某電站業(yè)主營地場地裂縫成因分析

張 順

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

地基穩(wěn)定性問題包括地基承載力和地基變形兩部分。若承載力不夠,將可能引起地基變形過大,輕則使場地、建筑物出現(xiàn)裂縫,重則建筑物傾斜、倒塌,甚至地基剪損而發(fā)生滑動破壞,威脅建筑物正常使用及人民生命財產(chǎn)的安全[1-3]。

某電站業(yè)主營地位于臨江斜坡上,占地約3 884 m2,主要建筑物有辦公樓(4層),在場地的西南側(cè);生活樓(食堂處2層、宿舍處4層),在場地的東北側(cè),辦公樓、宿舍樓均為現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)(圖1)。工程基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ),并設(shè)有基礎(chǔ)梁。持力層為碎石層,地基承載力特征值fak≥180 kPa;要求基礎(chǔ)回填土應(yīng)分層夯實回填,每次回填厚度≤30 cm。營地建成投入使用后,在辦公樓和生活樓周圍地面及樓體上產(chǎn)生了裂縫。

在全面收集營地巖土勘察資料、建筑物設(shè)計、地質(zhì)災(zāi)害評估、地震、水文等資料的基礎(chǔ)上,通過場地范圍內(nèi)的地質(zhì)調(diào)查、鉆孔巖芯、原位測試及取樣試驗,并通過數(shù)值計算工作,綜合分析場地裂縫成因機(jī)制,并提出相應(yīng)工程處理措施建議。

1 基本地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

營地位于斜坡上,天然地形較為平坦,高程在1 991～1 998.2 m,平均坡度4°～8.5°,總體呈西高東低趨勢。場地設(shè)計地坪高程1 996 m,在辦公樓東側(cè)、生活樓中部至東側(cè)擋墻的范圍內(nèi),天然地形高程均<1 996 m,其中東側(cè)墻部位天然高程最低,為1 991～1 992 m。

圖1 營地工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Plane map of camp engineering geology1.人工土;2.殘坡積土;3.巖性分界線(虛線為推測);4.挖、填方分界線1 996 m高程;5.鉆孔編號場地輪廓線、外擋墻;7.建筑物;8.探坑及其編號;9.剖面位置及其編號。

1.2 地層巖性

表1 營地部分土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計匯總表Table 1 Statistical summary of physical and mechanical properties of some soil layers in camp

1.3 水文地質(zhì)條件

場區(qū)內(nèi)穩(wěn)定地下水預(yù)計埋深60 m?？辈熘杏袃商幏e水,其中坑槽TK5由于生活用水管破裂,導(dǎo)致挖掘中槽底不斷積水;ZK05鉆孔孔深1.4 m處也有積水,這由于廚房用水滲漏所致。

1.4 不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查,現(xiàn)工程區(qū)不良地質(zhì)作用不發(fā)育。場地整體穩(wěn)定性較好,未發(fā)生場地整體剪切破壞變形。

2 場地裂縫特征

2.1 辦公樓區(qū)場地裂縫

辦公樓區(qū)墻體外側(cè)地面混凝土有沉降破壞現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為辦公樓四周角點柱體部位散水混凝土下沉、拉裂;側(cè)墻部位主要為下沉,散水混凝土與樓體混凝土結(jié)構(gòu)脫開1～2 cm;辦公樓值班室門口混凝土臺階因地基下沉而錯裂。辦公樓東北大廳墻體裝飾瓷磚發(fā)育兩處裂縫,觀測紙條歷時一年均未被拉裂、錯動,說明辦公樓體及地基基本沒有大的變形。

對地基來說,地基產(chǎn)生了不均勻沉降,不同部位沉降量不同。南端、西側(cè)為原狀土,北端、東側(cè)為填方,北端沉降量大于南端,東側(cè)沉降量大于西側(cè),因此,填方部分沉降大于挖方及原狀土部分。

2.2 生活樓區(qū)場地裂縫

生活樓的沉降變形情況較辦公樓區(qū)嚴(yán)重。填方部位大于挖方及原始地形,生活樓四周散水混凝土普遍下沉而產(chǎn)生沉降縫,其沉降量最大的部位為生活樓大門以東至食堂部位,最大沉降量可達(dá)15～20 cm(圖3)。在一樓東側(cè)至食堂部位,受地基沉降影響,裝飾地板磚普遍翹起、錯裂。

圖3 生活樓區(qū)橫2剖面圖Fig.3 Cross-section of No.2 in living area1.角礫;2.粉質(zhì)粘土;3.碎石;4.巖性分界線(虛線為推測);5.鉆孔編號地基回填前地形線。

2.3 場地平面裂縫

場地辦公樓南端所處的部位基本沒有變形,往北經(jīng)辦公樓至生活樓沉降變形越嚴(yán)重,沉降量由1～2 cm增至生活樓區(qū)的10～20 cm;場地西側(cè)變形較輕微,即辦公樓西側(cè)墻、生活樓西端,其散水混凝土下沉與樓體混凝土脫開,產(chǎn)生的沉降縫寬1～3 cm,往東其沉降變形越來越嚴(yán)重,沉降量亦隨之增大,生活樓中部沉降量10～20 cm,至東側(cè)擋墻附近沉降量可達(dá)40 cm(圖4)。

圖4 食堂處部分梁與地基脫開Fig.4 The partial beam of the canteen removed from the foundation

場地食堂東側(cè)擋墻附近沉降破壞較為嚴(yán)重,已進(jìn)行了換填處理,挖除了變形破壞的回填角礫層,重新?lián)Q填后形成的混凝土地坪,目前基本沒有變形破壞現(xiàn)象。

3 試驗研究

3.1 動力觸探試驗

② 層回填角礫:生活樓周圍4個鉆孔該層錘擊數(shù)為0.67～5.25,生活樓中東部地層承載力特征值<150 kPa,變形模量<10 MPa。綜合樓前鉆孔ZK1、ZK2位置處錘擊數(shù)在4.33～10.93間,可見綜合樓附近該土層強(qiáng)度較明顯大于生活樓處,承載力特征值為140～200 kPa,變形模量9～15 MPa。

③ 層粉質(zhì)粘土:該層錘擊數(shù)一般為1.25～5.29,承載力特征值為130～150 kPa。

④ 層碎石:該層錘擊數(shù)一般為10.6～19.36,較深度部多>50擊。承載力特征值為400 kPa,變形模量40～45 MPa。

3.2 土層試驗

對②層回填角礫進(jìn)行試驗12組,現(xiàn)場測定含水量及密度,后又分別取擾動試樣進(jìn)行室內(nèi)顆粒分析、抗剪和擊實試驗等。回填角礫干密度ρd為1.88～1.97 g/cm3,均值1.92 g/cm3;擊實試驗采用三層重型擊實,最大干密度ρdmax在2.12～2.20 g/cm3,均值2.18 g/cm3,ρd/ρdmax在0.88左右,可見②層回填角礫密實度低,可壓縮性強(qiáng)(表1)。

現(xiàn)場?、蹖臃圪|(zhì)粘土不擾動土樣8組進(jìn)行了室內(nèi)常規(guī)土分析。生活樓中東部土體呈硬塑—可塑狀態(tài),場地其它位置呈堅硬—硬塑狀態(tài)。土體天然密度一般1.78～1.93 g/cm3,均值1.86 g/cm3,壓縮模量0.16～0.42 MPa-1,均值0.28 MPa-1,具有中等壓縮性(表1)。

4 場地裂縫成因機(jī)制

4.1 場地裂縫破壞類型

場地不同部位沉降量大小不一,變形破壞類型為不均勻沉降變形。

4.2 場地裂縫產(chǎn)生原因

辦公樓、宿舍樓目前未發(fā)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)由于地基承載力不足或不均勻沉降導(dǎo)致的不良地質(zhì)現(xiàn)象,表明辦公樓、宿舍樓房屋的地基基礎(chǔ)穩(wěn)定,無明顯靜載缺陷。說明建筑物柱下獨立基礎(chǔ)地基持力層為碎石,滿足設(shè)計要求。

在辦公樓東側(cè)、生活樓中東部,沉降變形均為散水混凝土相對于柱體下沉,柱均沒有變形。沉降變形主要發(fā)生在地梁下部地基土上。

首先回填角礫密實度低、結(jié)構(gòu)松散,密實度未達(dá)到設(shè)計要求,在自重或上部混凝土結(jié)構(gòu)等荷載作用下,產(chǎn)生土體壓縮變形,地基與地梁脫開架空,進(jìn)而引起上部部分墻體產(chǎn)生了破壞。

其次生活用水滲漏。生活用水滲漏致土層中含水量增大,增加了土體荷載,軟化土中石質(zhì)成分,降低土的強(qiáng)度和承載力,加劇了土層的沉降變形。場地中綜合樓東部回填角礫強(qiáng)度較明顯大于生活樓中東部,沉降量也相對較小;而生活樓東部TK5、ZK5勘探點附近,有積水出露,是場地沉降量比較大的部位。

4.3 數(shù)值計算驗證

根據(jù)上述場地土層的厚度、含水量及力學(xué)性質(zhì),分區(qū)建立三維模型,進(jìn)行土層固結(jié)沉降計算(圖5)。

圖5 場地地基沉降量計算云圖Fig.5 Cloud chart of ground settlement calculation

計算結(jié)果與實際觀測相吻合,辦公樓、宿舍樓西側(cè)挖方區(qū)沉降變形輕微,宿舍樓東部、食堂樓沉降10～20 cm,東側(cè)擋墻附近沉降最為顯著,最大達(dá)35～40 cm,而食堂樓東側(cè)場地土層由于已經(jīng)被換填處理,地基土幾乎無沉降;地基沉降變形主要由回填角礫產(chǎn)生,沉降變形與回填角礫物理力學(xué)性質(zhì)有很強(qiáng)的相關(guān)性(圖5)。

5 場地裂縫處理建議

生活樓中東部部分地梁長時間懸空,將會引起房屋結(jié)構(gòu)變形甚至破壞,而不能正常使用。加之生活用水及雨水持續(xù)下滲,不斷惡化土層強(qiáng)度指標(biāo),進(jìn)而危及場地整體穩(wěn)定性。因此,需對場地變形裂縫及下沉的地梁下土層進(jìn)行工程處理。

(1) 生活樓中東部處理:對空隙用塊石、碎石進(jìn)行回填并預(yù)埋灌漿管,回填完成后固結(jié)灌漿,增大土體強(qiáng)度,避免土體沉降。

(2) 場地區(qū)沉降裂縫封閉:地坪上混凝土分縫處裂縫、辦公樓和生活樓散水處沉降裂縫等進(jìn)行全部修復(fù)封閉,有效阻止雨季雨水的滲漏。

(3) 場地區(qū)排水系統(tǒng)維修、恢復(fù):場地內(nèi)排水系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查,對破損部位進(jìn)行修復(fù),對淤積、堵塞部位進(jìn)行疏通,確保場地排水系統(tǒng)暢通。

(4) 食堂區(qū)防滲處理:建議改善或修復(fù)食堂操作間的隔水、排水設(shè)施,防止污水滲漏。

6 結(jié)論

(1) 場地裂縫反映了場地地基的不均勻沉降變形破壞,不均勻沉降與場地原始地形及回填角礫的性質(zhì)具有一致性。

(2) 場地沉降變形主要是回填角礫固結(jié)沉降導(dǎo)致的?；靥罱堑[厚度不一,密實度低;部分生活用水滲漏,增大土體荷重,降低土體強(qiáng)度,由此產(chǎn)生了較大的沉降變形,數(shù)值計算結(jié)果與場地變形特征相吻合。

(3) 建議對生活樓中東部回填角礫進(jìn)行重新回填、灌漿處理;封閉處理場地內(nèi)所有沉降裂縫;檢查、改善、修復(fù)場區(qū)排水系統(tǒng)及食堂操作間防排水設(shè)施。