基于ANSYS的沉降后澆帶裂縫成因分析

張樂 王東溥 王一龍

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

隨著我國建筑行業高速發展，主樓帶多層裙房類型建筑大量出現，主樓與裙樓質量上的差異導致其對地基的壓應力大小、沉降量、沉降速度均不同。工程中常采用在主樓與裙樓間設置沉降后澆帶的方法消除沉降不均勻的影響，這樣雖滿足了建筑功能的需求，但因后澆帶裂縫導致的漏水問題卻難以根治，大部分后澆帶裂縫的處理都存在著反復開裂、修補成本高的問題[1]，根本原因就是沒有仔細分析裂縫的產生原因而盲目施工，因此對沉降后澆帶裂縫成因分析顯得尤為重要。

由于后澆帶的廣泛使用及防水工程的重要性，國內外很多專家學者對其進行了研究。商文念等[2]通過綜合考慮溫度、季節和基礎約束程度等因素提出不同情況下混凝土后澆帶臨界澆筑長度建議值；RUPAL A等[3]合成了一種新型的工業級瀝青與高分子(聚氨酯)添加劑的復合材料，用于研制防水保護膜；XU Z Q[4]通過分層考慮混凝土溫度變化和收縮變形，總結出幾種典型工況下混凝土裂縫深度和裂縫寬度的計算方法。我國為了提高地下室防水質量,出臺了GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(以下簡稱《設計規范》)和GB 50108—2008《地下工程防水技術規范》(以下簡稱《防水規范》)，為地下室防水質量提供了衡量指標,使得地下室防水設計及施工等有了可靠的依據。

本文以云南某工程沉降后澆帶裂縫為例，利用混凝土結構設計原理計算本工程后澆帶在荷載作用下裂縫的最大寬度，結合有限元軟件ANSYS進行數值模擬探究后澆帶裂縫成因和裂縫的發展趨勢，進而選用合適的防水材料并提出合理的堵縫措施，精準、有效且節約成本地解決后澆帶裂縫導致的漏水問題，并為類似地下工程裂縫的治理提供參考。

1 工程概況

本工程位于云南省某大橋附近，建筑結構抗震設防類別為丙類，抗震設防基本烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g。本工程由兩棟建筑組成，一棟為地上13層、地下1層的酒店，另一棟為地上3層、地下1層的商業區。建筑總面積約10萬 m2，商業區地下室底板頂標高為-5.1 m。兩棟建筑的地下室通過連廊進行連接，為了控制不均勻沉降的影響，在連廊處設置沉降后澆帶，現場后澆帶如圖1所示。

圖1 后澆帶施工

施工單位在后澆帶施工完成后于后澆帶頂部設立了數個沉降觀測點對后澆帶情況進行觀測，經一段時間觀測后發現：后澆帶施工結束20天時，附近出現少許水漬；到第50天，已經出現大面積水漬且發現明顯裂縫，經檢測裂縫長為12 cm，寬為0.33 mm。

明顯漏水現象的發生足以說明后澆帶處的防水措施已經失去作用，若對裂縫不進行有效處理，則裂縫勢必會逐漸擴大，漏水問題也會隨之加劇[5]。鑒于混凝土是以水泥為主要膠凝材料，與水、砂、石子按適當比例調配，經過均勻攪拌、密實成型及養護硬化而成的復合石材，其內部存在著大量的微裂縫，這些微裂縫在多種因素影響下都可能會發展，因此在處理裂縫時不能盲目，必須探究裂縫產生的原因，進而制定合適的解決裂縫的措施[6]。

2 理論計算

首先驗證裂縫是否由于設計缺陷導致結構本身剛度不足引起的，目前最大裂縫寬度ωmax的計算主要通過《設計規范》中給出的根據粘結滑移-無滑移綜合理論得到的半理論半經驗公式：

式中，acr為構件受力特征影響系數；ψ為鋼筋應變不均勻系數；Es為鋼筋彈性模量；σsk為按荷載效應準永久組合計算的縱向受拉鋼筋應力；cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣到受拉區底邊的垂直距離；deq為受拉鋼筋等效直徑；ρte為鋼筋配筋率。

2.1 荷載計算

對于地下室外墻而言，回填土對其作用屬于線彈性范圍，所以在進行荷載計算時可以將回填土對墻體的壓力視為靜止土壓力[7]。根據現場施工資料可知本工程地下室底板頂標高為-5.1 m，地下室外墻所使用混凝土等級為C30P6，墻高3.9 m，墻厚250 mm，在進行荷載計算時可以將底板與外墻視為完全固結，頂端視為鉸接[8]，施工所在地的地下水位為-3.2 m，回填土的天然重度γ=19 kN/m3，有效重度γ'=9.2 kN/m3，水的重度γw=9.8 kN/m3，靜止土壓力系數K0取0.6[9]。綜上選定地下室外墻計算簡圖如圖2所示。

圖2 計算簡圖(單位：m)

圖2中4個點的壓力值分別為

0點：σ0=K0γh0=13.68 kPa

1點：σ1=K0γ(h0+h1)=36.48 kPa

2點：σ2=K0γ(h0+h1+h2)=58.14 kPa

3點：σ3=γwh2=18.62 kPa

靜止土壓力的合力E0為

靜水壓力對墻體的合力Ew為

則有：

σ底=σ2+σ3=76.76 kPa

E總=E0+Ew=177.23 kPa

E0和Ew的合力作用點到墻底部的距離為

其中h0=1.2 m，h1=2 m，h2=1.9 m。

根據上述計算可以得出，實際工程中荷載對地下室外墻的作用可以等效為大小為177.23 kN/m的均布荷載沿著水平方向作用于距離墻底部1.29 m處。

2.2 裂縫寬度計算

考慮到后澆帶裂縫成因的復雜性，為了探究裂縫產生的本質，現對結構的受力進行理論分析。沿高度方向取1 m寬的外墻作為計算單元，由上文計算得出均布荷載大小為177.23 kN/m，結合設計資料得出裂縫寬度計算簡圖如圖3所示。

圖3 裂縫寬度計算簡圖(單位：m)

由現場施工資料可知每米寬C12混凝土的基本數據如下：面積AS=565 mm2，寬b=1 000 mm，高h=250 mm，有效高度h0=200 mm，混凝土抗拉強度標準值ftk=2.01 N/mm2，鋼筋彈性模量ES=2×105N/mm2。根據《設計規范》中給出的計算方法和取值范圍可得：

將上述數據代入前文半理論半經驗公式，得出在荷載作用下該沉降后澆帶最大裂縫寬度ωmax=0.1 mm。這個結果表明若本工程結構施工合理則該沉降后澆帶在此荷載作用下產生的裂縫的最大寬度應為0.1 mm，滿足《防水規范》的要求。

3 數值分析

鑒于后澆帶裂縫發展的復雜性，建立有限元模型可以更直觀地了解裂縫內部應力、應變等數值的變化，有利于分析裂縫產生的根本原因和潛在裂縫的發展情況；鑒于有限元軟件ANSYS中含有裂縫有限元模塊，可對裂縫信息進行定義，能清楚地反映裂縫的應力和應變，故本文借助ANSYS對后澆帶處裂縫進行模擬。

3.1 模型建立

為了提高模型計算速度及對裂縫分析的針對性，不必對整個后澆帶進行模擬，根據現場實際情況取等效裂縫模型長度1 m，寬度0.25 m，等效裂縫寬度為0.03 m，位置位于模型中間，如圖4所示。

圖4 裂縫模型

由于裂縫尖端和上下邊界的受力往往更加復雜，為了更好地觀察裂縫尖端和邊界受力情況，可以將這兩部分的網格劃分的更加細致，網格劃分如圖5所示。

圖5 模型網格劃分

模型的上下受到拉裂作用，故在模型左右兩端添加約束限制其移動[10]。由上述荷載計算可知裂縫處受到拉力大小為354.44 MPa，將其添加到模型中，約束與荷載施加如圖6所示。

圖6 模型荷載與約束

基于ANSYS有限元軟件對裂縫模型的模擬方式，對于裂縫的模擬要定義其裂縫信息，為了使模型更貼近實際工程，首先將裂縫前沿上的節點定義為節點組件，而對于裂縫紋面法向的定義，ANSYS可以自動生成裂縫的擴展矢量并進一步轉換成為單位向量[11]。鑒于裂縫無規則非對稱的幾何特點，要在有限元軟件中關閉對稱功能。

3.2 求解與分析

在為模型定義完各種參數后就可以進入計算環節，計算完成后可以得出包含應力、位移等云圖，通過分析云圖中的信息可以更加直觀地了解裂縫的情況，進而針對性地提出封堵措施。

圖7為裂縫的位移云圖，從位移云圖可以看出模型中最大位移為0.207 mm，產生于模型的邊界，說明荷載對裂縫邊界變形的影響更大，模型中裂縫的最大位移為0.104 mm，這個數據跟前文理論分析得到的0.1 mm相差無幾，由此可見模型的建立符合理論受力情況；受力最復雜的裂縫尖端處的最大位移為0.051 8 mm，尖端四周的位移值在此基礎上越來越小，這說明裂縫沿著水平方向延伸的概率很小。

圖7 裂縫位移云圖

圖8是裂縫x方向上的位移云圖，反映豎向裂縫潛在的發展區域，圖中淺藍色區域代表位移值較小，紅色區域代表位移較大，由云圖得出裂縫潛在發展區域的發展值遠小于0.3 mm，符合《防水規范》的規定，故實際工程中對該區域無須進行處理。

圖8 裂縫x方向位移云圖

圖9為裂縫尖端的應力云圖，從云圖可以得出裂縫尖端處的應力最集中，應力值也最大，說明如果裂縫延伸則會從裂縫尖端部分開始。結合理論研究和有限元模擬分析可知潛在的裂縫發展區域為原裂縫四周，為了防止出現新的裂縫和對現有裂縫進行處理，要選擇特定的可以承受圖中相應位移的彈性材料作為填補材料，該材料在注入到裂縫處后可以跟周圍的混凝土固結，進而達到堵漏的目的。

圖9 裂縫應力云圖(局部)

4 后澆帶裂縫成因分析

由上述分析可知在荷載作用下該沉降后澆帶最大裂縫寬度為0.1 mm，滿足《防水規范》關于裂縫寬度的規定，表明本工程結構設計滿足荷載要求，而現場實際發現的裂縫寬度為0.33 mm。根據本工程其他部位裂縫寬度滿足要求，且沒有發現滲水的實際，分析認為混凝土材料選用、配比、坍落度、澆筑等方面原因可能性小。經仔細查閱施工資料，認為引起開裂主要原因有：①《防水規范》要求沉降后澆帶混凝土澆筑至少在兩側混凝土齡期達到42天后進行，而施工單位為了追趕工期，在第41天就進行了澆筑，此時混凝土收縮膨脹還未完全，給后澆帶質量留下隱患。②由上述對模型的分析可知，后澆帶中多處裂縫均處于隱形發展階段，當外界荷載增加，如長時間停車、回填土堆積等都可能促使裂縫的發展。

5 裂縫堵漏施工

5.1 堵縫方法及防水材料的選用

(1)通過上述ANSYS模型和理論計算分析可得后澆帶出現裂縫是由于施工導致的混凝土質量缺陷，針對本工程裂縫特點擬使用高壓注漿法來治理后澆帶裂縫[12]，該方法具有施工工藝簡單、效果明顯、成本低等優點。

(2)根據前文理論分析和數值模擬，選擇水溶性聚氨酯注漿液作為注漿材料。水溶性聚氨酯注漿液是一種具有彈性的高分子材料，主要由氰酸酯和多羥基聚醚合成，具有穩定性好、強度高、無污染等特點。在注入進裂縫中后，該材料會與水發生反應產生一定的壓力，壓力可以將漿液擠入裂縫細微處，使得裂縫被徹底充滿，之后漿液逐漸固結，形成性能穩定的彈性體物質，阻止裂縫發展和水分侵入[13]，符合本工程對堵縫材料的需求。

5.2 施工流程及施工方法

(1)施工流程如圖10所示。

圖10 施工流程

(2)施工方法及注意事項：①基層處理：清理灰塵、突起物等影響施工的雜質，確保基層表面堅實、平整、干凈，有明水的及時掃除。②設置注漿孔：使用手提式電鉆沿裂縫兩側鉆孔，鉆頭要與混凝土面有一定夾角，鉆孔深度不宜過大，防止注漿液體的浪費。③注漿：注漿是進行裂縫封堵至關重要的一步，注漿時要注意單孔注漿直到鄰孔出漿后繼續保持5～7 min才可以結束本孔灌注，再將注漿機移至下一個注漿孔，重復以上操作步驟在全部的注漿孔都注漿完成后，為了保證注漿孔內的壓力要重新回到第一個注漿孔重復灌注一次。④結束注漿：等到孔內壓力穩定后還要繼續注漿2 min左右方可停止注漿。 ⑤封孔：注漿結束后要定期觀察，若一周后沒有注漿液從裂縫中流出則說明注漿液的固結效果明顯，此時方可卸下注漿嘴，并使用水泥砂漿對封口進行抹平。

5.3 防水效果

對該工程地下室后澆帶處的裂縫進行封堵后，表面水漬消失，墻體干燥。經過長時間觀察后發現裂縫封堵處出現了面積為0.06 m2的濕漬，小于《防水規范》中單個濕漬面積不大于0.1 m2的規定，滿足安全使用的條件，說明理論分析和ANSYS模型的建立貼合實際情況，堵漏材料選擇恰當，后澆帶裂縫的封堵和工程防水取得了良好的效果。

6 結論

本文以云南某工程地下室外墻后澆帶裂縫為例，通過理論分析結合有限元軟件ANSYS建立的數值模型，分析了后澆帶裂縫產生的原因和潛在裂縫的發展趨勢，提出了有效的后澆帶堵漏措施，為類似工程提供參考。主要結論如下：

(1)混凝土作為復合材料，其內部結構存在眾多的結合面。這些結合面隱藏著大量的微裂縫，故想要完全消除混凝土裂縫是不現實的，只有在保證建筑安全使用的前提下限制裂縫發展。

(2)不同建筑的裂縫成因各不相同，故對裂縫的封堵不能盲目，必須深入分析裂縫成因，選擇合適的堵縫方法與堵縫材料。

(3)建筑防水是集材料、設計、施工和維護為一體的綜合性、系統性工程,它們之間既各自獨立,又互為關聯，要建造一個優質工程，在施工中一定要抓好每一道工序的施工質量。