熊 娟 陳紹元

(武漢鋼鐵集團(tuán)金屬資源有限責(zé)任公司冶金渣分公司 湖北 武漢:430080)

不良鋼渣地基對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響及處理方法

熊 娟 陳紹元

(武漢鋼鐵集團(tuán)金屬資源有限責(zé)任公司冶金渣分公司 湖北 武漢:430080)

膨脹是陳化不好的鋼渣地基常發(fā)生的問題,其結(jié)果使建筑開裂、傾斜甚至破壞。文章指出了膨脹鋼渣地基對(duì)建筑的不利影響和危害;列舉了幾個(gè)膨脹鋼渣損壞建筑結(jié)構(gòu)實(shí)例;提出了鋼渣地基造成危害的加固處理方法,為類似工程提供參考。

鋼渣;膨脹;裂縫

鋼礦渣與高爐渣不同之處在于,鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的廢料,不像爐渣可直接用作建材的原料;雖然同屬于硅酸鹽材料,但鋼渣中含有大量的fCaO,fMgO,等不安定物質(zhì)。大量的研究成果表明,鋼渣中的游離氧化鈣和游離氧化鎂水化時(shí)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),鋼渣中游離CaO遇水生成Ca(OH)2,鋼渣中游離MgO遇水生成Mg(OH)2,會(huì)產(chǎn)生體積膨脹,從而產(chǎn)生向上的擴(kuò)張力,造成建筑物的地坪隆起開裂、墻體開裂及承重柱上升、移位。許多國家對(duì)鋼渣作地基回填材料進(jìn)行穩(wěn)定性研究,一致認(rèn)為鋼渣中的游離CaO和MgO是造成鋼渣不穩(wěn)定的重要因素。

1 鋼渣地基對(duì)建筑的影響

鋼渣的主要物理力學(xué)性能是能夠滿足一般工程要求的,但穩(wěn)定性不良的鋼渣,由于鋼渣層膨脹與粉化,造成地基不均勻變形,使基礎(chǔ)位移,結(jié)構(gòu)變形,往往造成建筑結(jié)構(gòu)的裂縫破壞,尤其以三層以下的混合結(jié)構(gòu)最為嚴(yán)重。這類房屋重量輕,整體性較差,對(duì)地基變形反應(yīng)敏感,容易裂損。鋼渣地基的膨脹變形,一般有一個(gè)時(shí)間過程,是一個(gè)多次產(chǎn)生和發(fā)展的累積過程。建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)癥害的時(shí)間,一般不易確定,鋼渣是否膨脹,除了鋼渣的成分組成這一內(nèi)因外,其環(huán)境變化形成膨脹條件也是一個(gè)重要因素。有些建筑結(jié)構(gòu)是在建成后即出現(xiàn)問題,有些是在正常使用約10年后在短時(shí)期內(nèi)地基變形急遽發(fā)展而造成建筑結(jié)構(gòu)破壞。地基的變形變化,引起建筑結(jié)構(gòu)附加的應(yīng)力和應(yīng)變,當(dāng)累積到一定程度,結(jié)構(gòu)裂縫,變形得到滿足或者部分滿足,應(yīng)力就發(fā)生松弛,如此往復(fù)。致使建筑結(jié)構(gòu)變形或開裂加劇。

2 工程實(shí)例

2.1 內(nèi)燃機(jī)車修理庫廠房

某內(nèi)燃機(jī)車修理庫廠房,為多跨鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)廠房,建筑面積約7676.4m2。建于1986年,近兩年部分區(qū)域出現(xiàn)墻體地面開裂、傾斜,范圍為其中的B～C軸線、1～12軸線加工間廠房,建筑面積約990m2。

B-C跨加工間廠房,跨度15m,軌頂標(biāo)高7.8m,縱向共11個(gè)柱距,總長66m,柱距6m。其平面圖見圖1。

廠房主要構(gòu)件屋架、吊車梁、柱等為預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件。根據(jù)圖紙及現(xiàn)場調(diào)查,廠房圍護(hù)墻基礎(chǔ)采用的是基礎(chǔ)梁,廠房內(nèi)輔助房屋磚墻基礎(chǔ)采用的是混凝土條形基礎(chǔ)?，F(xiàn)場調(diào)查,發(fā)現(xiàn)存在圍護(hù)墻體傾斜、廠房內(nèi)辦公室磚墻開裂及地面起鼓開裂等不良現(xiàn)象,因此檢測(cè)首先調(diào)查基礎(chǔ)下地基土的情況,其中廠房內(nèi)地面為素砼地面,露天堆場地面為粒徑20的礦渣地面。調(diào)查得知,基礎(chǔ)梁下及地面的地基土由回填鋼礦渣和粘土組成,回填鋼礦渣的分布并不均勻,厚薄各處也不一致。磚墻傾斜、裂縫及地面起鼓開裂是由于鋼礦渣膨脹所致。

現(xiàn)場調(diào)查,上部主體結(jié)構(gòu),未見因地基基礎(chǔ)原因的傾斜、變形、沉降、結(jié)構(gòu)間連接損壞等現(xiàn)象發(fā)生,所以判斷鋼礦渣膨脹未對(duì)廠房承重結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

廠房內(nèi)地坪,由于回填鋼礦渣膨脹作用,地坪起鼓、開裂現(xiàn)象較為普遍,情況可見圖2。地坪起鼓、開裂的分布規(guī)律是:廠房跨中區(qū)域離柱(墻)較遠(yuǎn),受基坑(槽)回填鋼礦渣影響輕微,目前狀況尚可;靠近柱列(縱墻)附近區(qū)域,地坪開裂嚴(yán)重,B列大致在1～9軸線范圍,C列大致在3～9軸線范圍。

B、C兩列廠房外圍護(hù)墻,約在4～8軸線范圍,因受鋼礦渣膨脹作用,墻體(基礎(chǔ)梁)底部受到向外的推力而傾斜。在地坪處量測(cè)墻體底部位移值,達(dá)到20mm以上。

同樣,因鋼渣膨脹原因,廠房內(nèi)部辦公室,墻體嚴(yán)重開裂破損。墻體裂縫狀況見圖3。

圖1 機(jī)車修理庫廠房平面圖

圖2 地面開裂

圖3 墻體裂縫

2.2 配電房

某配電房,磚混結(jié)構(gòu)房屋,單層,房屋總長12.99m,寬8.34m,建筑面積為109.59m2。縱橫墻承重體系,預(yù)制屋面板。其平面圖見圖4。

圖4 配電房平面圖

配電房墻體裂縫普遍,幾乎所有墻體均存在不同程度的裂縫,其中A、C軸線縱墻,A-4角部縱橫墻,裂縫最為嚴(yán)重。A-4角部墻體上部,完全開裂破損,裂縫寬度已達(dá)到70mm,并伴有墻體錯(cuò)位、外傾現(xiàn)象。

其他部位的墻體裂縫,裂縫寬度多在10mm以上。墻體裂縫、位移,使得門窗框脫位或者嚴(yán)重變形。

裂縫形態(tài),多為八字形裂縫,裂縫沿門窗洞口角處向上或向下斜向發(fā)展,其規(guī)律是門窗洞口角處裂縫較寬,遠(yuǎn)離洞口處變窄;部分裂縫表現(xiàn)為窗臺(tái)下,或者屋面板下窗洞上水平裂縫;個(gè)別出現(xiàn)縱橫墻交接處及墻體中部的豎直裂縫。

上述裂縫產(chǎn)生原因是該配電房建在鋼渣回填的渣場上,且該地區(qū)地下水位較高,這為未陳化的鋼渣提供了極好的水化條件。同時(shí),檢查發(fā)現(xiàn),墻體裂縫處,地坪同樣伴有嚴(yán)重開裂并明顯膨脹起鼓現(xiàn)象。墻體裂縫見圖5。

圖5 墻體裂縫

2.3 管道支架

某煉鋼廠西路煤氣管道,于1996年建成。其形式為鋼支架支撐煤氣管道,鋼支架落在獨(dú)立的鋼筋混凝土基礎(chǔ)上。支架上設(shè)有DN2820mm、DN1420 mm兩根主管道,上方還有DN50～DN600各種不同介質(zhì)的管道12根。

2005年11月發(fā)現(xiàn)西路煤氣管道局部區(qū)域(支架編號(hào)B522～B529區(qū)域,長約114m)鋼支架發(fā)生了嚴(yán)重的傾斜,整個(gè)支架系統(tǒng)向南偏移,其中尤以半鉸支架B524為甚,向南偏移354 mm;整個(gè)支架系統(tǒng)平均向南偏移187.3mm。B524支架抬高了近200mm;G525固定支架整體抬高,G525最大抬高點(diǎn)達(dá)到231mm。由B524、G525支撐的管道向上抬高,向上平均位移值達(dá)到142mm。B523上滾動(dòng)支座的軸向位移達(dá)到195mm,管道DN2820mm波形補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力達(dá)到極限。支架傾斜及管座位移見圖6。

圖6 支架傾斜及管座位移照片

該區(qū)域是個(gè)堆廢料的渣場,地質(zhì)條件較復(fù)雜,局部處雜填土厚達(dá)10m,持力層有Q3、Q4粉質(zhì)粘土和礦渣,且混有大量的分布不勻的未經(jīng)陳化處理的鋼渣。同時(shí),該區(qū)域地下水位高且含水量大,地下水深度平均達(dá)到4.5m,給鋼渣進(jìn)行水化反應(yīng)形成了十分有利的條件;挖出的鋼渣塊直徑達(dá)到400 mm,這也使得鋼渣的水化反應(yīng)時(shí)間延長。鋼渣水化膨脹是造成煤氣管道支架隆起傾斜的根本原因。

3 處理方法

對(duì)于采用鋼渣地基的工程,為更有效的消除膨脹的影響,建議可以參照道路應(yīng)用鋼渣的做法,混合一定比例的粉煤灰等,減輕對(duì)建筑損壞。在選擇加固方案時(shí),應(yīng)根據(jù)加固的目的,結(jié)合地基基礎(chǔ)和建筑結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀,并考慮建筑結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基的共同作用,可初步選擇采用加固地基、加固基礎(chǔ)或加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)剛度和加固地基基礎(chǔ)相結(jié)合的方案。對(duì)初步選定的各種加固方案,應(yīng)從預(yù)期效果、可行性和造價(jià)等多方面進(jìn)行分析比選,確定最佳的加固方案。

地基不均勻變形及建筑結(jié)構(gòu)破壞的根本原因是鋼渣水化膨脹,因此,解決問題的著眼點(diǎn),是設(shè)法消除或減輕鋼渣水化膨脹的影響。

減輕鋼渣膨脹影響方法之一只用陳化穩(wěn)定的鋼渣做回填地基材料。減輕鋼渣膨脹影響方法之二可采用二灰鋼渣,即在使用鋼渣作回填地基的同時(shí),摻粉煤灰,用粉煤灰與Ca(OH)2進(jìn)行水化反應(yīng),降低Ca(OH)2膨脹影響。

為消除鋼渣水化膨脹的影響,可在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)時(shí),使承重結(jié)構(gòu)完全穿透鋼渣層,即基礎(chǔ)托換處理。某建造在鋼渣回填場上的倉庫,盡管鋼渣層厚度達(dá)10多米深,由于采用了機(jī)械成孔灌注樁穿透鋼渣層,盡管鋼渣仍在膨脹,但對(duì)主體承重結(jié)構(gòu)影響較小。鋼渣膨脹對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響,可采用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)梁下逐段清除鋼渣換填處理,換填后的基礎(chǔ)梁下要留有100mm空隙,給殘余鋼渣留有膨脹的空間。

對(duì)于已經(jīng)破壞無法托換基礎(chǔ)以及整體剛度較差結(jié)構(gòu),可采用加固地基與加強(qiáng)建筑整體剛度相結(jié)合的方案,基礎(chǔ)加固可采用樹根樁、小孔徑灌注樁以及錨桿等方法,將基礎(chǔ)錨固在受力巖土層中,抵御鋼渣膨脹的影響;同時(shí)將上部結(jié)構(gòu)加固成適應(yīng)變形能力較強(qiáng)的鋼筋混凝土夾板墻,或加固成鋼絲網(wǎng)水泥夾板墻,足以抵御基礎(chǔ)變形對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響。某爐渣間水處理站,單層鋼混結(jié)構(gòu),破壞嚴(yán)重,采用了基礎(chǔ)用樹根樁錨固,墻體用鋼筋混凝土夾板墻加固后,加固至今近6年,無細(xì)小裂縫出現(xiàn)。

加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)剛度和整體性的方法成功處理鋼渣水化膨脹例子是某雨水泵房,由于近20m深的集水井采用大開挖施工,三層水泵房部分回填了近20米深鋼渣;建成后墻體、地面開裂,上拱,由于該建筑為磚混結(jié)構(gòu),磚基礎(chǔ)直接擱置于鋼渣地基上,基礎(chǔ)無法加固,只有加固上部結(jié)構(gòu),方法是將底層基礎(chǔ)梁、與圈梁以及構(gòu)造柱加強(qiáng)形成一剛度極大的空間桁架,支撐上部所有荷載,加固后的建筑結(jié)構(gòu)像一艘船,擱置在鋼渣“水面”上,可以完全抵御鋼渣膨脹的影響。

托換基礎(chǔ)的方法,也應(yīng)用于本文中的煤氣管道支架的糾偏加固,加固采用4～9根直徑1200mm的人工挖孔樁穿過9～12m厚的鋼渣層進(jìn)行托換,并掏空承臺(tái)下1m厚的鋼渣后用中粗砂換填。

基礎(chǔ)下鋼渣層厚度較小(2米以內(nèi)),可以逐段掏除鋼渣進(jìn)行換填處理,某辦公樓為四層框架結(jié)構(gòu),柱下獨(dú)立基礎(chǔ),回填了大量鋼渣,但鋼渣層厚度較小,經(jīng)過變形觀測(cè),柱子變形趨于穩(wěn)定,但填充墻體和臺(tái)階開裂仍在繼續(xù)發(fā)展,采用掏除鋼渣進(jìn)行換填碎石后,變形完全消除。

某綜合辦公樓,承重主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),樁基礎(chǔ)穿透了鋼渣層,框架柱主體未受鋼渣變形影響。但基礎(chǔ)梁與鋼渣之間沒有空隙,受鋼渣膨脹影響,基礎(chǔ)梁上拱變形,導(dǎo)致基礎(chǔ)梁上部墻體開裂,窗戶不能開閉;采用掏空基礎(chǔ)梁下鋼渣用粗砂換填后,基礎(chǔ)梁上拱變形消失,裂縫寬度變小,窗戶恢復(fù)開閉。

5 結(jié)束語

鋼渣的回用是社會(huì)發(fā)展的需要,鋼渣應(yīng)用于工程地基回填,是其中的一個(gè)應(yīng)用方向。但要慎重,用作地基回填的鋼渣必須是陳化穩(wěn)定的鋼渣;鋼渣地基的使用,應(yīng)充分考慮工程性質(zhì)、地質(zhì)條件和房屋結(jié)構(gòu)特點(diǎn),慎重處理。解決鋼渣地基的穩(wěn)定性,是應(yīng)用的關(guān)鍵,規(guī)范、完善鋼渣穩(wěn)定性的檢測(cè)方法及技術(shù)指標(biāo)則是今后亟需研究解決的問題。對(duì)于采用鋼渣地基的工程,采取預(yù)防措施保證地基的可靠是根本,事后的加固處理是不得已而為之。

[1] 楊 丹,陳紹元.某爐渣間水處理站結(jié)構(gòu)可靠性鑒定報(bào)告[R].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院內(nèi)部資料,2003.

[2] 李順國,楊 丹,陳紹元.某公司綜合辦公結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定報(bào)告[R].武漢理工大結(jié)構(gòu)檢測(cè)中心內(nèi)部資料,2009.

[3] 李順國,陳紹元,某氧氣公司建筑物結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定報(bào)告[R].武漢理工大結(jié)構(gòu)檢測(cè)中心內(nèi)部資料,2010.

[4] J GJ 123—2000,既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 潘步云.鋼渣地基的研究與應(yīng)用[J].工業(yè)建筑,1993,10:31-34.

Effects of Poor Slag Groundwork on Architecture Structure and its Treatment

XIONGJuan CHEN Shaoyuan

Bulges in poor slag groundwork cause cracks,slant and even breakage in architecture.Examples are cited to illustrate effects of bulging groundwork on architecture structures,and some workable methods are put forward,which may serve as reference to similar projects.

slag;bulge;crack

TU441.6

A

1671-3524(2010)04-0027-04

(責(zé)任編輯:栗 曉)

2010-09-16

2010-10-18

熊 娟(1977～),女,工程師.E-mail:362068362@qq.com