王金飛,袁新露,吳哲元(上海建浩工程顧問有限公司, 上海 200030)
疊合式地下室外墻利用混凝土自防水性能,在節(jié)約工程投資方面效果明顯,目前越來越多地被應(yīng)用于地下室結(jié)構(gòu)外墻中。不過,該體系一般通過接駁器將圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外墻連接,且施工中受到設(shè)計(jì)、施工、材料及管理等眾多不確定因素的影響,容易造成疊合式外墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。盡管部分裂縫的存在并不會(huì)影響建筑物的使用,但久而久之會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的耐久性和整體性,特別是有害結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)對(duì)地下室結(jié)構(gòu)防水會(huì)造成較大的影響,甚至影響到地下室的使用功能。本文結(jié)合地下室底板、樓板及外墻等多個(gè)部位的裂縫情況,從設(shè)計(jì)、施工、管理等方面對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因進(jìn)行分析,并探討了防治措施,對(duì)有效控制裂縫具有指導(dǎo)意義。
某工程位于上海市西虹橋商務(wù)區(qū),總建筑面積約 8.8 萬 m2,由 3 棟 11 層塔樓和 7 棟 2~3 層單體商業(yè)組成。地下 2 層,局部基坑開挖深度約 19 m,其中地下 1 和地下 2 層為地下商業(yè)。地下室結(jié)構(gòu)外墻和地下連續(xù)墻間通過接駁器連接形成疊合式外墻,防水等級(jí)為一級(jí);同時(shí)要求結(jié)構(gòu)不允許滲水,防水混凝土抗?jié)B等級(jí)均為 P8;采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自防水,不設(shè)內(nèi)防水。
從工程地質(zhì)勘察揭示土層來看,基坑開挖區(qū)域3 層砂質(zhì)黏土層較厚,局部超挖區(qū)域尚存在承壓水影響,基坑安全等級(jí)一級(jí),環(huán)境保護(hù)等級(jí)一級(jí)。
本項(xiàng)目于 2016 年 10 月份開始拆除地下室外墻模板支撐,拆除完成后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),外墻出現(xiàn)大量肉眼可見且伴有滲水現(xiàn)象的豎向規(guī)則狀裂縫?,F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),裂縫自底板以上向上發(fā)展,2 層及地下 3 層居多,地下 1 層較少,部分裂縫延伸到地庫頂板位置,其中大部分裂縫與墻同高,由上而下貫通,兩端逐漸變細(xì)直至消失。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì),每跨約 3~4 條裂縫,寬約 0.3 mm~2.0 mm,個(gè)別超過 2.0 mm。沿墻長度方向兩端裂縫數(shù)量比中間少;特別是橫向裂縫相對(duì)較少,僅少量出現(xiàn)在混凝土澆筑冷縫處。穿墻螺桿及伸縮縫處也存在少量長度小于墻長的裂縫現(xiàn)象,寬度≤2.0 mm。
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析,裂縫大致分為兩類:一類是混凝土拆模前形成的,多為貫穿裂縫(見圖 1),該類裂縫在被發(fā)現(xiàn)并做好標(biāo)記半年后復(fù)查時(shí)未發(fā)現(xiàn)繼續(xù)發(fā)展;另一類是混凝土拆模幾天后形成的表面裂縫,寬約 0.5 mm~ 1.0 mm (見圖 2),經(jīng)后期觀察,也沒有呈現(xiàn)繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。
圖 1 裂縫情況一(貫穿裂縫)
圖 2 裂縫情況二(表面裂縫)
2.2.1 構(gòu)造原因
地下連續(xù)墻先施工于地下室結(jié)構(gòu)外墻,且兩墻間僅通過接駁器、錨筋等連接形成整體。本工程地下連續(xù)墻厚度為 1.0 m,結(jié)構(gòu)外墻厚度為 0.5 m,地下連續(xù)墻厚度遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)外墻,剛度也遠(yuǎn)超外墻。地下連續(xù)墻于 2016 年 4 月前完成澆筑,而結(jié)構(gòu)外墻于同年 7 月中旬才開始施工,地下連續(xù)墻變形已基本完成,而地下連續(xù)墻對(duì)新澆筑的結(jié)構(gòu)外墻的齡期的變形有約束,形成了外墻上的裂縫,這是結(jié)構(gòu)外墻產(chǎn)生縱向裂縫的原因之一。此外,疊合式墻體的施工縫、后澆帶、穿墻螺桿處等部位新舊混凝土在施工過程中處理不到位,也易產(chǎn)生裂縫。至于穿墻螺桿處的裂縫,是施工過程中穿墻螺桿的止水片焊接處理不到位,加之后期螺桿洞封堵時(shí)不到位所致。
2.2.2 材料的因素
混凝土的重要組成成分是水和水泥,通過膠凝材料形成。水越多,水泥含量越大,混凝土的收縮變形越大。本工程結(jié)構(gòu)外墻水泥用量較大,且商拌混凝土距離工程較遠(yuǎn),坍落度設(shè)計(jì)較大,使混凝土的抗裂能力較低,導(dǎo)致在混凝土澆筑完成后產(chǎn)生水平裂縫。
2.2.3 設(shè)計(jì)原因
本工程地下室外墻長 120 m,寬 80 m,因混凝土的收縮應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂縫,這類裂縫多為表面裂縫,經(jīng)過一段時(shí)間可以自愈。暗柱之間未設(shè)混凝土墻體,減弱了墻體間的整體剛度,產(chǎn)生了部分的縱向裂縫。此外,本工程結(jié)構(gòu)外墻厚度為 500 mm,但設(shè)計(jì)配筋僅兩層,墻體中間約 400 mm 為素混凝土,與規(guī)范要求存在差距。眾所周知,鋼筋對(duì)提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能意義重大,但本工程結(jié)構(gòu)外墻內(nèi)部約 400 mm 為素混凝土,內(nèi)部變形遠(yuǎn)超過結(jié)構(gòu)外墻表側(cè)變形,內(nèi)外變形交接處應(yīng)力集中,這是導(dǎo)致外墻裂縫的重要原因之一。
2.2.4 施工原因
施工工序安排未盡合理,沒有配備充分的機(jī)具和檢查人員。首先,在混凝土澆筑過程中,曾出現(xiàn)材料供應(yīng)中斷現(xiàn)象,導(dǎo)致部分混凝土澆筑間隔時(shí)間較長,接茬處處理不當(dāng),形成冷縫。其次,部分鋼筋保護(hù)層厚度不足及混凝土的養(yǎng)護(hù)未到齡期,是裂縫產(chǎn)生的重要原因之一。再次,由于施工較快,部分外墻混凝土養(yǎng)護(hù)齡期未到便拆除模板,外墻表面直接暴露在外,外墻變形尚未穩(wěn)定,內(nèi)外應(yīng)力差異,導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂縫。
2.2.5 其他原因
地下室結(jié)構(gòu)外墻出現(xiàn)裂縫的原因還包括外墻與地下連續(xù)墻沉降差異等。由于地下室結(jié)構(gòu)外墻施工于 2016 年 7 月中旬才開始,而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻早在同年 4 月前完成,地下連續(xù)墻的變形沉降已趨于穩(wěn)定,而地下室結(jié)構(gòu)外墻仍處于變形狀態(tài),極易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。
混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫在一定程度上是無法避免的,但將裂縫控制在無害范圍內(nèi)的可行性還是很大的。王鐵夢(mèng)專家在混凝土裂縫控制方面提出了“抗放兼施,以抗為主”的應(yīng)對(duì)措施[1]。所謂“抗”,就是對(duì)地下室外墻提前施加預(yù)應(yīng)力,施加的預(yù)應(yīng)力與內(nèi)部的混凝土的應(yīng)力變形相互抵消,從而增強(qiáng)混凝土的抗裂性能,減少混凝土裂縫的發(fā)生概率。所謂“放”,就是將施工區(qū)域分成若干倉塊,實(shí)施分區(qū)施工,以釋放混凝土前期收縮等應(yīng)力,取消全部或部分后澆帶,減少因后澆帶而產(chǎn)生的裂縫問題??梢哉f,“抗放兼施,以抗為主”對(duì)裂縫的控制起到了積極作用?;炷两Y(jié)構(gòu)是帶縫工作的結(jié)構(gòu),引起裂縫的外因有兩種,一種是外荷載,另一種是約束變形[2]。筆者結(jié)合本工程的特點(diǎn),從設(shè)計(jì)、施工及管理等方面提出以下裂縫防治對(duì)策。
(1)加強(qiáng)鋼筋配置構(gòu)造?;炷恋目估阅苤饕獊碜杂阡摻畹呐渲?,控制一定的適筋率能有效減少裂縫的產(chǎn)生。對(duì)于本工程而言,外墻厚 500 mm,設(shè)計(jì)僅設(shè)雙排構(gòu)造筋,內(nèi)部 400 mm 為素混凝土,混凝土內(nèi)部收縮等應(yīng)力遠(yuǎn)大于外部,建議在地下室外墻的表面加上抗裂鋼筋網(wǎng)片,以提高外表面的抗裂性能。此外,在結(jié)構(gòu)的預(yù)留洞口、截面突變部位增加附加筋,如預(yù)留洞口在墻、板位置,應(yīng)在洞口角部加抗裂筋,以增加混凝土的抗裂性能,減少裂縫發(fā)生的可能性。
(2)補(bǔ)償混凝土?;炷亮芽p大多來源于混凝土自身的收縮裂縫,利用等效荷載的概念,對(duì)于收縮裂縫可在混凝土中加入適量的膨脹劑來補(bǔ)償初期混凝土的收縮帶來的變化。經(jīng)過大量的工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),補(bǔ)償法對(duì)工程實(shí)際效果較好,尤其對(duì)樓板、外墻中的應(yīng)用效果極好。補(bǔ)償混凝土的指標(biāo)如表 1 所示。
表 1 補(bǔ)償混凝土性能指標(biāo)
(3)實(shí)施分倉技術(shù)。依據(jù)專家王鐵夢(mèng)“抗放兼施,以抗為主”的原則,將結(jié)構(gòu)外墻分為若干區(qū)塊,取消大部分后澆帶,采取“隔一跳一”措施,即至少隔一個(gè)倉塊跳倉或封倉施工,將分倉縫適當(dāng)錯(cuò)開,最大塊尺寸應(yīng)≤40 m,以減少因后澆帶而產(chǎn)生的裂縫情況。
(4)使用防水材料(膨潤土防水毯)。在結(jié)構(gòu)外墻與地連墻兩墻之間使用膨潤土防水毯。膨潤土防水毯相比于普通防水材料,防水變形能力更強(qiáng),對(duì)適應(yīng)外墻與地連墻不均勻沉降的效果更好,在減少因不均勻沉降帶來的部分裂縫的同時(shí),可減少地下連續(xù)墻對(duì)結(jié)構(gòu)外墻變形的影響。
(1)對(duì)于疊合墻體來說,外墻施工時(shí)可采用外貼碳纖維布的方式加固[3],以提高外墻的抗裂性能。另外,現(xiàn)場施工時(shí)在滿足設(shè)計(jì)及現(xiàn)場施工需要的前提下,優(yōu)化施工工藝,盡量避免使用早強(qiáng)混凝土。在混凝土澆筑成型初期,早強(qiáng)混凝土水化熱較大,容易造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫差較大,一定程度上對(duì)混凝土的表面造成太大的應(yīng)力差,繼而產(chǎn)生裂縫。
(2)由于含泥量較高的混凝土和易性較差,因而要優(yōu)選含泥量較少的砂、石等原材料。
(3)選擇適宜的外加劑可降低混凝土的水化熱,減少水泥用量,在一定程度上還能降低材料成本。對(duì)于抗裂要求較高的混凝土,還應(yīng)按抗裂性試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法選擇材料[4]。
精細(xì)化管理對(duì)工程質(zhì)量具有重要作用。在現(xiàn)場施工中,應(yīng)針對(duì)裂縫問題制定合理的施工方案,合理安排施工進(jìn)度,避免施工過程中因過量追求進(jìn)度而忽略質(zhì)量問題。后期若在現(xiàn)場施工中發(fā)現(xiàn)有少量裂痕,應(yīng)分階段采取注漿等措施予以封堵?,F(xiàn)場施工過程中不難發(fā)現(xiàn),哪怕設(shè)計(jì)單位和材料供應(yīng)單位都相同,只要施工單位不同,裂縫情況就會(huì)有所差異。由于裂縫的出現(xiàn)具有典型的離散性和隨機(jī)性,因此在施工前,施工單位應(yīng)針對(duì)裂縫制訂相應(yīng)計(jì)劃及方案,后期現(xiàn)場施工必須嚴(yán)格按方案實(shí)施,并做好施工后的現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)工作,以減少因施工不當(dāng)而產(chǎn)生的工程裂縫。
裂縫問題作為建設(shè)工程的一項(xiàng)質(zhì)量通病,長期困擾著工程師們。特別對(duì)于有害裂縫,一旦處理不當(dāng)會(huì)直接影響建筑物的使用功能,甚至對(duì)工程的安全造成巨大影響。開展裂縫成因分析和研究并提出防治對(duì)策,對(duì)于提升工程質(zhì)量具有重大意義。
疊合式外墻結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮圍護(hù)作用,與地下連續(xù)墻一起共同承受水、土壓力及抗浮力;利用混凝土自防水能力,減少外墻防水層,在節(jié)約投資上效果明顯。不過,疊合式地下室外墻質(zhì)量受到設(shè)計(jì)、施工、材料、管理等因素的綜合影響,容易出現(xiàn)較多有害的裂縫,嚴(yán)重影響地下室的使用功能,且后期運(yùn)營維保成本較高。本文從設(shè)計(jì)缺陷、粗放的施工管理等角度,探討了疊合式地下室外墻裂縫產(chǎn)生的原因;進(jìn)而結(jié)合實(shí)際工程案例,從設(shè)計(jì)、混凝土原材料選用以及施工管理等方面提出了裂縫的防治對(duì)策。