黏土地基膨脹導致樁身傾斜引起結構裂縫分析

胡春英 胡斌斌 涂 斌

1 工程概況[1]

1)設計要點。興建于 20世紀 90年代的某大學教學綜合樓，建筑平面呈工字形，前樓 3層為階梯形教室，后樓 8層為教學綜合樓，前后樓之間用廊道連接，總建筑面積近10 000m2，鋼筋混凝土框架結構，設防烈度為 7度，抗震等級取 3級。2)地質條件。地層構造如下:①雜填土:由灰褐到褐紅色，層厚0.1m～1.2m，由松軟到中密，含有植物根與建筑垃圾。②黏土:由褐色到褐紅色，局部夾細砂，發育較完整，土質較均勻，平均厚度約6m。③砂質黏土:以細、中砂為主要成分，層厚1.5m～2.5m，由褐色到紅色;中實，飽和，可塑;含氧化鐵成分。④黏土夾漂石:紅色，厚度不均，最大厚度為5m。⑤第三系風化巖:褐紅色，較完整。3)施工概況。a.人工挖孔樁由專門隊伍負責施工，按規范操作，質量監控正規，檢測工作到位，竣工驗收合格。b.雖然沒有完整的施工組織設計，且施工過程中發生過塔吊操作失誤，行車塌落傷人等重大事故，也出現過拆模過早的現象。但是框架梁、柱和樓、屋面板等主體構件的混凝土強度等級均達到或超過設計強度，所用鋼材材質的物理化學性能均符合規范要求，說明施工方面不存在大問題。

2 裂縫現狀

1)主體竣工時，并未發現肉眼可見的任何結構裂縫;2)工程進入裝修階段后，前后樓同時出現結構裂縫現象:a.前樓結構裂縫出現在樓板的支座線附近，裂縫走向與支座(主框架梁)平行，縫寬在0.2mm以上，肉眼可見。b.前樓 2層，3層衛生間漏水現象嚴重，根本無法投入使用。c.后樓以墻面裂縫最為突出，東西山墻面上出現罕見的“之”字形裂縫和分枝狀裂縫。每條裂縫蜿蜒曲折，長達數米。裂縫深度從面磚灰縫表皮一直貫通到墻體深部。d.除山墻外，其他內外墻面均可見到裂縫，但以底層裂縫最為嚴重。e.由于結構裂縫和樓屋面滲漏現象嚴重，在建成以后一段時期，不敢投入教學使用。

3 機理分析

3.1 裂縫產生的特殊性[2]

1)框架填充墻理論上并不受力，填充墻上出現奇異裂縫，必然是框架梁、柱出現整體變形，迫使框架節點出現角變位，從而使填充墻受擠，因此，必然存在奇特原因。2)整體框架，尤其是設計安全水準偏高(按抗震設防)的框架，縱梁支座和板支座附近的負彎矩區，一般也由于塑性變形的影響，負彎矩值比理論計算值偏低，不應在此處出現裂縫。之所以在這里出現裂縫，也證明是框架出現整體變形所致，因此，必然存在特殊原因。

3.2 裂縫合成的必然性

1)墻面上出現復雜產狀的“之”字形裂縫和分叉形樹枝狀裂縫，必然有一組與裂縫產狀(裂縫方向)相對應的主拉應力存在。

2)框架出現整體變形的可能性一般是框架柱出現傾斜，使填充墻的一側邊受到擠壓力，上框架梁出現荷載條件下的正常撓曲變形，使填充墻墻頂的跨中 1/2區域范圍內受到垂直壓力，而墻頂的兩個角區附近出現上拔力(由墻頂粘著力產生);下框架梁(或地基梁)則出現上凸撓曲變形，填充墻的底部為了與地基梁的變形協調，則必在墻上產生與主拉應力相適應的倒八字形裂縫。墻底部分的倒八字形裂縫與由墻頂的垂直壓力(重力)或向上拔力和墻側柱身傳來的水平擠壓力合成的主拉應力引起的裂縫組合以后，就必然形成墻面的“之”字形裂縫或樹枝狀裂縫，如圖 1所示。

3)框架柱出現傾斜變形后，主框架梁身亦出現向一側傾斜，因而使一側的樓板面有下抑趨勢，板支座附近的負彎矩值衰減，而另一側的板面有上翹趨勢，板面負彎矩值激增，從而使裂縫首先在這里出現，裂縫走向與主框架梁平行，如圖 2所示。

4 原因認定

從以上的結構裂縫機理分析認定了墻面裂縫和板面裂縫的原因是由于框架出現傾斜變形，因此必須再找出框架柱出現傾斜變形的原因[3]。

1)從工程地質條件可以認定，第三系紅黏土必然屬于具有一定膨脹勢能的膨脹土，6m厚的紅黏土夾在上下兩個含水層之間，一旦吸水膨脹，必然會產生強大的各向異性的膨脹壓力。2)人工挖孔樁的施工工藝是分段掘進(下挖)，分段澆筑薄層鋼筋混凝土護壁，澆筑條件困難，混凝土施工縫多，必然形成鋼筋混凝土挖孔樁樁身與土體之間的輸水通道，將上、下含水層中的水體輸入黏土層，起到引“狼”入室的作用。3)可以認定，紅黏土吸水膨脹產生的膨脹壓力就是導致人工挖孔樁樁身和框架柱傾斜的唯一原因。4)可以認定，填充墻墻面裂縫、樓屋面板上裂縫主要也是由膨脹土地基的破壞作用引起。另外施工管理不善，施工質量方面也可能存在一些問題，但決不是引起墻面和板面裂縫的原因。

5 安全評估

1)由于通過樁身周圍的護壁輸水并進入黏土層有一個緩慢的時間過程，因此膨脹破壞作用的出現就要滯后很多。所以結構裂縫現象往往出現在主體結構竣工以后一段較長的時間內。2)樁周一定范圍內的土體吸水、膨脹并軟化以后，會成為一個不能傳遞膨脹壓力的緩沖區，對樁身起了緩沖、保護作用。因此當樁與柱的傾斜變形和結構裂縫現象發展到一定程度后，就會穩定下來，不會無限度的發展下去。3)在軟化緩和區的外圍，形成了一個膨脹勢能釋放區，膨脹壓力會向外圍，向下層土，尤其是向抵抗力最弱的上層覆蓋土爆發，因此會對底層地面引起長期的、持續的隆起破壞作用。

[1] 謝征勛.工程事故分析與工程安全[M].北京:北京大學出版社，2006.

[2] 冼賢均.軟黏土地基堤防處理方案的選擇[J].施工技術，2009(5):121-122.

[3] 馬 凱，張嬋嬋.某工程樁身檢測存有三類樁的案例分析[J].山西建筑，2010，36(14):116-117.