基礎(chǔ)工程溫度裂縫的作用

檀建成 韓宇平

1 概述

基礎(chǔ)工程相對建筑的其他部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件有著一定的特殊性。1)基礎(chǔ)工程約束邊界的特殊性。2)基礎(chǔ)工程使用條件的隱蔽性?；A(chǔ)工程在使用階段大都是埋置于地基土體之中的,且絕大部分在基礎(chǔ)上部都有具有遮蔽作用的水平構(gòu)件(樓、屋面板)和豎直構(gòu)件(外圍墻體)的遮蔽。

2 基礎(chǔ)工程的約束和溫度作用

大部分基礎(chǔ)工程因?yàn)槠湓诠こ掏瓿珊蟮碾[蔽性,使得基礎(chǔ)工程在使用階段和施工階段的邊界約束和溫度作用存在較大差異,所以要區(qū)別分析和處理。以下分別從施工階段和使用階段對各種類型的基礎(chǔ)工程進(jìn)行邊界約束和溫度作用分析。

2.1 施工階段的邊界約束和溫度作用

對于基礎(chǔ)工程而言,其施工階段的溫度作用主要受施工方案、技術(shù)條件和氣候條件影響較大。依據(jù)不同的場地條件、上部結(jié)構(gòu)形式和荷載情況,以上有些施工內(nèi)容可能不會出現(xiàn)在施工方案中,所以存在不同的施工方案。無論哪種施工方案,施工階段的共性就是基坑的開敞性和上部結(jié)構(gòu)的非完整性。

基坑的開敞性決定了基礎(chǔ)受到的溫度作用,主要就是在基坑(槽)的開挖后到基坑回填前之間的溫度作用。因?yàn)?當(dāng)基坑回填以后,基礎(chǔ)部分受到周遭土體保護(hù)和上部結(jié)構(gòu)體的遮蔽,受日溫度作用和驟然溫度作用的可能就非常小了,只是受到年溫度作用的影響。而年溫度作用的時間相對較長,且經(jīng)過季節(jié)更替后,材料的抗拉強(qiáng)度等材料性能指標(biāo)均已提高,開裂的可能性減小很多。綜合上述分析可見,基礎(chǔ)工程防溫度裂縫的重點(diǎn)就在于施工階段,特別是基坑回填之前,或者是基礎(chǔ)材料抗拉強(qiáng)度較小階段。

雖然基礎(chǔ)施工與結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)形式、埋設(shè)深度、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、施工條件及施工者的經(jīng)驗(yàn)、工期、氣候等因素密切相關(guān),但是施工階段的溫度作用和約束分析主要是與結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)埋設(shè)深度關(guān)系密切。無論采用哪種基礎(chǔ)形式,其共性就是為上部結(jié)構(gòu)提供一個與地基接觸且滿足基底壓力小于地基承載力的平面或平臺。從而作用在基礎(chǔ)上的溫度作用形式也就確定了,即在基礎(chǔ)的表面和基底之間產(chǎn)生溫差,進(jìn)而產(chǎn)生基礎(chǔ)表面膨脹(或收縮)與基底摩擦之間的約束形式。這里的溫度作用產(chǎn)生的膨脹或收縮是一個明確的作用,主要依賴于日溫度作用和驟然溫度作用。而日溫度作用取決于施工季節(jié),驟然溫度作用取決于施工階段的天氣情況。

假定如圖1a)所示基礎(chǔ)上部荷載分布,C為基礎(chǔ)形心,基礎(chǔ)表面受熱膨脹而產(chǎn)生向兩側(cè)運(yùn)動的趨勢,這里的基礎(chǔ)形心不是理想的膨脹的形心或者是不動點(diǎn)。不過可以假定C點(diǎn)為膨脹的形心,這樣就可以判斷各分段的運(yùn)動趨勢和摩擦力方向,當(dāng)在水平方向的所有矢量和為零時即說明假定的膨脹中心是正確的,否則,還要依據(jù)矢量和的正負(fù)性做假定膨脹中心的調(diào)整直至矢量和為零或接近零。

當(dāng)基礎(chǔ)受熱膨脹時,基礎(chǔ)內(nèi)主要表現(xiàn)為軸向壓力(見圖1),而受壓強(qiáng)度較高是絕大部分建筑材料所具備的特性,尤其是對于基礎(chǔ)所用的建材而言更是如此。而靜摩擦力的大小不是一個定值,靜摩擦力隨實(shí)際情況而變,大小可以是零和最大靜摩擦力之間的任一數(shù)值。而最大靜摩擦力的值取決于兩個因素:正壓力和摩擦系數(shù)。正壓力源于上部結(jié)構(gòu)的荷載與自重,摩擦系數(shù)取決于接觸面的粗糙度和干濕性。不同的結(jié)構(gòu)形式,結(jié)構(gòu)自重和荷載分布不盡相同,所以還要依據(jù)結(jié)構(gòu)形式和施工進(jìn)程等因素具體分析基礎(chǔ)的膨脹中心。

當(dāng)基礎(chǔ)遭遇降溫收縮時,基礎(chǔ)內(nèi)主要表現(xiàn)為軸向拉力。其原理同升溫膨脹,不同的是此時存在一個或多個收縮中心,以收縮中心為不動點(diǎn),兩側(cè)或周圍基礎(chǔ)表現(xiàn)為向此點(diǎn)的收縮趨勢,進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力(見圖2)。收縮中心同樣依賴于上部結(jié)構(gòu)自重和荷載分布情況。但是,降溫收縮時基礎(chǔ)整體表現(xiàn)為軸向拉力,而這一點(diǎn)是基礎(chǔ)材料的弱項(xiàng),因?yàn)榛A(chǔ)材料大多抗拉強(qiáng)度不高,以混凝土為例,抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之比由C15的7.87到C80的16.14,就是隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高壓拉比值增大,而對于普通燒結(jié)磚而言,則是隨著砂漿強(qiáng)度等級的提高砌體的壓拉比值縮小(見表1)。但是即便是砌體最小的壓拉比值也是較混凝土高很多的,也就是說,砌體的抗拉性能差。

2.2 使用階段的邊界約束和溫度作用

2.2.1 使用階段的邊界約束

對于基礎(chǔ)工程而言,其使用階段的約束特點(diǎn)就是較施工階段要強(qiáng),主要原因有:1)基礎(chǔ)回填完成后地基土對基礎(chǔ)的外圍約束加強(qiáng);2)上部結(jié)構(gòu)整體完成,基底壓力達(dá)到最大值,此時的基底最大靜摩擦力達(dá)到最大值;3)構(gòu)件材料強(qiáng)度提高,尤其是混凝土的抗拉、壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而提高很多,結(jié)構(gòu)的抗力較施工階段提高很多,構(gòu)件間相互約束增強(qiáng)。

表1 普通燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

2.2.2 使用階段的溫度作用

使用階段的溫度作用也較施工階段有所不同。由于基礎(chǔ)工程需要埋置的特點(diǎn),也就是基礎(chǔ)工程的隱蔽性,所以在正常使用階段,基礎(chǔ)受溫度作用的影響較施工階段要小很多。以下分別按日照溫度作用、驟然溫度作用和年溫度作用考慮使用階段的基礎(chǔ)工程的溫度作用。對于日照溫度作用而言,其主要影響為直接接受太陽輻射的構(gòu)件表面溫度和氣溫,在使用階段,由于基礎(chǔ)工程一般都埋置于地基土之中且上部有樓、屋面等構(gòu)件遮蔽,所以基礎(chǔ)工程此階段受日照溫度作用極小。而驟然溫度作用和日照溫度作用相似,其對基礎(chǔ)工程的影響也是相當(dāng)小的。至于年溫度作用,由于其作用時間跨度相對較長,且主要影響的是氣溫,而大氣溫度和土體溫度在一年中的變化比較而言,除距地表一定范圍內(nèi)的土體溫度受季節(jié)變化明顯外,在超過該深度的土體溫度在一年當(dāng)中相對穩(wěn)定,較年氣溫溫差要小,而前面提到的受季節(jié)溫度影響明顯的土層深度也就大致相當(dāng)于土體的標(biāo)準(zhǔn)凍深。除有嚴(yán)重凍脹的土體之外,一般不需要考慮年溫度作用對基礎(chǔ)工程的溫度作用和裂縫問題的影響。

3 結(jié)語

目前,溫度作用已經(jīng)引起了國內(nèi)外工程界的關(guān)注與重視,但是在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中所涉及的溫度作用問題,僅僅作構(gòu)造處理,這是不夠的。溫度作用對基礎(chǔ)工程耐久性的影響已不容忽視,在基礎(chǔ)工程中應(yīng)能像處理荷載那樣考慮溫度作用組合,對結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和變形進(jìn)行全面的分析。

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