矩形鋼筋混凝土水池施工期裂縫產生原因分析

劉小平 甘志軍 閆 超 王達劍

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

1 概述

隨著我國全面建成小康社會的實現，農村飲水安全問題也越來越受到各級政府的重視，農村供水方式正在由傳統的分散式向集中式進行轉變，一大批的中小型凈水廠開始建設。鋼筋混凝土因其具有較高的強度，良好的抗滲性能和較好的耐久性而被廣泛應用在凈水廠構筑物之中。但是混凝土作為一種多相復合材料，裂縫問題向來都是混凝土結構無法回避的重難點，原材料、設計、施工、養護等眾多環節都有可能引起混凝土裂縫，影響水廠的正常運行，最終導致供水安全問題。

2 水池裂縫產生原因

混凝土本身屬于脆性材料，抗壓強度大、抗拉強度小，抗拉強度約為抗壓強度的1/20～1/10[1]，且混凝土屬于一種多相不均勻材料，當結構拉應力大于混凝土材料抗拉強度時即可出現裂縫。結合混凝土自身特性以及大量的工程實踐證明，鋼筋混凝土水池在工程實踐過程中產生裂縫的原因主要包括結構性裂縫和非結構性裂縫兩大類，其中根據相關資料統計，混凝土結構裂縫中非結構性裂縫占據80%[2]。

1)結構性裂縫。

結構性裂縫主要水池結構在受到外荷載，包括動、靜荷載作用，使得混凝土所受拉應力超過混凝土自身抗拉強度而引起裂縫。主要有兩種表現形式：分別為混凝土未達到設計強度而承受設計荷載作用引起裂縫和混凝土結構已達到設計強度而承受沖擊、地震等超設計荷載引起的裂縫。其中前一種裂縫成因在工程實際過程中表現在混凝土尚未達到設計強度而承受設計荷載；另一種裂縫成因則主要表現為混凝土承受荷載超過設計值，而使混凝土受力超過其承載能力而產生破壞。

2)非結構性裂縫。

非結構性裂縫主要是由于變形受到約束產生應力引起的裂縫，主要包括溫度變化、濕度變化、混凝土膨脹和收縮、基礎的不均勻沉降等因素。環境變化導致混凝土結構出現變形，當變形受到其環境約束時，使混凝土出現應力而產生裂縫。

結構性裂縫與非結構性裂縫的主要區別在于：結構性裂縫往往都是瞬時完成的，當混凝土所受荷載超過其材料承載能力時，裂縫瞬時產生，并隨之擴大。而非結構性裂縫往往不是瞬間產生，而是應力的累計和傳遞。在工程實際過程中，結構性裂縫可以通過在設計中進行控制，而非結構性裂縫引起原因復雜，通常為多種原因組合，較難控制，因此在工程建設過程中非結構性裂縫應該更加關注。

鋼筋混凝土水池作為一種薄壁殼體結構，池壁和水池底板厚度大部分為200 mm～600 mm，雖小于GB 50496—2018大體積混凝土施工標準中對大體積混凝土定義“混凝土結構物實體最小尺寸不小于1 m的大體量混凝土”[3]，但池壁在受到周遭約束情況條件下，施工期產生的水泥水化熱仍然較大，根據王暉等[4]有限元模擬，在施工過程中混凝土水化熱會增加7.1 ℃，對于薄壁結構的混凝土產生裂縫。本文以西南地區某農村飲水安全鞏固提升工程，凈水廠清水池施工期產生裂縫作為案例進行分析。

3 工程案例

3.1 工程概況

本工程位于西南地區某地級市農村飲水安全鞏固提升工程，為滇東高原向黔西高原過渡地帶，區域氣候為北亞熱帶與暖溫帶，半濕潤與半干旱氣候的過渡地帶，工程項目等級為Ⅲ等，項目規模為中型，供水規模近期5萬m3/d，遠期8萬m3/d。工程區地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜周期為0.45 s，地震基本烈度為7度，屬于區域地震構造較差的地帶。

凈水廠位于工程區內某一座山丘頂部，清水池位于廠區北側，設計容積為6 000 m3，分為兩座，每座3 000 m3，采用地埋式鋼筋混凝土無梁樓蓋結構形式，池頂結構層位于地面以上0.7 m，池底結構層位于地面以下4.0 m，池頂覆土0.8 m。根據地勘資料顯示，清水池基礎底板土層分別位于粉質黏土和弱風化粉砂質泥巖上，巖土分界線位于清水池長度方向約3/8的位置。清水池平面圖如圖1所示。

清水池平面尺寸為40.6 m×40.6 m，水池高度為5.15 m，水池外壁厚0.3 m，底板厚度為0.45 m，頂板厚0.30 m，中隔墻厚度0.20 m，池體中間分布間距為4.0 m立柱，立柱截面尺寸0.30 m×0.30 m，底板柱帽尺寸1.50 m×1.50 m，底板柱帽尺寸1.60 m×1.60 m。混凝土采用C30,P6防滲等級。

根據GB 50069—2002給水排水工程構筑物設計規范,大型矩形構筑物長度寬度較大時應設置適應溫度變化的伸縮縫，現澆鋼筋混凝土結構間距不超過30 m[5]，結合本工程區域為抗震較差地帶，伸縮縫于抗震不利，為抗震構造薄弱環節，因此本工程考慮水池超長結構后澆帶。由于基礎存在土巖交接面，存在承載力差別較大的地層，為了防止基礎存在不均勻沉降，從而產生裂縫，本工程在水池底板土巖分界面處布置加強鋼筋，加強鋼筋型號為16@150，沿分界縫兩側長度各為1.5 m。池壁結構、巖土分界加強、后澆帶結構鋼筋圖見圖2。

3.2 裂縫分布

本工程清水池施工分為兩次澆筑，以后澆帶為間隔分四區。水池底板及底板上部0.5 m為一次澆筑，池壁、中間隔板和頂板為第二次澆筑，中間采用止水鋼板止水，兩次澆筑時間間隔為31 d。壁板頂板澆筑拆模后，發現側壁及頂板出現細小裂縫(水池尚未進行滿水試驗)，仔細排查后確認可見裂縫26條，并在清水池四周角點及中心位置設置沉降觀測點，裂縫位置及觀測點詳見平面圖1，裂縫分布斷面圖見圖3，池壁裂縫現場圖見圖4。

根據現場觀測統計分類，清水池內壁發現裂縫26條，裂縫分布在清水池池壁(14條)、頂板(2條)以及中隔墻(10條)。其中16條裂縫呈豎直方向，從水池底部施工縫位置延伸至水池頂板掖角位置，發現約4處為斜裂縫(均分布在中隔墻上，分別為⑥，⑦，，)。

根據施工單位通過測縫儀進行持續觀測，裂縫大部分寬度為0.01 mm～0.2 mm內，其中大于0.2 mm共7條(③，④，⑤，⑧，，，)；其中最大縫寬為0.26 mm，共3條(④，⑧，)；縫深為20 mm～150 mm，其中中隔墻裂縫為貫穿裂縫，池壁②,⑨,三處為貫穿裂縫，其余各處裂縫均發現在水池內壁，外壁未發現裂縫。裂縫分布見表1。

表1 裂縫分布表

3.3 沉降觀測

通過對清水池頂部四個角點設置沉降觀測點，連續觀察沉降值如圖5所示。根據圖5，各個角點沉降值基本保持平衡，并未隨時間增長而增加。1號，2號，3號沉降點觀測數值較為接近，平均沉降值為0.151 m，4號點沉降值較大，平均沉降值為0.184 m，考慮到施工時頂板不夠平整，差值屬于誤差范圍以內。根據CESC 86:2015鋼筋混凝土軟弱地基處理設計規范,水池地基最大沉降量不宜大于200 mm[6]。本項目清水池沉降均滿足規范條件。

3.4 施工期過程及養護

清水池底板澆筑與高出底板0.5 m側墻為一期澆筑并設置止水鋼板，以后澆帶為界限，分為四區域進行澆筑，澆筑當天氣溫為16 ℃～24 ℃，澆筑完成后混凝土表面鋪設麻袋，并澆水進行養護，連續養護14 d。側墻和頂板一次性澆筑，澆筑當晚及第2天下雨，對頂板用防水布覆蓋直至雨停，后改用薄膜覆蓋并澆水養護，直至14 d。側墻頂板澆筑完成67 d后，完成后澆帶施工，后澆帶C35微膨脹混凝土。

3.5 裂縫原因分析

凈水廠水池大部分水處理構筑物為蓄水池，基本都屬于薄壁殼體結構，根據混凝土裂縫產生原因分類分析，本工程清水池尚未蓄水，基坑未回填，水池不受外力。在清水池底板澆筑前，施工現場對基礎進行驗收，現場對于土質基礎部分采用輕型動力觸探進行基礎驗收，根據現場試驗基礎底部承載力為120 kPa。根據計算，清水池正常使用工況時，基礎受外荷載105.19 kPa；檢修工況時，基礎承受荷載為57.71 kPa。根據現場試驗及計算結果分析,基礎承載力滿足設計要求，因此可判定水池裂縫為非結構裂縫。本工程清水池裂縫型式大部分為豎向裂縫，局部位置為斜裂縫，一般根據工程經驗，收縮裂縫多為豎向裂縫[7]。根據沉降觀測結論，1號，2號，3號沉降點沉降相對值較小，水池不存在不均勻沉降，排除因不均勻沉降引起裂縫。結合清水池薄壁結構的特點，池壁在溫度、濕度變化時產生變形，受角隅和底板的約束而產生拉應力，當應力超過混凝土抗拉強度時，裂縫產生。

1)底板對于池壁的約束。清水池壁板、頂板和底板分兩次澆筑，在底板之上0.5 m處設置水平施工縫。池壁澆筑時底板混凝土溫度及濕度均已恢復至常溫，在澆筑壁板時，由于水泥水化熱使得壁板混凝土溫度比底板高，新澆筑混凝土體積膨脹，由于受到底板約束，壁板受壓。隨著溫度的降低，混凝土體積收縮，但由于受到底板的約束，壁板混凝土受到拉應力。

2)角隅對池壁的約束。清水池頂板與池壁整體澆筑，角隅處有加強。角隅處剛度大于壁板，在混凝土澆筑過程中，角隅處由于剛度較大混凝土體積膨脹比例較池壁小，池壁混凝土受壓，角隅處受拉。隨著溫度降低，混凝土體積收縮，但由于受到角隅處約束，壁板混凝土水平受拉，裂縫為豎直方向，當拉應力超過混凝土抗拉強度時出現裂縫。

4 結論

混凝土水池在施工過程中產生溫度裂縫的主要原因是受到水池底板和角隅的約束，產生的約束力超過混凝土的抗拉強度造成的。為了防止裂縫的產生，減弱溫差，減小約束應力。主要措施包括以下3點：

1)降低溫差。降低施工過程中的壁板溫差與底板、角隅處的溫差。主要包括降低池壁的施工溫度，降低底板的初始溫度。盡量避免在氣溫較高的時候進行混凝土施工，同時對混凝土原材料的降溫，使用低熱水泥等，減小水泥水化熱，降低溫差。

2)使用微膨脹混凝土，在混凝土中添加部分添加劑，減小混凝土在冷卻后的收縮量，從而減少底板及角隅對壁板的約束。

3)適當增加構造方向配筋率，盡量采用鋼筋直徑小且間距較小的構造配筋，減小因混凝土收縮而產生裂縫。