徐郁峰 蔡應杰
(華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州 510640)
超長地下結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生原因及防治措施探討
徐郁峰 蔡應杰
(華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州 510640)
結(jié)合實踐經(jīng)驗,從混凝土收縮、溫度效應、材料選擇、施工技術、自然環(huán)境等方面,分析了超長地下結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生原因,并探討了裂縫的防治措施,從而保證地下結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量。
地下結(jié)構(gòu)裂縫,混凝土,溫度效應,防治措施
伴隨著社會發(fā)展,有很多工程出現(xiàn)超大型的地下室,其長度達到了200 m甚至300 m。在早期的設計中,此類結(jié)構(gòu)都有設置伸縮縫,即采用建筑防水的方法。但實踐中發(fā)現(xiàn),在后期的使用階段,伸縮縫處經(jīng)常出現(xiàn)大量滲水的情況。由于伸縮縫的材料壽命一般小于結(jié)構(gòu)設計年限且更換十分困難,伸縮縫處一旦漏水,封堵處理非常困難,往往隨堵隨漏,特別是在地下室層數(shù)較多、地下水位較高時,底板處水頭很高,滲水更加嚴重?!陡咭?guī)》第4.3.13條規(guī)定:當采取適當?shù)臉?gòu)造措施和施工措施減少溫度和混凝土收縮對結(jié)構(gòu)的影響時,可適當放寬伸縮縫的間距。為滿足建筑的功能與防水等要求,越來越多的超長地下結(jié)構(gòu)增大了伸縮縫的設置間距,甚至不設縫。實際上,目前很多設計都采用了無縫的超長地下結(jié)構(gòu):廣州中華廣場(地下室及裙樓為168 m×137 m,1999年落成)、昆明柏聯(lián)廣場(地下室及裙樓為113 m×84 m,2000年落成)、沈陽百佳廣場(120 m×80 m,2001年落成)均未分縫。
但是,不設縫的超長混凝土地下室結(jié)構(gòu)同樣可能會面臨結(jié)構(gòu)開裂滲水的問題。超長混凝土地下室結(jié)構(gòu)在溫度和混凝土收縮等作用下,會產(chǎn)生大量裂縫,影響結(jié)構(gòu)耐久性。開裂發(fā)展嚴重后,會產(chǎn)生滲水、漏水現(xiàn)象,嚴重影響建筑的使用,裂縫的開展甚至會降低結(jié)構(gòu)承載力(連續(xù)結(jié)構(gòu)變成多跨鉸接結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)抗剪承載力降低等)。同時,由于超長地下室結(jié)構(gòu)埋在地下,結(jié)構(gòu)開裂后修補困難、投資巨大,且不易根治。因此,對超長地下結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生原因分析及提出防治措施十分必要。
1.1 混凝土收縮
混凝土收縮是混凝土的主要特性之一,指的是混凝土在凝結(jié)初期或硬化過程中,在不受外力的情況下出現(xiàn)體積縮小的現(xiàn)象。由于混凝土的早期強度低,收縮產(chǎn)生的微觀裂縫一旦發(fā)展,就易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。收縮裂縫在大體積混凝土中發(fā)生比率較高,裂縫形式多為規(guī)則條狀,往往與受力鋼筋平行?;炷潦湛s量的大小主要與混凝土本身的配合比及外界環(huán)境因素有關。一般水灰比越大,收縮越大,養(yǎng)護環(huán)境的溫度與濕度越大,收縮越小。同時影響收縮的因素還包括選用的水泥標號與種類、混凝土的施工質(zhì)量、構(gòu)件的體積與表面積比等。
1.2 溫度效應
在降溫工況下,根據(jù)熱脹冷縮的規(guī)律,結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生收縮,當?shù)叵率业装寤炷恋臏囟仁湛s受到抗側(cè)力構(gòu)件或者土的約束時,構(gòu)件中便會產(chǎn)生拉應力,當拉應力大于混凝土的開裂應力時,結(jié)構(gòu)便會開裂。在升溫工況下,由于混凝土表面的溫度與混凝土內(nèi)部的溫度存在差異,當混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度梯度過大時,由于混凝土本身邊界條件的限制,混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生壓應力,而表面會產(chǎn)生拉應力,從而導致混凝土結(jié)構(gòu)表面開裂。一般溫度變化越大、約束越強的結(jié)構(gòu)越容易產(chǎn)生溫度裂縫。
1.3 混凝土材料選擇
混凝土材料選擇的影響主要體現(xiàn)在兩個方面:影響混凝土的收縮量大?。挥绊懟炷恋目估瓘姸?。在混凝土使用的主要材料中:一般礦渣水泥收縮比普通水泥收縮大,粉煤灰水泥及礬土水泥收縮較小,快硬水泥收縮較大;砂巖作骨料時收縮大幅度增加,粗細骨料中含泥量越大,收縮越大,混凝土的抗拉強度越低;骨料粒徑越粗,收縮越小,骨料粒徑越細,砂率越高,收縮也越大。
1.4 施工原因
超長地下混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生與施工質(zhì)量及施工順序也有很大關聯(lián)。首先,施工過程中的施工縫或后澆帶交界界面處理不當、混凝土振搗不實、養(yǎng)護不當、混凝土配置時配合不準確等原因都會造成混凝土質(zhì)量下降,降低混凝土抗拉強度或增大混凝土的早期收縮變形,從而導致開裂滲水的現(xiàn)象產(chǎn)生。施工過程中澆筑混凝土的順序不當,一次性澆筑較多體積的混凝土時,可能導致混凝土早期的內(nèi)部約束較大,繼而產(chǎn)生較大的收縮應力,造成開裂。
1.5 其他因素(環(huán)境)
環(huán)境越干燥、收縮越大,早期采用泡水養(yǎng)護可以減少混凝土的收縮應力,但突然斷水后會產(chǎn)生較大的收縮應力,從而導致開裂;環(huán)境中風速對混凝土的收縮也有影響,風速越大,收縮越大。同時,研究發(fā)現(xiàn)盡早對開挖的土進行回填,封閉房屋和裝修對混凝土的裂縫控制與防水都十分重要。
2.1 合理設計,優(yōu)化構(gòu)造
由于約束是影響溫度變化工況下混凝土開裂的一個重要因素,太強的約束會造成結(jié)構(gòu)在約束附近更易開裂。因此在設計時,不應一味增大墻、柱子的約束剛度,采用橫向分布筋等整體柔性約束可以減少開裂的可能性。同時,可以采用設置伸縮溝等構(gòu)造,減小底板的水平約束剛度。通常的伸縮溝在構(gòu)造上,是把頂板、底板、側(cè)壁局部做成U型結(jié)構(gòu),利用U型結(jié)構(gòu)良好的變形能力來抵抗變形,在構(gòu)造上伸縮溝的側(cè)壁應做得盡量高,厚度做得盡量薄,同時配置數(shù)量多而間距密的受力筋,使其成為既柔軟又強韌的伸縮元件。若底板下為堅硬土層或巖層,底板變形會受到巖石的摩擦約束,此時應將伸縮溝的間距適當減小,必要時需采取措施(如采取柔性防水,在底板與巖層間加一層砂層等)減少底板與巖石的摩擦效應,如底板下為較軟的土層,則其約束較小,伸縮溝的間距可適當放松。
2.2 選擇合適的原材料及配合比
合理的混凝土原材料的選擇及配合比設計可以減少甚至避免結(jié)構(gòu)后期開裂的可能性。地下室底板宜采用普通硅酸鹽水泥、選用大減水率的混凝土減水劑,降低水灰比,從而減少混凝土的早期收縮。同時,地下室底板的泵送混凝土的坍落度不宜太大。采用添加膨脹劑的方法也可以降低早期收縮的影響,但這對溫度應力造成的開裂滲水作用不大。高強度混凝土徐變小,應力松弛低,脆性高并容易引起開裂,應根據(jù)結(jié)構(gòu)需要選擇合適強度標號的混凝土,梁、板、墻一般混凝土強度宜采用C25~C35,盡可能不超過C40。如遇有不可避免的高強度的大體積混凝土時,應當利用后期90 d強度。
2.3 優(yōu)化施工順序與施工方法
首先,施工中應采取必要的施工質(zhì)量保證措施,保證混凝土的澆筑質(zhì)量與養(yǎng)護環(huán)境滿足要求。施工過程中,應避免雨天澆筑混凝土;混凝土不宜過早拆模;做好早期保濕養(yǎng)護;澆筑混凝土時
做好施工縫交接處的表面處理;振搗混凝土時避免超振。
其次,可以通過合理設置后澆帶的方法,減少混凝土早期收縮造成的裂縫,混凝土的收縮大部分集中在初期,混凝土大部分收縮完成后,再進行后澆帶封閉。另外施工時可采取跳倉施工的方法進行混凝土澆筑。
針對超長地下結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因,可以從優(yōu)化設計及構(gòu)造、合理選擇原材料和混凝土配合比、保證施工質(zhì)量、優(yōu)化施工順序等多方面入手,根據(jù)工程實際情況,綜合采用上述措施,從而達到控制裂縫產(chǎn)生及發(fā)展的目的,保證地下結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量與使用壽命。
[1] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.
[2] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].
[3] 傅學怡,吳 兵.混凝土結(jié)構(gòu)溫差收縮效應分析計算[J].土木工程學報,2007,40(10):50-59.
Exploration on super-long underground structure cracking causes and its preventive measures
Xu Yufeng Cai Yingjie
(CollegeofCivil&Traffic,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)
Combining with practical experience, starting from aspects of concrete shrinkage, temperature effect, material selection, construction technology and natural environment, the paper analyzes super-long underground structure cracking causes, and explores its preventive measures, so as to guarantee the underground structure engineering quality.
underground structure cracks, concrete, temperature effect, preventive measures
1009-6825(2017)01-0048-02
2016-10-22
徐郁峰(1976- ),男,副教授; 蔡應杰(1991- ),男,在讀碩士
TU312.3
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