黏土地基膨脹導(dǎo)致樁身傾斜引起結(jié)構(gòu)裂縫分析

胡春英 胡斌斌 涂 斌

1 工程概況[1]

1)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。興建于 20世紀(jì) 90年代的某大學(xué)教學(xué)綜合樓，建筑平面呈工字形，前樓 3層為階梯形教室，后樓 8層為教學(xué)綜合樓，前后樓之間用廊道連接，總建筑面積近10 000m2，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，設(shè)防烈度為 7度，抗震等級(jí)取 3級(jí)。2)地質(zhì)條件。地層構(gòu)造如下:①雜填土:由灰褐到褐紅色，層厚0.1m～1.2m，由松軟到中密，含有植物根與建筑垃圾。②黏土:由褐色到褐紅色，局部夾細(xì)砂，發(fā)育較完整，土質(zhì)較均勻，平均厚度約6m。③砂質(zhì)黏土:以細(xì)、中砂為主要成分，層厚1.5m～2.5m，由褐色到紅色;中實(shí)，飽和，可塑;含氧化鐵成分。④黏土夾漂石:紅色，厚度不均，最大厚度為5m。⑤第三系風(fēng)化巖:褐紅色，較完整。3)施工概況。a.人工挖孔樁由專門隊(duì)伍負(fù)責(zé)施工，按規(guī)范操作，質(zhì)量監(jiān)控正規(guī)，檢測(cè)工作到位，竣工驗(yàn)收合格。b.雖然沒有完整的施工組織設(shè)計(jì)，且施工過程中發(fā)生過塔吊操作失誤，行車塌落傷人等重大事故，也出現(xiàn)過拆模過早的現(xiàn)象。但是框架梁、柱和樓、屋面板等主體構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度，所用鋼材材質(zhì)的物理化學(xué)性能均符合規(guī)范要求，說明施工方面不存在大問題。

2 裂縫現(xiàn)狀

1)主體竣工時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的任何結(jié)構(gòu)裂縫;2)工程進(jìn)入裝修階段后，前后樓同時(shí)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫現(xiàn)象:a.前樓結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)在樓板的支座線附近，裂縫走向與支座(主框架梁)平行，縫寬在0.2mm以上，肉眼可見。b.前樓 2層，3層衛(wèi)生間漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，根本無法投入使用。c.后樓以墻面裂縫最為突出，東西山墻面上出現(xiàn)罕見的“之”字形裂縫和分枝狀裂縫。每條裂縫蜿蜒曲折，長(zhǎng)達(dá)數(shù)米。裂縫深度從面磚灰縫表皮一直貫通到墻體深部。d.除山墻外，其他內(nèi)外墻面均可見到裂縫，但以底層裂縫最為嚴(yán)重。e.由于結(jié)構(gòu)裂縫和樓屋面滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重，在建成以后一段時(shí)期，不敢投入教學(xué)使用。

3 機(jī)理分析

3.1 裂縫產(chǎn)生的特殊性[2]

1)框架填充墻理論上并不受力，填充墻上出現(xiàn)奇異裂縫，必然是框架梁、柱出現(xiàn)整體變形，迫使框架節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)角變位，從而使填充墻受擠，因此，必然存在奇特原因。2)整體框架，尤其是設(shè)計(jì)安全水準(zhǔn)偏高(按抗震設(shè)防)的框架，縱梁支座和板支座附近的負(fù)彎矩區(qū)，一般也由于塑性變形的影響，負(fù)彎矩值比理論計(jì)算值偏低，不應(yīng)在此處出現(xiàn)裂縫。之所以在這里出現(xiàn)裂縫，也證明是框架出現(xiàn)整體變形所致，因此，必然存在特殊原因。

3.2 裂縫合成的必然性

1)墻面上出現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)狀的“之”字形裂縫和分叉形樹枝狀裂縫，必然有一組與裂縫產(chǎn)狀(裂縫方向)相對(duì)應(yīng)的主拉應(yīng)力存在。

2)框架出現(xiàn)整體變形的可能性一般是框架柱出現(xiàn)傾斜，使填充墻的一側(cè)邊受到擠壓力，上框架梁出現(xiàn)荷載條件下的正常撓曲變形，使填充墻墻頂?shù)目缰?1/2區(qū)域范圍內(nèi)受到垂直壓力，而墻頂?shù)膬蓚€(gè)角區(qū)附近出現(xiàn)上拔力(由墻頂粘著力產(chǎn)生);下框架梁(或地基梁)則出現(xiàn)上凸撓曲變形，填充墻的底部為了與地基梁的變形協(xié)調(diào)，則必在墻上產(chǎn)生與主拉應(yīng)力相適應(yīng)的倒八字形裂縫。墻底部分的倒八字形裂縫與由墻頂?shù)拇怪眽毫?重力)或向上拔力和墻側(cè)柱身傳來的水平擠壓力合成的主拉應(yīng)力引起的裂縫組合以后，就必然形成墻面的“之”字形裂縫或樹枝狀裂縫，如圖 1所示。

3)框架柱出現(xiàn)傾斜變形后，主框架梁身亦出現(xiàn)向一側(cè)傾斜，因而使一側(cè)的樓板面有下抑趨勢(shì)，板支座附近的負(fù)彎矩值衰減，而另一側(cè)的板面有上翹趨勢(shì)，板面負(fù)彎矩值激增，從而使裂縫首先在這里出現(xiàn)，裂縫走向與主框架梁平行，如圖 2所示。

4 原因認(rèn)定

從以上的結(jié)構(gòu)裂縫機(jī)理分析認(rèn)定了墻面裂縫和板面裂縫的原因是由于框架出現(xiàn)傾斜變形，因此必須再找出框架柱出現(xiàn)傾斜變形的原因[3]。

1)從工程地質(zhì)條件可以認(rèn)定，第三系紅黏土必然屬于具有一定膨脹勢(shì)能的膨脹土，6m厚的紅黏土夾在上下兩個(gè)含水層之間，一旦吸水膨脹，必然會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的各向異性的膨脹壓力。2)人工挖孔樁的施工工藝是分段掘進(jìn)(下挖)，分段澆筑薄層鋼筋混凝土護(hù)壁，澆筑條件困難，混凝土施工縫多，必然形成鋼筋混凝土挖孔樁樁身與土體之間的輸水通道，將上、下含水層中的水體輸入黏土層，起到引“狼”入室的作用。3)可以認(rèn)定，紅黏土吸水膨脹產(chǎn)生的膨脹壓力就是導(dǎo)致人工挖孔樁樁身和框架柱傾斜的唯一原因。4)可以認(rèn)定，填充墻墻面裂縫、樓屋面板上裂縫主要也是由膨脹土地基的破壞作用引起。另外施工管理不善，施工質(zhì)量方面也可能存在一些問題，但決不是引起墻面和板面裂縫的原因。

5 安全評(píng)估

1)由于通過樁身周圍的護(hù)壁輸水并進(jìn)入黏土層有一個(gè)緩慢的時(shí)間過程，因此膨脹破壞作用的出現(xiàn)就要滯后很多。所以結(jié)構(gòu)裂縫現(xiàn)象往往出現(xiàn)在主體結(jié)構(gòu)竣工以后一段較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)。2)樁周一定范圍內(nèi)的土體吸水、膨脹并軟化以后，會(huì)成為一個(gè)不能傳遞膨脹壓力的緩沖區(qū)，對(duì)樁身起了緩沖、保護(hù)作用。因此當(dāng)樁與柱的傾斜變形和結(jié)構(gòu)裂縫現(xiàn)象發(fā)展到一定程度后，就會(huì)穩(wěn)定下來，不會(huì)無限度的發(fā)展下去。3)在軟化緩和區(qū)的外圍，形成了一個(gè)膨脹勢(shì)能釋放區(qū)，膨脹壓力會(huì)向外圍，向下層土，尤其是向抵抗力最弱的上層覆蓋土爆發(fā)，因此會(huì)對(duì)底層地面引起長(zhǎng)期的、持續(xù)的隆起破壞作用。

[1] 謝征勛.工程事故分析與工程安全[M].北京:北京大學(xué)出版社，2006.

[2] 冼賢均.軟黏土地基堤防處理方案的選擇[J].施工技術(shù)，2009(5):121-122.

[3] 馬 凱，張嬋嬋.某工程樁身檢測(cè)存有三類樁的案例分析[J].山西建筑，2010，36(14):116-117.