涵垮塌检测与原因分析 土工试验 分别 对箱 涵 两 侧及 顶 部 土体 进 行 取样 ，采 用 环刀法 进行 密度 试 验 ；采 用液 限塑 限联 合测 定 法 测定箱 涵顶部 回填土界 限含水 率 ，结 果分别见表 2 和表 3 。 表 2 土体 密度试验 结果 样 品编号 1 2 3 4 5 6 7 8 湿密度／ g c m 1 ． 9 7 1 ． 8 8 1 ． 9 O 1 ． 9 3 1 ． 8 9 1 ． 9 3 1 ． 9 5 1 ． 9 4 干密度／ g c l n 。 1 ． 5 4 1 ． 4 4 1 ． 4 7 1 ． 4 9 1 ． 4 5 1 ． 5 1 1 ． 5 O 1 ． 5 O 含水率／ ％ 2 8 ． 1 3 O ． 5 2 9 ． 4 2 9 ． 5 3 0 ． 5 2 8 ． O 3 O ． 1 2 8 ． 8 样品编号 9 1 0 1 l 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 湿密度／ g- c m 1 ． 9 4 1 ． 9 0 1 ． 8 5 1 ． 8 4 1 ． 8 5 1 ． 8 8 1 ． 8 7 1 ． 9 1 干密度／ g c m 1 ． 5 1 1 ． 4 5 含水率／ ％ 2 8 ． 6 3 O ． 9 注 ：样品 1—1 0为箱涵顶部土样 ；样品 1 l ～1 6为箱涵两侧土样 。 表 3 界限含水率试验结果 样 品编号 液 限／ ％ 塑限／ ％ 塑性指数 按塑性图分类 自由膨胀率／ ％ 1 4 6 ( 4 O ) 2 5 2 l ( 1 5 ) C L 5 0 2 4 8 ( 4 2 ) 2 8 2 O ( 1 4 ) C L 6 0 注：“ ( ) ” 内数据为 圆锥下沉深度 l 0 mm所对应 的含水率 。 3 箱涵结构计算与强度复核 根据垮塌后测得的排水箱涵地形图显示 ，箱涵垮 塌部位上方覆土表面高程达 3 0 ． 5 1 i n ，箱涵顶板在该 部位顶板高程为 2 0 ． 0 3 I I l ，因此顶板以上覆土厚度达 l 0 ． 48 I I l 。 箱涵顶板与底板为钢筋混凝土结构，两边侧墙为 砖砌体 ，计算时将箱涵结构当作弹性地基上构架分析。 根据土工试验结果 ，覆土容重标准值为 1 9 ． 4 2 k N ／ m。 ， 土重荷载的分项系数为 1 ． 3 5 ，故顶板上覆土产生的竖 向荷载设计值 为 1 ． 3 51 0 ． 4 81 9 ． 4 2=2 7 4 ． 7 9 ( k P a ) ， 顶板 自重应力设计值为 1 1 ． 8 1 k P a ，作用于顶板的竖向 荷载设计值为 2 8 6 ． 6 k P a 。 土的抗剪强度指标采用该工程岩土工程勘察报告 中指标 ：内摩擦 角 西标准值为 1 4 ． 1 2 。 ；粘 聚力 c标 准值为4 5 ． 1 5 k P a ，复核计算简图如图2所示，构件 的弹模按设计指标确定 。同时 ，设计要求顶板以上覆 土厚度不超过 4 m，本文对设计情况也进行校核 ，计 算简图如图 3所示Ⅲ 5 J 。 两种工况下的内力计算结果如表4所列。表 4中 内力与变位正方向规定见图 4 。根据表 4内力计算结 果用规范 G B 5 0 0 1 0 --2 0 0 1进行顶板与底板强度 复核 见表 5 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 彭建和， 等∥排水箱涵垮塌检测与原因分析 表4 箱涵结构内力计算结果 局部坐标 1 局部坐标 2 跨 中弯矩 覆土厚度 单元号 轴力 N1 ／ k N 剪力 Q 1 ／ k N 弯矩 M， ／ k N m 轴力 Ⅳ 2 ／ k N 剪力 q 2 ／ k N 弯矩 M2 ／ k N m M ／ k Nm 1 1 5 2 ． 9 2 6 3 7． 6 9 0 一 1 5 2． 9 2 6 3 7． 6 9 O 7 0 9 ． 4 2 2 6 3 7 ． 6 9 —1 5 2 ． 9 2 O —6 7 0． 0 8 —1 7 3． 01 O 一l 1 2 ． 0 4 l 0 ． 48 m 3 6 3 7 ． 6 9 1 5 2 ． 9 2 0 —6 7 0 ． 0 8 l 7 3 ． 01 0 1 l 2 ． 0 4 4 1 7 3 ． O l 0 O — 1 7 3 ． O1 O 0 —5 71 ． 72 l 1 2 ． 2 7 2 5 9 ． 5 9 0 一 l 2 ． 2 7 2 5 9． 5 9 O 2 8 8 ． 7 9 2 2 5 9 ． 5 9 一l 2 ． 2 7 O —2 91 ． 9 9 —3 1 ． 1 6 O —9 ． 9 4 4 ． O m 3 2 5 9 ． 5 9 1 2 ． 2 7 0 —2 91 ． 9 9 3 1 ． 1 6 O 9 ． 9 4 4 31 ．1 6 O 0 —31 ． 1 6 O 0 —2 4 5 ． O 0 2 8 6 ． 6 k P a 9 6 ． 6 l k P a l l l l l I l l I l l ， 9 6 ．6 1 1 ① 2 、 ----一 ② ③ -----一 I — - - - - - — ● ’ 1 ．4 ④ 3 ． L — — — — — 图2 覆土 1 0 ． 4 8 m计算简图( 尺寸单位：m m) 1 1 6 ．6 7 k P a l i I 』 l l i i I I I l ， l ① 2 、 r _ ②。 ③ 4 ④ 3 L — — — — o_ — — — _ _ J 图 3 覆土 4 ． O 0 m计算简图( 尺寸单位 ：m m) 单元 1 M 坐标1 表 5盖板与底板强度复核 盖板跨 中正截 面 底板跨 中正截面 参数 强度计算 强度计算 顶板之上覆土厚度／ ％ l 0 ． 4 8 4 ． 0 l 0 ． 4 8 4 ． O 跨中弯矩 M／ I O N m m 7 ． O 9 2 ． 8 9 5 ． 7 1 2 ． 4 5 跨 中轴力 N ／ I O N l 5 ． 3 1 ． 2 3 1 7 ． 3 3 ． 1 2 e 0 ／ram 4 6 3 9 ． 1 6 2 3 5 3 6． 2 7 3 3 0 o ． 4 4 7 8 6 2 ． 3 0 h ／ mm 3 5 0． O 0 3 5 0 ． O 0 3 5 0 ． O 0 3 5 0 ． O 0 ,~ ／ m m 4 6 ． O 0 4 6 ． O 0 4 6 ． 0 0 4 6 ． 【 x 】 h o ／mm 3 0 4． 【 x 】 3 0 4 ． 0 H0 3 o 4 ． 0 0 3 0 L4 ． o o b ／mm 1 0 0 o l o() o 1 o o O 1 0 o O 0． 5 6 8 0． 5 6 8 0． 5 6 8 0． 5 6 8 由式( 7 ． 3 ． 4— 9 9 ． 2 9 8 9 ． 4 6 1 O O ． 7 O 9 0 ． 7 8 1 ) 计算 f=x ／ h 0 0 ． 3 2 7 0 ． 2 9 4 0 ． 3 3 1 0 ． 2 9 9 > 大 > 大 > 大 > 大 与 比较 偏心受压 偏心受压 偏 心受压 偏 心受压 e i／mm 4 6 3 9 ． 3 6 2 3 5 3 6 ． 4 7 3 3 o 0 ． 6 4 7 8 6 2 ． 5 0 e ／ mm 4 8 0 3 ． 3 6 2 3 7 o o ． 4 7 3 4 6 4． 6 4 8 0 2 6 ． 5 0 e ／1 0 N m 7． 3 5 2 ． 9l 5 ． 9 9 2 ． 5 O 式 3 ． 4 — 2 ) 右端弯 1 0 8 N m 3 ． 6 1 3 ． 3 2 5 ． 2 1 4 ． 9 l 是否满 足规 范式 ( 7 ． 3 ． 4— 远远 满足规范 不满 2 ) 要求 不满足 足规范 满足规范 顶板以上覆土厚 l 0 ． 4 8 I n时强度远不满足规范要求 ； 而盖板以上覆土厚 4 m时基本满足规范要求 。 通过上面分析计算说明，盖板覆土厚度为 1 0 ． 4 8 m 时 ，盖板 和底板 承 载力 、侧 墙 内外 侧 强度 均不 能 满足设计及规范要求 ；覆 土厚度 为 4 ． 0 0 n l 时均能 满足设计及规范要求。盖板覆土厚度为 1 0 ． 4 8 in 时的箱涵计算沉降量 卜 为 3 5 ． 2 6 m m，覆土厚度 为 4 ． 0 0 m时箱涵计算沉降量为 1 8 ． 6 7 ln m，两者 相 差 1 6 ． 5 9 m m。 图4 作 用 于 单 元 杆 端和 跨 中 的 正 方向 内 力 4 垮塌原因分析 再根据表 4内力计算结果用规范 G B 5 o 0 0 3 — 2 0 0 1 进行侧墙跨中正截面强度计算，计算结果也说明 依据现场检测结果，结合结构复核计算，综合分 析箱涵垮塌及裂缝产生原因如下。 水利水电技术第 4 2卷2 0 1 1年第8期 r " 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 箱涵顶部覆土高达 1 0 ． 4 8 m( 》4 m) ，经分析计 算 ，盖板偏心受压正截 面承载力远远不满足规 范要 求 ，箱涵顶随着填 土的增 高将产生断裂 ，特别严 重 部位会发生垮塌 ；当顶板 断裂 、垮 塌后 侧墙上部失 去支撑 ，侧墙在土压力作用下向内倾斜，发生墙体 断裂 、推 移 等 破坏 。这 是 排 水箱 涵 产 生垮 塌 、堵 塞 ，并使其失去使用功能 的主要 原因。这种破坏 的 情况见 图 5 。 图 5 断裂盖板 从箱涵结构特征分析 ，侧墙在顶板作用下 ，侧墙 按偏心受压分析。在箱涵顶部覆土层厚 l 0 ． 4 8 m的作 用下 ( 》4 m) ，经分析计算 ，侧墙外侧受压 ，内侧受 拉 ，拉、压强度均不满足规范要求 ，将使侧墙外侧产 生受压破坏，内侧产生受拉破坏，从而使墙体内侧产 生水平裂缝 ，严重的将使侧墙向内侧倾斜、甚至倒 塌，也使盖板端部失去支撑而垮塌 ，这种破坏的情况 见图 6 。 图6 墙体裂缝 侧墙砌筑砂浆强度偏低降低了砌体的抗压及抗拉 水利水电技术第4 2卷2 0 1 1 年第8期 彭建和， 等∥排水箱涵垮塌检测与原因分析 强度，对墙体的裂缝产生不利影响，但从整个箱涵的 结构特征分析 ，不是整个箱涵产生垮塌破坏的主要因 素。 另经分析计算 ，在高堆土的情况下 ，底板的偏心 受压正截面承载力也不满足规范要求 ，但荷载取标准 值状况下正截面承载力相 比规范要求仅差 6 ． 4 ％ ，仅 会出现裂缝 ，不致产生严重的破坏 ，故情况 比顶板要 好得多。 根据沉降计算 ，洞身沉降量随着顶板 以上覆土层 厚度增加而加大 ，因此 ，在顶板 以上覆土层厚度变化 部位 ，各节涵洞会产生沉降差 ，引起伸缩缝变形 、渗 水0 综上所 述 ，结 构 计 算分 析 结果 与排 水 涵 的现 场破坏情况 是 相 吻合 的 。故 综合 判 定排 水 箱涵 开 裂 、垮塌 的主要 原 因是 由于其 上部 填 土过 高使 顶 板和侧墙承 载 能力 不 够所 致 ；在 箱 涵 以上 覆盖 土 层厚度变化 部 位产 生 不均 匀沉 降 ，使伸 缩缝 处 变 形 、渗水 。 5 结论 本文在对垮塌箱 涵进行检测 的基 础上 ，结合复 核计算 ，对箱涵垮塌原 因进行 了系统的分析 。通过 分析可以看出 ，覆土厚度大大超 出设计厚度是 造成 箱涵垮塌 的根本原 因。过厚覆 土增加 了盖板 承载 ， 引起盖板断裂 ，上部土体进入箱 涵 ，同时 ，增 大的 土体侧压力 ，引起 局部侧墙垮塌 。土体和垮塌侧 墙 引起箱涵堵塞 ，造成洪涝积水 。所得结论 ，可 以作 为箱涵后期恢复加 固处理 的依据 ，并可供 同类工 程 参考。 参考文献 ： [ 1 ] J G J ／ T 2 3 —2 0 0 1 ，回弹法检测 混凝土抗压强度技术规程 [ s ] ． [ 2 ] J G J ／ T 1 3 6 -2 O O 1 ，贯人法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程 [ s ] ． [ 3 ] J G J ／ T 1 5 2 --2 0 0 8，混凝土 中钢筋检测技术规程 [ s ] ． [ 4 ] G B 1 4 9 9 ． 2 —2 0 0 7，钢筋混凝土用钢 第 2部分 ：热轧带 肋钢筋 [ s ] ． [ 5 ] 周兴府 ， 杨毅 ．箱涵结构设计的几点探讨[ J ] ．有色冶金设计与 研究 ，2 0 0 8 ，2 9 ( 6 ) ：2 9 - 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