非典型性混凝土楼板裂缝成因探讨

蔡晓

（广州城建职业学院 建筑工程学院， 广东 广州 510900）

非典型性混凝土楼板裂缝成因探讨

蔡晓

（广州城建职业学院 建筑工程学院， 广东 广州 510900）

摘 要：搅拌桩在施工过程中对地基土的扰动，破坏了地基土的原始结构。地基土被扰动的范围一般在搅拌桩直径 2～3 倍的距离之内，当预应力混凝土管桩在此范围时，在管桩施工初期桩侧阻力因此而降低，当桩顶受到较大荷载时，引起管桩桩端地基土的剪切破坏，从而使管桩单桩承载力下降，造成主体结构产生不均匀沉降，出现混凝土楼板的非典型性的裂缝。针对非典型性混凝土楼板裂缝产生的原因，采取选择合理的基础形式和结构形式、加强施工过程的监控等等措施。

关键词：非典型性；混凝土楼板裂缝；不均匀沉降；地基土扰动

1 工程背景及裂缝的形状

1.1 工程概况

1.1.1 建筑概况

本工程位于深圳市XX大道的东北面．单体建筑包括仓库、机电楼。总建筑面积约为 20 000 m2，仓库结构高度为27.4 m(4 层)，机电楼结构高度为 10.5 m(局部 2 层)。无地下室。全部采用现浇混凝土框架结构体系。

1.1.2 地基基础情况

本工程地基基础设计等级为丙级。根据深圳市XX工程勘察有限公司 2008 年 5 月提供的《岩土工程勘察报告》，场地内分布的土层自上而下为： 人工填土层、坡积人工填土层、坡积层、洪积层、全风化层、强风化层、中风化层、微风化层。

本基础形式采用静压式高强度预应力混凝土管桩基础，桩端持力层为强风化岩层，桩端阻力特征值为：4 500 kPa(强风化)。φ500 AB 型预应力管桩 C80 壁厚 125 mm，桩端全截面进入持力层深度(m)≥0.50。

1.1.3 沉桩采用静压式施工工艺

单桩竖向承载力特征值为 2 000 kN，终压压力为 4 800 kN。终压条件为终压压力下复压 3～5 次，稳定时间 5 s～ 10 s，桩竖向总沉降量 ≤ 8 mm。

1.1.4 房屋结构情况

本建筑结构的安全等级为二级，全部采用现浇钢筋混凝土框架结构体系。

1.1.5 结构构件

(1)楼层及屋面现浇板底筋应伸入支座 5 d(d 为板筋直径)，面筋在支座两边不能连通时锚入支座 La。

(2)双向板中，短向底筋置于下排，长向底筋置于排。

1.1.6 搅拌桩施工

地面土质情况为人工填土层、坡积人工填土层，考虑到地面承载力的原因，需要地基加固，地坪土层采用水泥搅拌桩进行加固的方案，水泥搅拌桩的技术与施工要求如下。

(1)成桩全程必须四搅四喷。

(2)地坪深-0.45 m，空桩底标高 +0.00，人工破桩头50 mm，破桩头后实桩顶标高-0.5 m。

(3)水灰比可为 0.5～0.6∶1，浆液搅拌时间不少于 3 min，不长于 2 h。

(4)每米桩长水泥用量为 50 kg，桩径 550 mm，桩深 4.00 m～8.00 m，有效桩长 7.50 m(以进入砂质黏土层 1.0 m～1.5 m为标准，最深不超过 9.0 m)。

(5)水泥土(28 d 龄期)无侧限抗压强度 1.0 MPa 以上。

(6)处理后复合地基承载力达 50 kPa，置换比 12%。

(7)遇承台处搅拌桩间距如不够 1.5 m 时，可做适当调整(见图 1)。

图 1 搅拌桩平面布置大样图

1.1.7 基础施工过程

预应力混凝土管桩施工完成后，开始进行搅拌桩施工。搅拌桩分三个施工段施工，当搅拌桩在第三施工段施工时，第一施工段开始承台基础梁施工。接着进行主体结构施工至结顶。

1.2 裂缝形状

工程主体结构完成后，在进行主体工程验收时，发现楼板产生较多裂缝，最为严重的是 4 层的楼面，在 16 根柱子周边共有 35 条裂缝，这些裂缝都与柱子成 45° 角分布，裂缝最宽处大于 0.50 mm， 最长有 2 500 mm， 靠近柱子裂缝较宽，沿着开裂沿伸方向变细，同一位置的裂缝板面裂缝宽，板底裂缝细，部分裂缝没有贯穿(见图 2)。

图 2 混凝土楼板裂缝示意图

2 非典型性混凝土裂缝的类别

2.1 荷载裂缝

当混凝土结构在外荷载作用下，混凝土的抗拉能力不能抵抗外荷载时，混凝土便会发生开裂，这种裂缝称为荷载裂缝。荷载裂缝一般有弯曲裂缝、剪切裂缝和扭转裂缝等三种。

在建设工程施工中，混凝土结构裂缝绝大数并非是在外荷载的作用下产生的，而是由于混凝土的变形或结构变形而产生的。混凝土和混凝土结构由于变形所产生的裂缝称为非荷载裂缝。混凝土变形产生的裂缝有混凝土沉降裂缝、塑性收缩裂缝、干燥收缩裂缝、自收缩裂缝和温度变形裂缝。混凝土结构变形产生的裂缝，是由于混凝土结构的不均匀沉降引起的，通常称为基础沉降裂缝，基础沉降裂缝一般发生在混凝土结构的薄弱部位，裂缝的形状、分布、大小与基础不均匀沉降的状况有紧密关系。在建筑物 Y 方向的沉降量相同的情况下，当建筑物 X 方向的两端沉降大于中间沉降量时，混凝土结构呈现中间凸起的变形状态，裂缝的形状为上宽下窄，并沿 Y 方向平行分布。而当建筑物 Y 方向两端的沉降量小于中间沉降量时，混凝土结构呈现中间下凹的变形状态，裂缝形状为下宽上窄，同样沿 Y 方向平行分布。在建筑物 Y方向和 X 方向的沉降量都不相同时，混凝土结构的裂缝与建筑物不均匀沉降的状况紧密相关，有时裂缝会与 Y 方向或 X方向成某一角度分布，有时也会与 Y 方向或 X 方向平行分布。

2.2 该工程混凝土楼板裂缝类别

(1)该工程混凝土楼板裂缝是在主体结构竣工还没有投入使用也没有施加其他外荷载的情况下发生的，应不属于荷载裂缝。从混凝土楼板裂缝的分布状况、裂缝的形状、裂缝产生的时间，以及地基土的类别来看，混凝土楼板裂缝应属于非荷载裂缝类的基础沉降裂缝。混凝土楼板所有裂缝形状与通常所见的沉降裂缝形状又有所不同，所有裂缝都是沿着柱子的对角线方向，与 Y 方向成 45° 角延伸分布。裂缝在柱子角的近端较宽，而远端渐渐变细，裂缝最宽的地方大于 0.5 mm 左右，最长的裂缝有 2 500 mm。同一条裂缝在楼板面宽度较大，在楼板底较细。有一部分裂缝还没有贯穿，仅在楼板面上产生，还没有发展到楼板底。在此称为非典型性混凝土楼板裂缝。

(2)非典型性混凝土楼板裂缝由基础不均匀沉降产生。选取裂缝比较集中的区块进行研究，取图示柱网(见图 3)。在 53 号柱的纵横两轴线上的 42、64 号和 52、54 号四个柱子都有数量不等的裂缝。53 号柱承台是一个四桩承台，其 4 枚桩工程编号分别是 194#、195#、196#、197#。根据预应力混凝土管桩施工记录，现场施工桩端入土深度为 194# 桩 17 m、195# 桩 17 m、196# 桩 16.5 m、197# 桩 16.7 m。在场地地质工程勘察中，最靠近 53 号柱承台的钻探孔是 ZK16 孔，是取土样钻探孔。ZK16 孔座标 X=33 368.98，Y=89 798.51。ZK16 孔与 53 号承台距离是 X=5.7 m、Y=4.5 m。ZK16 孔换土深度至4-1 层即全风化岩层为 17 m。从 ZK16 孔的 X、Y 剖面图中可以看到，4-1 层的深度曲线沿着 X、Y 正方向都是向下走势(见图 4 和图 5)。图中粗线表示 53 号承台桩的位置。

图 3 混凝土楼板裂缝大样图

图 4 ZK16孔X方向4—4工程地质剖面图

图 5 ZK16孔Y方向8—8工程地质剖面图

显而可见，53 号承台桩的位置 4-1 层底深度比 ZK16 孔取土样 4-1 层底深度要深，所以 194#、195#、196#、197# 4枚桩端均未达到设计要求(进入 4-2 层不小于 500 mm)。4 枚桩的桩端都还在 4-1 全风化层，没有进入 4-2 强风化层，更没有进入 4-2 层 500 mm 深度。这样 53 号柱就不可避免会发生较大沉降。不均匀沉降对结构产生严重影响，特别是刚度较差的混凝土楼板，在拉应力的作用下发生开裂。

3 地基剪切破环形式

基础沉降的原因是由地基土被压缩或剪切破坏而造成的。一般有三种形式：整体剪切破坏、冲切剪切破坏、局部剪切破坏。

(1)整体剪切破坏时，地基土有明显的侧向膨胀现象，这时滑裂体整体地沿着滑裂面侧向滑移，地基失去稳定，剪切破坏面延伸到地表面，地表面明显隆起，致使基础沉降急骤增加，继而其中一侧的滑裂体失去平衡，导致基础严重倾斜。

(2)冲切剪切破坏是当地基土受到加载时，地基土压缩性高，地基土被连续压缩，基础随着下降，当荷载达到定值，地基在垂直面上发生破坏，滑裂面向下发展，这时地面不会隆起，基础倾斜也不明显。

(3)局部剪切破坏其特征介于整体剪切和冲切剪切破坏之间，滑裂面发展虽具有整体剪切破坏特点，但不延伸到地面，地面隆起不明显，基础倾斜也不明显。

4 管桩入土深度与承载力变化关系

从场地岩土工程勘察报告预制桩设计参数建议值中可知桩的入土深度在 16 m＜h≤30 m 时，4-1 层全风化岩层的桩端阻力特征值 qpa=4 500 kPa，4-2 层强风化岩层的桩端阻力特征值 qpa=5 500 kPa。

将有关数据代入 GB 50007一2011《建筑地基基础设计规范》规定的单桩竖向承载力特征值计算公式：

式中：up为桩身周长(m)；qsia为桩侧第 i 层土的侧阻力特征值(kPa)； li为桩穿越第 i 层土的厚度(m)；qpa为桩端阻力特征值(kPa)； Ap为桩底端横截面面积(m2)。

经计算，当桩端进入 4-1 层全风化层时，Ra=1 844 kPa；当桩端进入 4-2 层强风化层时，Ra=2 127 kPa。由此可见，桩端进入 4-1 层全风化层比进入 4-2 层强风化层的单桩竖向承载力特征值要下降 13.3%。

5 水泥搅拌桩施工对地基土的破坏分析

(1)水泥搅拌桩施工入土深度 8.00 m，喷浆、搅拌提升四搅四喷。搅拌桩桩机钻头叶片在重复下沉提升搅拌的过程中，对地基土的结构造成破坏，在搅拌桩桩身范围内的地基土结构被完全改变。不仅如此，搅拌机对土体产生的破坏力和水泥浆的压力还会扩散渗透至 3 倍搅拌桩桩径的土体范围内，使该范围内的土体结构发生变化，土的物理性能被改变，特别是土的密实度将大大降低，孔隙比上升。

(2)桩侧阻力的大小与桩周土的性质紧密相关，在影响桩侧阻力的诸多因素中，桩周土的作用是最为重要和最大的。桩周土的强度与桩侧阻力呈线性关系，也就是说桩周土的强度越高，那么桩侧阻力也越大。预应力混凝土管桩施工结束后，接着就开始进行搅拌桩的施工，使地基土的结构遭受破坏，强度下降，桩侧阻力随之大幅度降低。

(3)53# 柱承台的 4 枚预应力混凝土管桩 194#、195#、196#、197# 与搅拌桩的距离都在 1 500 mm 左右，预应力混凝土管桩施工完成后，马上进行搅拌桩的施工，搅拌桩施工过程中叶片旋转产生的剪切力和搅拌机钻头下沉提升的作用力，以及水泥浆的压力都会对搅拌桩桩径 3 倍距离范围内的地基土产生破坏作用，由于预应力混凝土管桩与搅拌桩距离过近，都落在地基土被破坏的范围之内，因此，这种破坏作用传递到预应力混凝土管桩的桩身周围土体，极大地降低了管桩的侧阻力。甚至在搅拌桩的深度范围内会全部损失预应力混凝土管桩的侧阻力。

若以搅拌桩深 8 m 计算，则桩侧阻力=up∑qsiali=333 k Pa

式中：up为桩身周长(m)；qsia为桩侧第 i 层土的侧阻力特征值(kPa)； li为桩穿越第 i 层土的厚度(m)。

这时预应力混凝土管桩的单桩竖向承载力特征值进一步下降，下降幅度为 20.5%。

6 结 语

综上所述，非典型性混凝土楼板裂缝是由基础不均匀沉降产生的，而引起基础不均匀沉降有两种原因。一是存在有些预应力混凝土管桩入土深度没有达到设计要求的持力层深度情况，因此降低了单桩承载力特征值。二是搅拌桩的施工对桩周土结构的破坏损失了预应力混凝土管桩的侧阻力，从而降低单桩承载力特征值。当两种情况叠加时，预应力混凝土管桩的单桩承载力特征值将降低 33.8%。53# 柱承台就会发生较大沉降，从而在附图 3 所示的范围内产生一个以 53# 柱为中心的下凹变形状态。在 53# 柱下沉时，由于受到了 52#、64#、54#、42# 柱的约束，变形应力便集中在混凝土结构最薄弱的楼板上，使楼板发生开裂。而 53# 柱位于由 52#、64#、54#、42# 四个柱子构成的正方形的对角线上，所以裂缝沿着45° 分布。这就是产生非典型性混凝土裂缝的根本原因。

为避免在类似工程中发生非典型性混凝土楼板裂缝的质量缺陷，建议采取如下措施。

(1)切实加强工程施工质量监督管理，确保每枚预应力混凝土管桩的入土深度和单桩极限承载力达到设计要求。

(2)在柱子的四周板面增设与柱子对角线正交的加强钢筋，以抵抗由于不均匀沉降而产生的拉应力。

(3)取消地面的搅拌桩，保持地基土的原始结构状态，避免预应力混凝土管桩侧阻力的损失，当地基土强度不能满足地面承载力使用要求时，将一层地面改为梁板结构。

参考文献：

[1]张雄，张小伟，李旭峰.混凝土结构裂缝防治技术 [M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]杨怀伟，戚贵成.软弱地基基础不均匀沉降原因分析及预防措施[DB/OL]. 2011.

[3]张志涛.预应力混凝管桩的承载力研究[D].济南:山东大学，2009.

[4]关云飞，赵维炳，唐彤芝.水泥搅拌桩的施工扰动效应 [J].路基工程，2009(5).

中图分类号：F407.9

文献标识码：B

文章编号：1007-4104(2014)10-0034-04

收稿日期：2014-06-22

通信地址：广东省广州市从化环市东路166号 广州城建职业学院 建筑工程学院。