矩形鋼筋混凝土水池施工期裂縫產(chǎn)生原因分析

劉小平 甘志軍 閆 超 王達(dá)劍

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

1 概述

隨著我國全面建成小康社會的實(shí)現(xiàn)，農(nóng)村飲水安全問題也越來越受到各級政府的重視，農(nóng)村供水方式正在由傳統(tǒng)的分散式向集中式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，一大批的中小型凈水廠開始建設(shè)。鋼筋混凝土因其具有較高的強(qiáng)度，良好的抗?jié)B性能和較好的耐久性而被廣泛應(yīng)用在凈水廠構(gòu)筑物之中。但是混凝土作為一種多相復(fù)合材料，裂縫問題向來都是混凝土結(jié)構(gòu)無法回避的重難點(diǎn)，原材料、設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等眾多環(huán)節(jié)都有可能引起混凝土裂縫，影響水廠的正常運(yùn)行，最終導(dǎo)致供水安全問題。

2 水池裂縫產(chǎn)生原因

混凝土本身屬于脆性材料，抗壓強(qiáng)度大、抗拉強(qiáng)度小，抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/20～1/10[1]，且混凝土屬于一種多相不均勻材料，當(dāng)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力大于混凝土材料抗拉強(qiáng)度時(shí)即可出現(xiàn)裂縫。結(jié)合混凝土自身特性以及大量的工程實(shí)踐證明，鋼筋混凝土水池在工程實(shí)踐過程中產(chǎn)生裂縫的原因主要包括結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫兩大類，其中根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫中非結(jié)構(gòu)性裂縫占據(jù)80%[2]。

1)結(jié)構(gòu)性裂縫。

結(jié)構(gòu)性裂縫主要水池結(jié)構(gòu)在受到外荷載，包括動、靜荷載作用，使得混凝土所受拉應(yīng)力超過混凝土自身抗拉強(qiáng)度而引起裂縫。主要有兩種表現(xiàn)形式：分別為混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度而承受設(shè)計(jì)荷載作用引起裂縫和混凝土結(jié)構(gòu)已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度而承受沖擊、地震等超設(shè)計(jì)荷載引起的裂縫。其中前一種裂縫成因在工程實(shí)際過程中表現(xiàn)在混凝土尚未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度而承受設(shè)計(jì)荷載；另一種裂縫成因則主要表現(xiàn)為混凝土承受荷載超過設(shè)計(jì)值，而使混凝土受力超過其承載能力而產(chǎn)生破壞。

2)非結(jié)構(gòu)性裂縫。

非結(jié)構(gòu)性裂縫主要是由于變形受到約束產(chǎn)生應(yīng)力引起的裂縫，主要包括溫度變化、濕度變化、混凝土膨脹和收縮、基礎(chǔ)的不均勻沉降等因素。環(huán)境變化導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，當(dāng)變形受到其環(huán)境約束時(shí)，使混凝土出現(xiàn)應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。

結(jié)構(gòu)性裂縫與非結(jié)構(gòu)性裂縫的主要區(qū)別在于：結(jié)構(gòu)性裂縫往往都是瞬時(shí)完成的，當(dāng)混凝土所受荷載超過其材料承載能力時(shí)，裂縫瞬時(shí)產(chǎn)生，并隨之?dāng)U大。而非結(jié)構(gòu)性裂縫往往不是瞬間產(chǎn)生，而是應(yīng)力的累計(jì)和傳遞。在工程實(shí)際過程中，結(jié)構(gòu)性裂縫可以通過在設(shè)計(jì)中進(jìn)行控制，而非結(jié)構(gòu)性裂縫引起原因復(fù)雜，通常為多種原因組合，較難控制，因此在工程建設(shè)過程中非結(jié)構(gòu)性裂縫應(yīng)該更加關(guān)注。

鋼筋混凝土水池作為一種薄壁殼體結(jié)構(gòu)，池壁和水池底板厚度大部分為200 mm～600 mm，雖小于GB 50496—2018大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)中對大體積混凝土定義“混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸不小于1 m的大體量混凝土”[3]，但池壁在受到周遭約束情況條件下，施工期產(chǎn)生的水泥水化熱仍然較大，根據(jù)王暉等[4]有限元模擬，在施工過程中混凝土水化熱會增加7.1 ℃，對于薄壁結(jié)構(gòu)的混凝土產(chǎn)生裂縫。本文以西南地區(qū)某農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程，凈水廠清水池施工期產(chǎn)生裂縫作為案例進(jìn)行分析。

3 工程案例

3.1 工程概況

本工程位于西南地區(qū)某地級市農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程，為滇東高原向黔西高原過渡地帶，區(qū)域氣候?yàn)楸眮啛釒c暖溫帶，半濕潤與半干旱氣候的過渡地帶，工程項(xiàng)目等級為Ⅲ等，項(xiàng)目規(guī)模為中型，供水規(guī)模近期5萬m3/d，遠(yuǎn)期8萬m3/d。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(yīng)譜周期為0.45 s，地震基本烈度為7度，屬于區(qū)域地震構(gòu)造較差的地帶。

凈水廠位于工程區(qū)內(nèi)某一座山丘頂部，清水池位于廠區(qū)北側(cè)，設(shè)計(jì)容積為6 000 m3，分為兩座，每座3 000 m3，采用地埋式鋼筋混凝土無梁樓蓋結(jié)構(gòu)形式，池頂結(jié)構(gòu)層位于地面以上0.7 m，池底結(jié)構(gòu)層位于地面以下4.0 m，池頂覆土0.8 m。根據(jù)地勘資料顯示，清水池基礎(chǔ)底板土層分別位于粉質(zhì)黏土和弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖上，巖土分界線位于清水池長度方向約3/8的位置。清水池平面圖如圖1所示。

清水池平面尺寸為40.6 m×40.6 m，水池高度為5.15 m，水池外壁厚0.3 m，底板厚度為0.45 m，頂板厚0.30 m，中隔墻厚度0.20 m，池體中間分布間距為4.0 m立柱，立柱截面尺寸0.30 m×0.30 m，底板柱帽尺寸1.50 m×1.50 m，底板柱帽尺寸1.60 m×1.60 m?；炷敛捎肅30,P6防滲等級。

根據(jù)GB 50069—2002給水排水工程構(gòu)筑物設(shè)計(jì)規(guī)范,大型矩形構(gòu)筑物長度寬度較大時(shí)應(yīng)設(shè)置適應(yīng)溫度變化的伸縮縫，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)間距不超過30 m[5]，結(jié)合本工程區(qū)域?yàn)榭拐疠^差地帶，伸縮縫于抗震不利，為抗震構(gòu)造薄弱環(huán)節(jié)，因此本工程考慮水池超長結(jié)構(gòu)后澆帶。由于基礎(chǔ)存在土巖交接面，存在承載力差別較大的地層，為了防止基礎(chǔ)存在不均勻沉降，從而產(chǎn)生裂縫，本工程在水池底板土巖分界面處布置加強(qiáng)鋼筋，加強(qiáng)鋼筋型號為16@150，沿分界縫兩側(cè)長度各為1.5 m。池壁結(jié)構(gòu)、巖土分界加強(qiáng)、后澆帶結(jié)構(gòu)鋼筋圖見圖2。

3.2 裂縫分布

本工程清水池施工分為兩次澆筑，以后澆帶為間隔分四區(qū)。水池底板及底板上部0.5 m為一次澆筑，池壁、中間隔板和頂板為第二次澆筑，中間采用止水鋼板止水，兩次澆筑時(shí)間間隔為31 d。壁板頂板澆筑拆模后，發(fā)現(xiàn)側(cè)壁及頂板出現(xiàn)細(xì)小裂縫(水池尚未進(jìn)行滿水試驗(yàn))，仔細(xì)排查后確認(rèn)可見裂縫26條，并在清水池四周角點(diǎn)及中心位置設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，裂縫位置及觀測點(diǎn)詳見平面圖1，裂縫分布斷面圖見圖3，池壁裂縫現(xiàn)場圖見圖4。

根據(jù)現(xiàn)場觀測統(tǒng)計(jì)分類，清水池內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)裂縫26條，裂縫分布在清水池池壁(14條)、頂板(2條)以及中隔墻(10條)。其中16條裂縫呈豎直方向，從水池底部施工縫位置延伸至水池頂板掖角位置，發(fā)現(xiàn)約4處為斜裂縫(均分布在中隔墻上，分別為⑥，⑦，，)。

根據(jù)施工單位通過測縫儀進(jìn)行持續(xù)觀測，裂縫大部分寬度為0.01 mm～0.2 mm內(nèi)，其中大于0.2 mm共7條(③，④，⑤，⑧，，，)；其中最大縫寬為0.26 mm，共3條(④，⑧，)；縫深為20 mm～150 mm，其中中隔墻裂縫為貫穿裂縫，池壁②,⑨,三處為貫穿裂縫，其余各處裂縫均發(fā)現(xiàn)在水池內(nèi)壁，外壁未發(fā)現(xiàn)裂縫。裂縫分布見表1。

表1 裂縫分布表

3.3 沉降觀測

通過對清水池頂部四個(gè)角點(diǎn)設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，連續(xù)觀察沉降值如圖5所示。根據(jù)圖5，各個(gè)角點(diǎn)沉降值基本保持平衡，并未隨時(shí)間增長而增加。1號，2號，3號沉降點(diǎn)觀測數(shù)值較為接近，平均沉降值為0.151 m，4號點(diǎn)沉降值較大，平均沉降值為0.184 m，考慮到施工時(shí)頂板不夠平整，差值屬于誤差范圍以內(nèi)。根據(jù)CESC 86:2015鋼筋混凝土軟弱地基處理設(shè)計(jì)規(guī)范,水池地基最大沉降量不宜大于200 mm[6]。本項(xiàng)目清水池沉降均滿足規(guī)范條件。

3.4 施工期過程及養(yǎng)護(hù)

清水池底板澆筑與高出底板0.5 m側(cè)墻為一期澆筑并設(shè)置止水鋼板，以后澆帶為界限，分為四區(qū)域進(jìn)行澆筑，澆筑當(dāng)天氣溫為16 ℃～24 ℃，澆筑完成后混凝土表面鋪設(shè)麻袋，并澆水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，連續(xù)養(yǎng)護(hù)14 d。側(cè)墻和頂板一次性澆筑，澆筑當(dāng)晚及第2天下雨，對頂板用防水布覆蓋直至雨停，后改用薄膜覆蓋并澆水養(yǎng)護(hù)，直至14 d。側(cè)墻頂板澆筑完成67 d后，完成后澆帶施工，后澆帶C35微膨脹混凝土。

3.5 裂縫原因分析

凈水廠水池大部分水處理構(gòu)筑物為蓄水池，基本都屬于薄壁殼體結(jié)構(gòu)，根據(jù)混凝土裂縫產(chǎn)生原因分類分析，本工程清水池尚未蓄水，基坑未回填，水池不受外力。在清水池底板澆筑前，施工現(xiàn)場對基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)收，現(xiàn)場對于土質(zhì)基礎(chǔ)部分采用輕型動力觸探進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)收，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)基礎(chǔ)底部承載力為120 kPa。根據(jù)計(jì)算，清水池正常使用工況時(shí)，基礎(chǔ)受外荷載105.19 kPa；檢修工況時(shí)，基礎(chǔ)承受荷載為57.71 kPa。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果分析,基礎(chǔ)承載力滿足設(shè)計(jì)要求，因此可判定水池裂縫為非結(jié)構(gòu)裂縫。本工程清水池裂縫型式大部分為豎向裂縫，局部位置為斜裂縫，一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，收縮裂縫多為豎向裂縫[7]。根據(jù)沉降觀測結(jié)論，1號，2號，3號沉降點(diǎn)沉降相對值較小，水池不存在不均勻沉降，排除因不均勻沉降引起裂縫。結(jié)合清水池薄壁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，池壁在溫度、濕度變化時(shí)產(chǎn)生變形，受角隅和底板的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫產(chǎn)生。

1)底板對于池壁的約束。清水池壁板、頂板和底板分兩次澆筑，在底板之上0.5 m處設(shè)置水平施工縫。池壁澆筑時(shí)底板混凝土溫度及濕度均已恢復(fù)至常溫，在澆筑壁板時(shí)，由于水泥水化熱使得壁板混凝土溫度比底板高，新澆筑混凝土體積膨脹，由于受到底板約束，壁板受壓。隨著溫度的降低，混凝土體積收縮，但由于受到底板的約束，壁板混凝土受到拉應(yīng)力。

2)角隅對池壁的約束。清水池頂板與池壁整體澆筑，角隅處有加強(qiáng)。角隅處剛度大于壁板，在混凝土澆筑過程中，角隅處由于剛度較大混凝土體積膨脹比例較池壁小，池壁混凝土受壓，角隅處受拉。隨著溫度降低，混凝土體積收縮，但由于受到角隅處約束，壁板混凝土水平受拉，裂縫為豎直方向，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)裂縫。

4 結(jié)論

混凝土水池在施工過程中產(chǎn)生溫度裂縫的主要原因是受到水池底板和角隅的約束，產(chǎn)生的約束力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度造成的。為了防止裂縫的產(chǎn)生，減弱溫差，減小約束應(yīng)力。主要措施包括以下3點(diǎn)：

1)降低溫差。降低施工過程中的壁板溫差與底板、角隅處的溫差。主要包括降低池壁的施工溫度，降低底板的初始溫度。盡量避免在氣溫較高的時(shí)候進(jìn)行混凝土施工，同時(shí)對混凝土原材料的降溫，使用低熱水泥等，減小水泥水化熱，降低溫差。

2)使用微膨脹混凝土，在混凝土中添加部分添加劑，減小混凝土在冷卻后的收縮量，從而減少底板及角隅對壁板的約束。

3)適當(dāng)增加構(gòu)造方向配筋率，盡量采用鋼筋直徑小且間距較小的構(gòu)造配筋，減小因混凝土收縮而產(chǎn)生裂縫。