大型水池裂縫分析及對策

姜 濤

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

隨著我國城市化的不斷深入，盛水構(gòu)筑物呈現(xiàn)一體化、規(guī)模化的發(fā)展趨勢，水池尺寸不斷增加，結(jié)構(gòu)形式越發(fā)復(fù)雜。鋼筋混凝土具有強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，是大型水池的常用結(jié)構(gòu)形式。但由于混凝土又有抗拉強(qiáng)度低、施工受季節(jié)影響大等缺點(diǎn)，非常容易出現(xiàn)開裂、滲漏問題。本文對大型水池裂縫的產(chǎn)生原因進(jìn)行研究，嘗試找出控制節(jié)點(diǎn)，并提出防治措施。

1 水池裂縫的主要原因

裂縫指建(構(gòu))筑物內(nèi)部材料不連續(xù)的現(xiàn)象，根據(jù)產(chǎn)生原因可分為動(dòng)、靜荷載等直接作用產(chǎn)生和溫度、不均勻沉降等間接作用產(chǎn)生兩種。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的完善，結(jié)合國內(nèi)外工程實(shí)例不難發(fā)現(xiàn)，由間接作用引起的裂縫占總裂縫的多數(shù)，故以下主要分析間接作用的影響機(jī)制。

1.1 溫度作用引起的開裂

由溫度變化引起的變形受到約束時(shí)，構(gòu)件就會(huì)承受溫度作用。約束可以來自構(gòu)件外部，在溫度變化不同步或材料熱膨脹系數(shù)不同時(shí)，不同構(gòu)件間互成約束。如在溫度升高時(shí)，水池底板的膨脹變形受下部土體約束，產(chǎn)生壓應(yīng)力。約束也可以來自構(gòu)件自身，當(dāng)其內(nèi)部溫度變化不同步時(shí)，不同部分間互成約束。如混凝土澆筑初期，表層溫度較低，內(nèi)層溫度較高。表層混凝土收縮受到內(nèi)層限制，產(chǎn)生拉應(yīng)力。

在分析鋼筋混凝土水池溫度作用時(shí)，需要注意的是由于外部環(huán)境影響，其溫度分布是時(shí)刻變化的，對其進(jìn)行全過程的分析、計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的。很多國內(nèi)研究進(jìn)行了簡化模擬，形成了一系列的分析方法。如崔帥[1]基于熱傳導(dǎo)微分方程，提取日照、風(fēng)速、氣溫等關(guān)鍵外部因素，建立了溫度應(yīng)力及其分布的計(jì)算方法，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證比對。以下分別從大型水池的施工期和使用期對其裂縫的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行分析。

大型水池的施工期又可分為混凝土澆筑初期和后期。在混凝土澆筑初期，重點(diǎn)考慮水泥凝結(jié)硬化產(chǎn)生的水化熱影響。對于尺寸較大的混凝土池壁或底板，內(nèi)層混凝土因水泥水化作用產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散去，使其溫度更快升高，內(nèi)層與表層溫差逐漸加大。當(dāng)表層混凝土收縮受限所引起的拉應(yīng)力超過混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。在混凝土澆筑后期，主要考慮混凝土冷卻收縮的影響。隨著混凝土溫度降低，水分流失，混凝土開始收縮，并受到周邊約束。如底板的收縮受墊層、地基土的約束，池壁的收縮受已澆筑底板和池壁的約束，產(chǎn)生的拉應(yīng)力也可能會(huì)引發(fā)裂縫。

在大型水池的使用期，重點(diǎn)關(guān)注環(huán)境溫度影響，分為內(nèi)外(壁面)溫差和季節(jié)(壁中)溫差。前者指池內(nèi)水溫與池外空氣或土體的溫差，由天氣、日照等因素決定。后者指施工完成時(shí)的溫度與使用時(shí)的溫度之差。由于在進(jìn)行水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，無法得知結(jié)構(gòu)最終的閉合時(shí)間。所以可分別按冬季施工夏季使用和夏季施工冬季使用來計(jì)算，一般取當(dāng)?shù)刈顭嵩屡c最冷月平均溫度之差[2]。

1.2 混凝土收縮引起的開裂

除了因溫度降低而引起的收縮，鋼筋混凝土水池的收縮還包括水泥與自由水發(fā)生反應(yīng)引起的化學(xué)收縮、水化熱下蒸發(fā)引起的失水收縮和毛細(xì)水流失引起的干燥收縮等。這些收縮一方面受混凝土的骨料級配、水泥用量等自身因素影響，一方面受施工養(yǎng)護(hù)、氣候變化等外界因素影響。國外在十九世紀(jì)開始了混凝土收縮的相關(guān)研究，形成了多種計(jì)算方法。如歐洲混凝土協(xié)會(huì)建立的CEB—FIP公式，采用了滯后彈性變形與塑性變形相加的徐變系數(shù)；美國混凝土協(xié)會(huì)建立的ACI-209公式，采用了五個(gè)系數(shù)相乘的徐變系數(shù)，進(jìn)一步考慮混凝土配合比等的影響。我國的王鐵夢先生[3]根據(jù)多年試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理出計(jì)算混凝土收縮變形的方法，具體公式如下：

式中εy(t)為t時(shí)刻的相對收縮變形；

M1…Mn為考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)；

n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，養(yǎng)護(hù)按0.01，不養(yǎng)護(hù)按0.03。

總體來看，混凝土的收縮是一個(gè)長期的過程，隨著時(shí)間不斷增大，早期收縮較快，后期逐步放緩。相關(guān)研究表明，混凝土在14d、90d和365d的收縮變形分別可達(dá)其極限收縮變形的20%、60%和80%[4]。

以下為某項(xiàng)目池體裂縫分布圖，立面圖中豎線為施工單位測量、整理的裂縫。南側(cè)池壁共有豎向裂縫18條，北側(cè)池壁共有豎向裂縫13條。由于池體在混凝土澆筑后，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足14d，導(dǎo)致混凝土前期收縮變形劇烈，南北側(cè)長向池壁均出現(xiàn)明顯裂縫。施工期正處夏季，南側(cè)池壁因日照影響，溫度應(yīng)力及失水收縮更為強(qiáng)烈，裂縫明顯較多(如圖1)。

圖1 某項(xiàng)目池體裂縫分布圖

1.3 不均勻沉降引起的開裂

大型水池的尺寸可達(dá)幾十米甚至上百米，池底的地質(zhì)情況可能發(fā)生變化，也可能存在未進(jìn)行有效處理的局部軟土或擾動(dòng)土層，造成水池區(qū)域間沉降影響深度范圍內(nèi)土體壓縮模量差異較大。一些綜合水池因工藝需要，長期存在臨近區(qū)格空滿等較大水位差的情況，基底附加應(yīng)力相差較大。若此時(shí)水池上部剛度不足或未采取柔性連接措施，將會(huì)導(dǎo)致水池區(qū)格間發(fā)生不均勻下沉，一些部位由此產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)其超出混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，池體將會(huì)開裂。

1.4 施工問題引起的開裂

由施工問題導(dǎo)致的混凝土水池開裂現(xiàn)象屢見不鮮，以下分析一些常見施工問題。首先是混凝土的材料問題。水泥作為主要的粘合劑，其用量、品種至關(guān)重要，混凝土骨料的級配、含泥量等也有重要影響。當(dāng)這些不滿足規(guī)范要求時(shí)，極易造成混凝土強(qiáng)度不高，容易開裂。在制配混凝土?xí)r，摻入的引氣劑、膨脹劑等要適量。否則不僅無法改善混凝土性能，還會(huì)引發(fā)離析、泌水和脆化現(xiàn)象。某些工地沒有合理安排施工進(jìn)度，造成混凝土攪拌車過早入場，等待期間混凝土出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，影響澆筑質(zhì)量。其次是混凝土澆筑過程中，未按規(guī)范要求操作。振搗時(shí)間過短、漏振，造成混凝土不密實(shí)，內(nèi)部存在孔洞甚至連成縫隙。振搗時(shí)間過長，出現(xiàn)砂石與水泥漿分離現(xiàn)象，形成砂層，發(fā)生泌水，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。水池施工縫、變形縫的施工措施應(yīng)當(dāng)額外重視。止水鋼板或橡膠帶固定不牢，新舊界面處存在松動(dòng)石塊，將造成混凝土局部不連續(xù)、咬合力不足，繼而產(chǎn)生裂縫、滲漏問題。最后是某些工地為加快進(jìn)度，在混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的情況下強(qiáng)行拆除模板，造成構(gòu)件變形過大，受拉部位產(chǎn)生裂縫。

2 水池裂縫的防治措施

根據(jù)前文分析，導(dǎo)致大型混凝土水池開裂的主要原因?yàn)闇囟茸饔?、混凝土收縮、不均勻沉降和施工問題等，那么對應(yīng)的措施應(yīng)該是降低水池結(jié)構(gòu)的溫度、收縮、不均勻沉降等引起的應(yīng)力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度和整體剛度，采取可靠方案降低施工影響等。國內(nèi)對此已有較多研究，如王鐵夢先生立足于大量工程實(shí)例，針對混凝土的溫度、收縮應(yīng)力，提出了裂縫控制的“抗”、“放”原則?；谙嚓P(guān)理論和文獻(xiàn)研究，借鑒工程經(jīng)驗(yàn)，建議措施如下。

2.1 采取放、抗措施，控制溫度、收縮影響

在大型水池的設(shè)計(jì)中，首先可以通過設(shè)置后澆帶和伸縮縫來釋放溫度應(yīng)力，減小混凝土收縮影響。后澆帶一般寬1m，通常在兩側(cè)混凝土澆筑42d后，采用微膨脹混凝土澆筑，以充分降低前期收縮影響。需要注意的是采用后澆帶、伸縮縫等存在工期長、節(jié)點(diǎn)弱等問題。其次，可以通過采用膨脹加強(qiáng)帶、預(yù)應(yīng)力、增配鋼筋和添加膨脹纖維劑等方式，增強(qiáng)混凝土抵抗變形應(yīng)力的能力。膨脹加強(qiáng)帶的工作原理是添加膨脹劑的混凝土發(fā)生化學(xué)膨脹，對周邊混凝土產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，以抵消收縮影響，達(dá)到控制裂縫的目的。為保證膨脹效果，膨脹加強(qiáng)帶一般寬2m，比后澆帶更寬，采用鋼絲網(wǎng)與兩側(cè)混凝土分隔，有后澆式、間歇式和連續(xù)式等形式。其中后澆式膨脹加強(qiáng)帶結(jié)合了后澆帶“放”與膨脹加強(qiáng)帶“抗”的特點(diǎn)，一般在兩側(cè)混凝土澆筑14d后施工。預(yù)應(yīng)力水池的預(yù)壓應(yīng)力一般通過設(shè)置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)筋來施加，借此實(shí)現(xiàn)超長水池結(jié)構(gòu)的不設(shè)縫?？紤]底板長期處于水、土中，溫度變化小，受地基土影響內(nèi)力情況較為復(fù)雜，可采用普通混凝土結(jié)構(gòu)。壁板常常暴露于空氣中，溫度變化大，適合采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，以充分利用混凝土的抗壓強(qiáng)度。池壁所受的內(nèi)側(cè)水壓、外側(cè)水土壓力等情況多變，故一般將預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置在壁板中心，不考慮其對上述荷載的作用。需要注意的是采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的水池，經(jīng)常會(huì)遇到普通混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的銜接、施工技術(shù)和錨具維護(hù)等問題。在變形縫劃分的水池區(qū)格內(nèi)進(jìn)行裂縫驗(yàn)算后，水平鋼筋的配置宜采用“細(xì)而密”的原則，間距不宜大于150mm，配筋率不宜小于0.4%。再次，在確定混凝土材料方案時(shí)，宜選用低熱硅酸鹽水泥，降低水泥用量，明確骨料級配、含泥量和外加劑要求，以有效降低溫度、收縮影響。最后，可以通過在水池底部設(shè)置砂層、油氈或塑料薄膜等易滑動(dòng)層來減小地基土的約束作用。在溫差較大地區(qū)，可以在水池外側(cè)增加保溫層來降低溫差，減小溫度應(yīng)力。

2.2 選擇合理基礎(chǔ)形式和池體布局，減小不均勻沉降

在水池設(shè)計(jì)中，首先要根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)和單體情況，制定合理的基礎(chǔ)方案。遇局部軟弱地基，以減小壓縮模量差值為目標(biāo)，可結(jié)合抗浮設(shè)計(jì)選擇整體樁基，也可以采用局部換填、復(fù)合地基等形式。其次，在滿足工藝要求情況下，力求水池體型簡單，結(jié)構(gòu)合理，整體性好，區(qū)格間受力均勻。必要時(shí)可結(jié)合變形縫或連通管道將水池分割為若干受力均勻的單元，以減小基底附加應(yīng)力差值和最終沉降差。最后，水池的基坑設(shè)計(jì)應(yīng)做好降、排水方案，減少對下部土體的擾動(dòng)，沉降計(jì)算需考慮坑內(nèi)土體加固的影響。

2.3 制定合理施工方案，降低不利影響

正式開工前，施工單位應(yīng)根據(jù)圖紙，制定合理的施工方案。在預(yù)拌混凝土進(jìn)場前，根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度推算混凝土用量和進(jìn)場時(shí)間，注意滿足坍落度試驗(yàn)要求。在混凝土澆筑時(shí)，通過在混凝土中埋設(shè)水管來降低澆注溫度[5]。進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)督，控制振搗時(shí)間，防治漏振、過振。合理的混凝土振搗應(yīng)持續(xù)至表面泛漿，沒有氣泡，不再下沉。在施工縫和變形縫施工時(shí)，可采用附加短筋、鋼絲網(wǎng)等固定止水鋼板或橡膠帶。注意鑿出凹槽，清除浮石，沖洗干凈，刷涂水泥漿，避免粗骨料集中和漏振，確保節(jié)點(diǎn)處混凝土密實(shí)度和界面咬合力。在混凝土澆筑后，應(yīng)及時(shí)覆蓋草席、麻袋等，減緩降溫速度，縮小內(nèi)外層間溫差。通過對混凝土的潮濕養(yǎng)護(hù)，減緩水分流失和收縮。水池混凝土的養(yǎng)護(hù)期一般不應(yīng)少于7d，宜達(dá)14d。嚴(yán)格控制上部加載，在試塊未達(dá)規(guī)范規(guī)定的拆模強(qiáng)度前，嚴(yán)禁拆除模板和支撐。通過采取以上措施，可以有效減小混凝土結(jié)構(gòu)前期的溫度、收縮應(yīng)力，消除施工引起的薄弱隱患，實(shí)現(xiàn)控制水池裂縫的目的。

3 結(jié) 語

水池裂縫的產(chǎn)生是溫度作用、混凝土收縮、不均勻沉降和施工問題等多種因素共同作用的結(jié)果，相應(yīng)的裂縫控制也是一個(gè)把握關(guān)鍵因素、多方協(xié)同合作的系統(tǒng)工程。同時(shí)各個(gè)工程項(xiàng)目及單體因?yàn)榈刭|(zhì)情況、氣候條件、處理規(guī)模和工藝流程等，都具有自身特點(diǎn)。所以在工程實(shí)踐中，大型水池的裂縫控制需要因時(shí)因地制宜，綜合考慮多方因素，有效結(jié)合多種措施，以確保水池的正常使用，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的穩(wěn)定運(yùn)行。