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地下室顶板裂缝的分析及处理


地下室顶板裂缝的分析及处理

本人通过参加上海地区一项住宅工程地下室顶板裂缝处理过程,对裂缝的成因进行分析,并提示了处 理方法到预期效果,现将防治处理过程总结如下: 一、工程概况 该工程地下室为一南北宽 87m,东西长 215m 的不规则形平面,南面敞开,沿东、北、西面周边布置 五幢高层住宅,地下室中除主楼占去的面积外,其余机种均用于停车(以下称地库) ;高层主楼为剪力墙 结构,地库为单层框架结构,柱网一般为 9 X 9m(范围包括附图第六、七区) 。 工程地处上海软土地区,设计采用桩筏基础,主楼为¢1000、¢1200mm 的钻孔灌注桩,桩端进入强 风化岩层,地库为¢800mm 的钻孔灌注桩,桩端只进入砂层。地下室底板板厚 400mm 采用带肋筏板(桩 基承台) ,地下室顶板位于主楼一层楼面处,为肋形楼盖,板厚 120mm,地库顶面为井字楼盖,板的区格 为 3 X 3m,板厚 150mm。地下室底板及顶板均采用整体现浇钢筋混凝土结构,不留永久性变形缝,施工 阶段也不设后浇缝。 该工程施工顺序见图一,在底板和地下室墙全部施工完毕后,第一阶段按图中第一、二、三区的顺序 浇灌地下室顶板,并施工一、二、三幢高层主楼,至三幢高层主楼结构完工;第二阶段按图中第五、四、 六区和第七区的顺序浇灌地下室顶板混凝土,三个区之间间隔 2~3 个月,于 1999 年中浇完全部地下室顶 板。 2000 年春夏之交,因雨季及顶板积水,发现顶板板底渗漏,经检查,顶板可见且贯穿裂缝达 245 条, 比较集中于第四、第五和第六区,裂缝主要位于小井格板内,其走向为板的对角线方向,如附图一所示。 该工程在施工期间对桩基沉降进行了观测,到目前为止,三幢已建主楼基础最大沉降量 27mm,地库 只观测一次,未见沉降。 二、钢筋混凝土结构裂缝及其控制 (一) 裂缝的分类 裂缝根据宽度大小和产生的原因可分为微观裂缝和宏观裂缝。 1、 微观裂缝:尚未承受荷载的混凝土结构中存在肉眼不可见(宽度小于 0.05mm)的裂缝。微观裂缝 可分为: 1)粘着裂缝: 围绕在骨料与水泥石(水泥浆凝固体)粘着面上的裂缝。

2)水泥石裂缝: 水泥浆凝固体中的裂缝(存在于骨料与骨料之间) 。 3)骨料裂缝: 骨料本身的裂缝。

大多数的微观裂缝是粘着裂缝和水泥石裂缝。微观裂缝产生的原因是在温度和湿度变化的情况下,混 凝土逐步硬化并产生体积变形,由于骨料收缩很小,受热时膨胀系数也较小,而水泥石的收缩较大,膨胀 系数也大,故混凝土中的变形是不均匀的,不自由的。骨料和水泥石之间产生相互的约束力,特别是水泥 石收缩时引起的内应力较大,从而引起水泥石裂缝和粘着裂缝。
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微裂缝的分布不规则,且沿裂缝截面是不贯穿的,故混凝土仍有良好的抗拉和抗剪能力。对防水防腐 的使用也无危险性,可认为是无裂缝结构。 2、 宏观裂缝:承受荷载(动、静荷载和变形引起的荷载)后混凝土结构中产生的肉眼可见(宽度等 于和大于 0.05mm)的裂缝。宏观裂缝可分为: 1) 结构变形裂缝:由外加荷载作用和地基不均匀沉陷引起的裂缝。 2) 材料特性裂缝:由水泥水化温差、混凝土干燥收缩及外界气温变化引起的裂缝。 3) 施工不良裂缝:由于混凝土浇注不密实、水灰比过大或过早拆模引起的裂缝。 上述三种宏观裂缝中,据大量调查统计结果。结构变形裂缝约占 20%,材料特性和施工不良引起的裂 缝约占 80%。 实践证明,在荷载作用下或在温度应力、收缩应力作用下,钢筋混凝土结构中固有的微观裂缝会逐渐 扩展并增多,形成宏观裂缝。材料特性和施工不良引起的裂缝虽对结构的安全性影响不大,但会影响建筑 物的正常使用,且在荷载作用下,这些裂缝也可能会扩展而使结构破坏,因此,必须对宏观裂缝进行控制。 (二) 裂缝的控制 1、 裂缝的形式 从裂缝的深度看有表面的、纵深(深度达构件厚度一半以上)的和贯穿的;从裂缝的断面看有上宽下 窄的、下宽上窄的和等宽的;从位于构件平面上的方向看有纵向的、横向的和斜向的,裂缝的方向一 般情况下与主应力方向相垂直。 2、 裂缝的控制标准 根据我国现行规范及工程实践经验,处于不同环境及使用要求下的钢筋混凝土结构的最大裂缝宽度 (δ
max)的控制标准为:

无侵蚀介质,无防渗要求 轻微侵蚀,无防渗要求 严重侵蚀,无防渗要求

δ δ δ

max max max

=0.3~0.4mm; =0.2~0.3mm; =0.1~0.2mm;

为了避免产生不允许的宏观裂缝,应当采用有效的控制方法,采取必要的控制措施。 3、 裂缝的控制方法 1) 设置变形缝 在不影响建筑物的正常使用和美观的情况下,宜按现行有关规范要求设置永久性变形 缝(伸缩缝、沉降缝或防震缝) 。 2) 设置后浇缝 当不允许或不便设置永久性变形缝时宜在施工阶段设置后浇缝,其间距为 20~30m,或 采用间隔时间较长的施工缝分区施工。 3) 不设变形缝或后浇缝 在这种情况下应对结构变形、材料收缩和徐变变形进行计算,必须满足由上述变形产 生的拉应力不超过混凝土的抗拉强度,并应有下述的措施; 设计措施:对墙、板等薄壁结构(厚度 200~600mm)应增配构造钢筋(温度筋) ,提高混凝土的抗裂 性能;配筋时尽量采用小直径小间距的方案(如用¢8~14mm@150mm) ,全截面配筋率应在 0.3%以上;
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结构突变或开孔处会产生应力集中,应在转角或孔边设置构造筋或角筋;适当提高混凝土的极限拉伸及抗 拉强度。 施工措施:严格控制原材料质量和技术标准,粗、细骨料的含泥量不超过 1~1.5%;尽量减小水灰比 (可加适当减水剂) ;浇灌混凝土时下料不宜太快,振捣时间 5~15 秒/次,保证混凝土密实;加强混凝土养 护,保持湿润 15 天以上。 三、地下室顶板裂缝分析 根据上述钢筋砼宏观裂缝产生的原因和裂缝控制的一般原理,我们对该工程地下室顶板产生裂缝的原 因进行了分析,得出如下的看法。 (一) 顶板宏观裂缝主要是由于砼干燥收缩和气温变化而引起的, 因为顶板到目前为止只承受其 自重和少量施工荷载,结构变形很小,不会引起裂缝,而其面积很大,原设计不设变形缝 和后浇缝,虽然采用了分区施工,但每区面积仍然偏大,施工缝间距超过了后浇缝间距 (20~30m)的要求。且顶板第三阶段施工的时间在比较炎热的夏季前后,全部拆模后又 经气温较低的冬春两季,温差大,收缩也大。由此在板中产生的主拉应力超过砼的抗拉强 度而开裂。 (二) 从裂缝的分布和方向看,第一、二、三区最早施工,至少各有一边有伸缩缝余地,故裂缝 数量很少,同时由于建了高层主楼,靠近地下室墙、板周边刚度均较大,裂缝伸展受到限 制,方向也不规则;第四区至第七区因第二批施工,各边伸缩变形均受到一定的限制,收 缩应力和温度应力较大, 且未建高层主楼, 总的来说板的周边刚度较小, 裂缝伸展较自由, 故数量较多,关于裂缝的方向问题,可以作如下的分析。如图二所示。图中(a)表示当 板宽 B 远小于板长 L 时,沿 L 方向的应力σ x 远大于沿宽度方向的应力σ y,裂缝产生于 板的中央且方向垂直于长边;图中(b)表示当 B<L 但两者相差不大时,σ x>σ y,裂缝 产生于板的中间但方向倾斜;图中(c)表示当 B=L 时,σ x=σ y,裂缝为对角线方向。

位于第四、五、六三个区交界的地库顶板处,板中主要的有收缩和温度应力σ x=σ y,但由于西北角 (见图一)基础沉降大于东南角基础的沉降,尽管这种差异沉降很小,对建筑群的安全和正常使用不会带 来损害但会在地库顶板中产生一定的拉应力Δ σ ,增加了朝西北方向的拉应力(Δ σ +σ ) , (σ 为σ x 和σ y 的合力) ,故此部分裂缝的方向朝着东北(或西南)方向,且裂缝的宽度必然增大,如图三(a)所示, 第四,五区靠南墙处,因基础差异沉降引起的拉应力Δ σ 的方向与图(a)相反,故拉应力合成结果改变 了裂缝的方向,如图三(b)所示,此处的裂缝宽度必略小。 (三) 从设计方面看,应该通过计算顶板每一区格的收缩应力和温度应力,增配构造钢筋,并使 其符合配筋的构造要求。根据现场了解,顶板配置了上下双层双向¢10@200 钢筋网,其全 截面配筋率虽满足配筋率的要求,但钢筋的间距过大,如能改配¢8@100 钢筋网,则效果会 很好。其次,顶板有开小洞处,因洞角处应力集中,也产生了斜向裂缝,可能是未配洞角 构造钢筋所致。另外,最大间距是:长达 215m 的地下室顶板,设计上既无设伸缩缝,后 浇带也没有采用微膨胀砼,不符合现行设计规范的规定,是产生裂缝的重要原因。

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σx σy σy

σx σy σx

图二 材料特性裂缝的方向

(四)

从施工方面看,施工缝间距过大。顶板底部有局部蜂窝现象,说明砼捣筑欠密实。我们抽 测了十四处顶板钢筋位置,结果为:板底钢筋的砼保护层厚度为 16~20mm,偏大;板顶 钢筋的砼保护层厚度为 18~38mm,更偏大;钢筋纵横间距为 180~220mm,说明保护层厚 度超过要求,减弱了顶板的抗拉和抗弯能力,板中钢筋分布也不均匀。上述问题是顶板裂 缝的主要因素。另外,施工期间,地下室顶板作为施工场地,没有及时覆土遮盖,烈日暴 晒也是产生裂缝的一个原因。

四、地下室顶板裂缝的处理 本工程地库顶板在使用阶段虽有覆盖土,土上也栽有花草等常绿植物,可保持其处于湿润状态,故温 度变形将大大减少,施工阶段出现的裂缝有些将闭合,有些宽度将减小,但地库顶板是屋面板,荷载 也大, 必须严格防止渗漏, 其最大裂缝宽度不应超过 0.1mm 使其不影响地库的安全和正常使用。 因此, 施工阶段产生的裂缝必须进行有效的修补。 顶板裂缝修补处理顺序如下; (一) 清除顶板杂物并冲刷干净 (二) 经进一步详细勘查,发现顶板裂缝宽度一般为 0.04~0.1mm,每条裂缝平均长度为 2 米左右, 裂缝总条数经统计大约为 250 条,主要分布在四,五,六区,裂缝走向如附图一所示,而且 雨天从地下室里观察,可见裂缝中有白色的游离钙析出物,很明显,裂缝大部分均贯穿地下 室顶板。 (三) 根据以上裂缝的特点,选用中科院化学研究所研制的“改性环氧树脂”系列材料对该工程顶 板裂缝进行化学灌浆处理。
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1、 材料选择 改性环氧树脂浆材,其具有以下优良性能: (1) 起始粘度低,可灌性好,可灌入小至 0.01mm 的小裂缝中。 (2) 固化体的力学性能指标高,抗压强度为 70~90Mpa,抗弯强度为 30~80Mpa,裂缝粘结强度为 1.7~2.8Mpa. (3) 粘结力强,可与混凝土形成一体. (4) 固结体不易老化。 (5) 固结体不受酸碱,细菌等生物的侵蚀。 2、 施工工艺 (1) 清缝 找出裂缝,在裂缝明显处用切割机沿裂缝两边割开,深度在 0.5~1 厘米左右,用凿子剔除表面松散层, 形成“└┘”型槽,用钢丝刷刷干净贯穿裂缝两面的浮土或沉积物,使裂缝暴露出来,再用读数显微 镜读出裂缝的大小。

(2) 预埋灌浆嘴 在凿开处沿裂缝每隔 30~50 厘米预埋一个灌浆嘴头,用胶泥固定灌浆嘴后,在裂缝处的混凝土上下两 面,再用胶泥封闭裂缝。 (3) 试气 灌浆前用空气压缩机试气,试气有两个作用:检查裂缝是否止好;吹开缝内的灰尘,形成更好的灌浆 通道。 (4) 灌浆 待止缝胶泥固化并有一定强度后,配制改性环氧树脂灌浆液,用手摇压力泵从预埋灌浆嘴管中灌入裂
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缝中,使裂缝中充满浆液,即可绑扎封闭灌浆管。 (5) 后处理 待浆液固结后,敲掉灌浆管。 3、 质量控制 (1) 裂缝的清理是保证质量的第一关,裂缝中已充满了砂尘,裂缝下表面有游离钙析出物,若不 清理干净,则大大影响浆材的粘结力和固结体强度。 (2) 止缝是保证质量的第二关,止缝后,要求确保裂缝与灌浆系统形成密闭体系。 (3) 灌浆时,要求灌浆压力达到 0.4~0.5Mpa,并恒压 5 分钟,保证灌浆的质量。 (4) 控制进浆量,保证裂缝充满浆液。从灌浆量看,经统计,平均每米裂缝的灌浆量为 90 毫升, 经施工过的裂缝宽度普遍为 0.04~0.1 毫米,如果按 0.1 毫米宽度的裂缝计算, 每米长的裂缝容 积才有 14 毫升,可见进浆量足以达到要求。 (5) 由于施工阶段昼夜温差达 15 度, 根据已知的温度变化规律, 选择在温度较低的夜间进行灌浆。 (6) 在修补过的混凝土板裂缝处砌筑蓄水槽,灌水浸泡 24 小时,观察修补后裂缝是否渗漏,以此 作为补缝验收依据。 (四) 裂缝修补经检验合格后,尽快做好永久性防水层,覆土并做好排水设施,避免顶板暴晒和积 水。 五、结语 通过以上对地下室顶板裂缝产生原因的分析以及裂缝的修补处理,并经过一定时间的验证,该工程顶 板裂缝得到了较有效的控制,收到了较好的保护钢筋、防止渗漏的双重效果。大面积地下室顶板产生 裂缝是较为普遍的现象,裂缝产生因素是复杂多变的,处理的方法也是多种多样的,只有认真分析, 正确找出产生裂缝的原因,采取较为科学的处理方法,使裂缝得到最有效的控制,才是最佳的防治裂 缝的方法。

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