本文授权转自公众号:岩土沿途Geotech,ID:Ingen-Geo
深圳湾大桥横跨后海湾,由香港流浮山一直延伸至深圳蛇口,全长约5.5公里。大桥于2003年正式开工,并于2007年完工。建成后,深圳湾大桥便持续承担着连接深圳与香港两地的使命。
深圳湾大桥从边界线分隔为香港段和深圳段两部分,长度分别为3.5公里和2公里。在大桥横跨的海湾上,有两条主要的通航航道。为了不影响船舶的通行,航道区域采用了斜拉桥的形式以避免设置桥墩。其余部分则采用常规多跨混凝土高架桥的形式。
在建成后的12年内,大桥稳固地屹立于海上。直到2019年2月。
深圳湾大桥的高架桥桥面是单孔的梯形箱梁,箱梁设置有预应力钢缆用于增强承载力。
位于箱梁混凝土内部的钢缆称为“体内预应力钢绞线”,用于承担箱梁的自重以及施工过程中的荷载;位于箱梁外部的钢缆称为“体外预应力钢绞线”,它们穿过箱梁中间的洞,通过锚固块和转向块传递压力,主要是用于承受风力与车辆的重量。
每根外部钢缆都是由37束钢绞线组成,每束钢绞线又由7根线钢丝绞合而成。这些钢绞线被密封在一个外径为160mm的高密度聚乙烯(HDPE)管道中,管道内用水泥浆填满密封。
这根钢缆长度约280m,从大桥的P1桥墩一直延伸至P5桥墩。它就是在P5桥墩处的锚头被发现断裂的。
锈蚀的钢绞线横截面直径已明显缩小,部分已锈蚀的断口区域,甚至形成了锋利的端部特征。如果用放大镜对断口仔细观察,可以发现断口形状是典型延性受拉破坏造成的“杯锥型”。
在自然界中,当物体受到的拉力过大时,会发生断裂。对于不同的材料,主要可分为两种形态的断裂。
第二种称为延性断裂。当拉力超过上限时,材料并不会突然破坏,而是经过明显的拉伸变形后才会失效。如平时吃的拉面,就是具有超大延性的材料。
这两种破坏的断口特征存在明显的区别。脆性材料由于是突然发生断裂,断裂时发生的变形量很小,断口一般呈粗糙的平面;延性材料在破坏过程则中出现了明显变形,材料由于变形会导致横截面的缩小,断口表现出缩小的特征。
可以看出,钢缆“杯锥型”的断口正是典型的延性破坏特征。这个关键的细节起码说明了两个问题:一是钢缆的材料直至破坏前都维持着良好的性质,锈蚀并没有引起钢绞线 发生脆化;二是钢绞线确实是在均匀受拉的情况下断裂的,并不是因为受力不均而出现剪切破坏。
返碱是水泥水化产生的氢氧化钙,随着水分从内部迁移到表面,水分蒸发氢氧化钙结晶析出形成的白斑。返碱的形成有两个主要条件:
如果钢绞线完全被水泥浆密实包裹,是没有办法达成这两个条件的。只有在钢缆内部没有完全被水泥浆填满,又与外部空气连通的情况下,返碱才有发生的可能。 这个发现意味着,P5处的钢缆施工时可能并没有被水泥浆填满,且没有做好密封。 为了调查这个可能性,P1桥墩处没有断裂的钢缆也被拆卸下来进行对比。与P5处的钢缆仅有一些白色粉末不同,P1钢缆37根钢绞线都均匀地被白色胶凝体所包裹,这些都是凝固后的水泥浆体。钢绞线也完全没有出现锈蚀。
值得注意的是,锚头处设置有一根塑料排气管。这根管是灌水泥浆时的排气管,用于排走HDPE管内的空气,以令水泥浆内部不会残留有气泡。灌水泥浆时,如果观察到有水泥浆从排气管中流出,则证明水泥浆已经完全填满。
与之相反,P5锚头处的排气管则没有发现凝固的水泥浆,仅在孔口发现一些残余的灰尘。
这是一个关键的发现。进一步验证了P5钢缆没有完全被水泥浆填满的猜想。
第一部分是灰尘和铁粉的混合物,可能是钢绞线安装和施加预应力后,钢绞线脱落下的产物。这种混合物在P5锚头的喇叭口底部也找到了类似的物质。
另一部分则是水泥浆,但是却有很高的水灰比。这种高水灰比的水泥浆,应该是返碱时水泥表面的泌水混合物。
将水泥浆从钢缆低点压入后,直到水泥浆从排气孔排出并稳压一段时间,管道内的注浆工作就算完成了。然而,根据之前调查的发现,事发钢缆内部的注浆情况并未按预期发生。
由于P5附近水泥浆压力的下降,导致流动速度降低。然而,水泥浆压入点的注浆压力并不会因此降低,两者之间的压力差,使得在P5锚头附近出现了涌浪效应。
涌浪效应令P5锚头处的空气和水泥浆混合物产生震荡,卷起了喇叭口底部的残灰,残灰进而被冲进了塑料排气管,造成了排气管的堵塞。这就是为什么会在排气管内找到属于喇叭口底部的物质。
距离P5锚头处最近的出浆口位于横隔梁外,在看到这个出浆口稳定流出浆液后,便误以为水泥浆已经填满了整个管道。最终,导致喇叭口位置处残留下一个气穴。气穴与水泥浆的交界面,应该就是P5钢缆倾斜的断裂破坏面。这也是为什么在钢缆破坏面内部,会发现有水泥的返碱。
堵塞在排气管的残灰是致命的。如果残灰颗粒再大一点,也许就不会冲进排气管;如果颗粒再小一点,也许就能在压力下直接冲出排气管。
10,后续
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