蔡曉

（廣州城建職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 廣東 廣州 510900）

非典型性混凝土樓板裂縫成因探討

蔡曉

（廣州城建職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 廣東 廣州 510900）

摘 要：攪拌樁在施工過程中對(duì)地基土的擾動(dòng)，破壞了地基土的原始結(jié)構(gòu)。地基土被擾動(dòng)的范圍一般在攪拌樁直徑 2～3 倍的距離之內(nèi)，當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在此范圍時(shí)，在管樁施工初期樁側(cè)阻力因此而降低，當(dāng)樁頂受到較大荷載時(shí)，引起管樁樁端地基土的剪切破壞，從而使管樁單樁承載力下降，造成主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降，出現(xiàn)混凝土樓板的非典型性的裂縫。針對(duì)非典型性混凝土樓板裂縫產(chǎn)生的原因，采取選擇合理的基礎(chǔ)形式和結(jié)構(gòu)形式、加強(qiáng)施工過程的監(jiān)控等等措施。

關(guān)鍵詞：非典型性；混凝土樓板裂縫；不均勻沉降；地基土擾動(dòng)

1 工程背景及裂縫的形狀

1.1 工程概況

1.1.1 建筑概況

本工程位于深圳市XX大道的東北面．單體建筑包括倉(cāng)庫(kù)、機(jī)電樓?？偨ㄖ娣e約為 20 000 m2，倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)高度為27.4 m(4 層)，機(jī)電樓結(jié)構(gòu)高度為 10.5 m(局部 2 層)。無地下室。全部采用現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。

1.1.2 地基基礎(chǔ)情況

本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)。根據(jù)深圳市XX工程勘察有限公司 2008 年 5 月提供的《巖土工程勘察報(bào)告》，場(chǎng)地內(nèi)分布的土層自上而下為： 人工填土層、坡積人工填土層、坡積層、洪積層、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層、微風(fēng)化層。

本基礎(chǔ)形式采用靜壓式高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖層，樁端阻力特征值為：4 500 kPa(強(qiáng)風(fēng)化)。φ500 AB 型預(yù)應(yīng)力管樁 C80 壁厚 125 mm，樁端全截面進(jìn)入持力層深度(m)≥0.50。

1.1.3 沉樁采用靜壓式施工工藝

單樁豎向承載力特征值為 2 000 kN，終壓壓力為 4 800 kN。終壓條件為終壓壓力下復(fù)壓 3～5 次，穩(wěn)定時(shí)間 5 s～ 10 s，樁豎向總沉降量 ≤ 8 mm。

1.1.4 房屋結(jié)構(gòu)情況

本建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，全部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。

1.1.5 結(jié)構(gòu)構(gòu)件

(1)樓層及屋面現(xiàn)澆板底筋應(yīng)伸入支座 5 d(d 為板筋直徑)，面筋在支座兩邊不能連通時(shí)錨入支座 La。

(2)雙向板中，短向底筋置于下排，長(zhǎng)向底筋置于排。

1.1.6 攪拌樁施工

地面土質(zhì)情況為人工填土層、坡積人工填土層，考慮到地面承載力的原因，需要地基加固，地坪土層采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固的方案，水泥攪拌樁的技術(shù)與施工要求如下。

(1)成樁全程必須四攪四噴。

(2)地坪深-0.45 m，空樁底標(biāo)高 +0.00，人工破樁頭50 mm，破樁頭后實(shí)樁頂標(biāo)高-0.5 m。

(3)水灰比可為 0.5～0.6∶1，漿液攪拌時(shí)間不少于 3 min，不長(zhǎng)于 2 h。

(4)每米樁長(zhǎng)水泥用量為 50 kg，樁徑 550 mm，樁深 4.00 m～8.00 m，有效樁長(zhǎng) 7.50 m(以進(jìn)入砂質(zhì)黏土層 1.0 m～1.5 m為標(biāo)準(zhǔn)，最深不超過 9.0 m)。

(5)水泥土(28 d 齡期)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 1.0 MPa 以上。

(6)處理后復(fù)合地基承載力達(dá) 50 kPa，置換比 12%。

(7)遇承臺(tái)處攪拌樁間距如不夠 1.5 m 時(shí)，可做適當(dāng)調(diào)整(見圖 1)。

圖 1 攪拌樁平面布置大樣圖

1.1.7 基礎(chǔ)施工過程

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工完成后，開始進(jìn)行攪拌樁施工。攪拌樁分三個(gè)施工段施工，當(dāng)攪拌樁在第三施工段施工時(shí)，第一施工段開始承臺(tái)基礎(chǔ)梁施工。接著進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工至結(jié)頂。

1.2 裂縫形狀

工程主體結(jié)構(gòu)完成后，在進(jìn)行主體工程驗(yàn)收時(shí)，發(fā)現(xiàn)樓板產(chǎn)生較多裂縫，最為嚴(yán)重的是 4 層的樓面，在 16 根柱子周邊共有 35 條裂縫，這些裂縫都與柱子成 45° 角分布，裂縫最寬處大于 0.50 mm， 最長(zhǎng)有 2 500 mm， 靠近柱子裂縫較寬，沿著開裂沿伸方向變細(xì)，同一位置的裂縫板面裂縫寬，板底裂縫細(xì)，部分裂縫沒有貫穿(見圖 2)。

圖 2 混凝土樓板裂縫示意圖

2 非典型性混凝土裂縫的類別

2.1 荷載裂縫

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在外荷載作用下，混凝土的抗拉能力不能抵抗外荷載時(shí)，混凝土便會(huì)發(fā)生開裂，這種裂縫稱為荷載裂縫。荷載裂縫一般有彎曲裂縫、剪切裂縫和扭轉(zhuǎn)裂縫等三種。

在建設(shè)工程施工中，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫絕大數(shù)并非是在外荷載的作用下產(chǎn)生的，而是由于混凝土的變形或結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生的?；炷梁突炷两Y(jié)構(gòu)由于變形所產(chǎn)生的裂縫稱為非荷載裂縫?；炷磷冃萎a(chǎn)生的裂縫有混凝土沉降裂縫、塑性收縮裂縫、干燥收縮裂縫、自收縮裂縫和溫度變形裂縫?；炷两Y(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的裂縫，是由于混凝土結(jié)構(gòu)的不均勻沉降引起的，通常稱為基礎(chǔ)沉降裂縫，基礎(chǔ)沉降裂縫一般發(fā)生在混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱部位，裂縫的形狀、分布、大小與基礎(chǔ)不均勻沉降的狀況有緊密關(guān)系。在建筑物 Y 方向的沉降量相同的情況下，當(dāng)建筑物 X 方向的兩端沉降大于中間沉降量時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)中間凸起的變形狀態(tài)，裂縫的形狀為上寬下窄，并沿 Y 方向平行分布。而當(dāng)建筑物 Y 方向兩端的沉降量小于中間沉降量時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)中間下凹的變形狀態(tài)，裂縫形狀為下寬上窄，同樣沿 Y 方向平行分布。在建筑物 Y方向和 X 方向的沉降量都不相同時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫與建筑物不均勻沉降的狀況緊密相關(guān)，有時(shí)裂縫會(huì)與 Y 方向或 X方向成某一角度分布，有時(shí)也會(huì)與 Y 方向或 X 方向平行分布。

2.2 該工程混凝土樓板裂縫類別

(1)該工程混凝土樓板裂縫是在主體結(jié)構(gòu)竣工還沒有投入使用也沒有施加其他外荷載的情況下發(fā)生的，應(yīng)不屬于荷載裂縫。從混凝土樓板裂縫的分布狀況、裂縫的形狀、裂縫產(chǎn)生的時(shí)間，以及地基土的類別來看，混凝土樓板裂縫應(yīng)屬于非荷載裂縫類的基礎(chǔ)沉降裂縫。混凝土樓板所有裂縫形狀與通常所見的沉降裂縫形狀又有所不同，所有裂縫都是沿著柱子的對(duì)角線方向，與 Y 方向成 45° 角延伸分布。裂縫在柱子角的近端較寬，而遠(yuǎn)端漸漸變細(xì)，裂縫最寬的地方大于 0.5 mm 左右，最長(zhǎng)的裂縫有 2 500 mm。同一條裂縫在樓板面寬度較大，在樓板底較細(xì)。有一部分裂縫還沒有貫穿，僅在樓板面上產(chǎn)生，還沒有發(fā)展到樓板底。在此稱為非典型性混凝土樓板裂縫。

(2)非典型性混凝土樓板裂縫由基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生。選取裂縫比較集中的區(qū)塊進(jìn)行研究，取圖示柱網(wǎng)(見圖 3)。在 53 號(hào)柱的縱橫兩軸線上的 42、64 號(hào)和 52、54 號(hào)四個(gè)柱子都有數(shù)量不等的裂縫。53 號(hào)柱承臺(tái)是一個(gè)四樁承臺(tái)，其 4 枚樁工程編號(hào)分別是 194#、195#、196#、197#。根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工記錄，現(xiàn)場(chǎng)施工樁端入土深度為 194# 樁 17 m、195# 樁 17 m、196# 樁 16.5 m、197# 樁 16.7 m。在場(chǎng)地地質(zhì)工程勘察中，最靠近 53 號(hào)柱承臺(tái)的鉆探孔是 ZK16 孔，是取土樣鉆探孔。ZK16 孔座標(biāo) X=33 368.98，Y=89 798.51。ZK16 孔與 53 號(hào)承臺(tái)距離是 X=5.7 m、Y=4.5 m。ZK16 孔換土深度至4-1 層即全風(fēng)化巖層為 17 m。從 ZK16 孔的 X、Y 剖面圖中可以看到，4-1 層的深度曲線沿著 X、Y 正方向都是向下走勢(shì)(見圖 4 和圖 5)。圖中粗線表示 53 號(hào)承臺(tái)樁的位置。

圖 3 混凝土樓板裂縫大樣圖

圖 4 ZK16孔X方向4—4工程地質(zhì)剖面圖

圖 5 ZK16孔Y方向8—8工程地質(zhì)剖面圖

顯而可見，53 號(hào)承臺(tái)樁的位置 4-1 層底深度比 ZK16 孔取土樣 4-1 層底深度要深，所以 194#、195#、196#、197# 4枚樁端均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求(進(jìn)入 4-2 層不小于 500 mm)。4 枚樁的樁端都還在 4-1 全風(fēng)化層，沒有進(jìn)入 4-2 強(qiáng)風(fēng)化層，更沒有進(jìn)入 4-2 層 500 mm 深度。這樣 53 號(hào)柱就不可避免會(huì)發(fā)生較大沉降。不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，特別是剛度較差的混凝土樓板，在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生開裂。

3 地基剪切破環(huán)形式

基礎(chǔ)沉降的原因是由地基土被壓縮或剪切破壞而造成的。一般有三種形式：整體剪切破壞、沖切剪切破壞、局部剪切破壞。

(1)整體剪切破壞時(shí)，地基土有明顯的側(cè)向膨脹現(xiàn)象，這時(shí)滑裂體整體地沿著滑裂面?zhèn)认蚧?，地基失去穩(wěn)定，剪切破壞面延伸到地表面，地表面明顯隆起，致使基礎(chǔ)沉降急驟增加，繼而其中一側(cè)的滑裂體失去平衡，導(dǎo)致基礎(chǔ)嚴(yán)重傾斜。

(2)沖切剪切破壞是當(dāng)?shù)鼗潦艿郊虞d時(shí)，地基土壓縮性高，地基土被連續(xù)壓縮，基礎(chǔ)隨著下降，當(dāng)荷載達(dá)到定值，地基在垂直面上發(fā)生破壞，滑裂面向下發(fā)展，這時(shí)地面不會(huì)隆起，基礎(chǔ)傾斜也不明顯。

(3)局部剪切破壞其特征介于整體剪切和沖切剪切破壞之間，滑裂面發(fā)展雖具有整體剪切破壞特點(diǎn)，但不延伸到地面，地面隆起不明顯，基礎(chǔ)傾斜也不明顯。

4 管樁入土深度與承載力變化關(guān)系

從場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告預(yù)制樁設(shè)計(jì)參數(shù)建議值中可知樁的入土深度在 16 m＜h≤30 m 時(shí)，4-1 層全風(fēng)化巖層的樁端阻力特征值 qpa=4 500 kPa，4-2 層強(qiáng)風(fēng)化巖層的樁端阻力特征值 qpa=5 500 kPa。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入 GB 50007一2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的單樁豎向承載力特征值計(jì)算公式：

式中：up為樁身周長(zhǎng)(m)；qsia為樁側(cè)第 i 層土的側(cè)阻力特征值(kPa)； li為樁穿越第 i 層土的厚度(m)；qpa為樁端阻力特征值(kPa)； Ap為樁底端橫截面面積(m2)。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)樁端進(jìn)入 4-1 層全風(fēng)化層時(shí)，Ra=1 844 kPa；當(dāng)樁端進(jìn)入 4-2 層強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)，Ra=2 127 kPa。由此可見，樁端進(jìn)入 4-1 層全風(fēng)化層比進(jìn)入 4-2 層強(qiáng)風(fēng)化層的單樁豎向承載力特征值要下降 13.3%。

5 水泥攪拌樁施工對(duì)地基土的破壞分析

(1)水泥攪拌樁施工入土深度 8.00 m，噴漿、攪拌提升四攪四噴。攪拌樁樁機(jī)鉆頭葉片在重復(fù)下沉提升攪拌的過程中，對(duì)地基土的結(jié)構(gòu)造成破壞，在攪拌樁樁身范圍內(nèi)的地基土結(jié)構(gòu)被完全改變。不僅如此，攪拌機(jī)對(duì)土體產(chǎn)生的破壞力和水泥漿的壓力還會(huì)擴(kuò)散滲透至 3 倍攪拌樁樁徑的土體范圍內(nèi)，使該范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土的物理性能被改變，特別是土的密實(shí)度將大大降低，孔隙比上升。

(2)樁側(cè)阻力的大小與樁周土的性質(zhì)緊密相關(guān)，在影響樁側(cè)阻力的諸多因素中，樁周土的作用是最為重要和最大的。樁周土的強(qiáng)度與樁側(cè)阻力呈線性關(guān)系，也就是說樁周土的強(qiáng)度越高，那么樁側(cè)阻力也越大。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工結(jié)束后，接著就開始進(jìn)行攪拌樁的施工，使地基土的結(jié)構(gòu)遭受破壞，強(qiáng)度下降，樁側(cè)阻力隨之大幅度降低。

(3)53# 柱承臺(tái)的 4 枚預(yù)應(yīng)力混凝土管樁 194#、195#、196#、197# 與攪拌樁的距離都在 1 500 mm 左右，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工完成后，馬上進(jìn)行攪拌樁的施工，攪拌樁施工過程中葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力和攪拌機(jī)鉆頭下沉提升的作用力，以及水泥漿的壓力都會(huì)對(duì)攪拌樁樁徑 3 倍距離范圍內(nèi)的地基土產(chǎn)生破壞作用，由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與攪拌樁距離過近，都落在地基土被破壞的范圍之內(nèi)，因此，這種破壞作用傳遞到預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的樁身周圍土體，極大地降低了管樁的側(cè)阻力。甚至在攪拌樁的深度范圍內(nèi)會(huì)全部損失預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的側(cè)阻力。

若以攪拌樁深 8 m 計(jì)算，則樁側(cè)阻力=up∑qsiali=333 k Pa

式中：up為樁身周長(zhǎng)(m)；qsia為樁側(cè)第 i 層土的側(cè)阻力特征值(kPa)； li為樁穿越第 i 層土的厚度(m)。

這時(shí)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的單樁豎向承載力特征值進(jìn)一步下降，下降幅度為 20.5%。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，非典型性混凝土樓板裂縫是由基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生的，而引起基礎(chǔ)不均勻沉降有兩種原因。一是存在有些預(yù)應(yīng)力混凝土管樁入土深度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求的持力層深度情況，因此降低了單樁承載力特征值。二是攪拌樁的施工對(duì)樁周土結(jié)構(gòu)的破壞損失了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的側(cè)阻力，從而降低單樁承載力特征值。當(dāng)兩種情況疊加時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的單樁承載力特征值將降低 33.8%。53# 柱承臺(tái)就會(huì)發(fā)生較大沉降，從而在附圖 3 所示的范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)以 53# 柱為中心的下凹變形狀態(tài)。在 53# 柱下沉?xí)r，由于受到了 52#、64#、54#、42# 柱的約束，變形應(yīng)力便集中在混凝土結(jié)構(gòu)最薄弱的樓板上，使樓板發(fā)生開裂。而 53# 柱位于由 52#、64#、54#、42# 四個(gè)柱子構(gòu)成的正方形的對(duì)角線上，所以裂縫沿著45° 分布。這就是產(chǎn)生非典型性混凝土裂縫的根本原因。

為避免在類似工程中發(fā)生非典型性混凝土樓板裂縫的質(zhì)量缺陷，建議采取如下措施。

(1)切實(shí)加強(qiáng)工程施工質(zhì)量監(jiān)督管理，確保每枚預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的入土深度和單樁極限承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(2)在柱子的四周板面增設(shè)與柱子對(duì)角線正交的加強(qiáng)鋼筋，以抵抗由于不均勻沉降而產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

(3)取消地面的攪拌樁，保持地基土的原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)，避免預(yù)應(yīng)力混凝土管樁側(cè)阻力的損失，當(dāng)?shù)鼗翉?qiáng)度不能滿足地面承載力使用要求時(shí)，將一層地面改為梁板結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張雄，張小偉，李旭峰.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫防治技術(shù) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]楊懷偉，戚貴成.軟弱地基基礎(chǔ)不均勻沉降原因分析及預(yù)防措施[DB/OL]. 2011.

[3]張志濤.預(yù)應(yīng)力混凝管樁的承載力研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué)，2009.

[4]關(guān)云飛，趙維炳，唐彤芝.水泥攪拌樁的施工擾動(dòng)效應(yīng) [J].路基工程，2009(5).

中圖分類號(hào)：F407.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1007-4104(2014)10-0034-04

收稿日期：2014-06-22

通信地址：廣東省廣州市從化環(huán)市東路166號(hào) 廣州城建職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院。