付元東,郝 杰,安 鵬
(中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司,湖北 武漢 430501)
該工程±0.00 相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高21.25 m,地下室結(jié)構(gòu)完成面標(biāo)高為-5.900,塔樓范圍內(nèi)的地下室采用平板式筏型基礎(chǔ),筏板厚度為2 000 mm;相鄰塔樓之間基礎(chǔ)采用柱墩與筏板相結(jié)合的基礎(chǔ)形式,筏板的厚度為500 mm,地下室外墻厚度為800 mm,筏板、柱墩及外墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。
從構(gòu)件最小截面尺寸和混凝土體量綜合分析可確定,該地下室的基礎(chǔ)及外墻屬于大體積混凝土工程。根據(jù)圖1 地勘剖面圖和地下室結(jié)構(gòu)層標(biāo)高可以判斷,地下室基礎(chǔ)以下地基土質(zhì)為④-1 層粉質(zhì)黏土,其透水性較差,且項(xiàng)目距離長(zhǎng)江流域較近,地下水位較高,受地下水影響較大。因此,在地下室施工過程中需要同時(shí)考慮大體積混凝土和地下水的雙重影響因素。
圖1 地勘剖面圖
塔樓范圍內(nèi)的平板式筏型基礎(chǔ)和地下室外墻混凝土體量較大,混凝土中膠凝材料水化反應(yīng)熱釋放比較集中,內(nèi)部溫升較快,在混凝土內(nèi)部和表面形成較大的溫度梯度場(chǎng),使筏板和剪力墻內(nèi)外溫差較大,產(chǎn)生變形差。水化反應(yīng)引起的溫度變化和收縮易導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生,最終將會(huì)導(dǎo)致地下室底板出現(xiàn)滲漏,影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用[1]。
隨著現(xiàn)代化城市地下空間的迅猛發(fā)展,大體積混凝土在地下空間結(jié)構(gòu)中極為常見,溫度變化和收縮產(chǎn)生的有害裂縫對(duì)地下工程的不利影響也越來越多,較為常見且影響較大的是地下室底板和側(cè)墻滲漏問題。因此,尋求解決地下空間結(jié)構(gòu)混凝土有害裂縫的技術(shù)問題成為工程技術(shù)人員的重要研究課題。
2.2.1 浮托力有害因素分析
建筑物塔樓的重力通過筏板基礎(chǔ)豎向均勻地傳遞給地基,地基水頭在巨大壓力的作用下,勢(shì)必對(duì)伐板產(chǎn)生向上的浮托力。根據(jù)建筑基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性要求:
式中:Gk為建筑物自重及壓重之和(kN);Nw,k 為浮力作用值(kN);Kw 為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù),一般情況下可取1.05。
在抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)一定的情況下,浮力作用值隨建筑物自重及壓重之和的增加而增大。巨大的浮托力對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有向上的推力,受地下室結(jié)構(gòu)底板的阻礙,地下水的水頭勢(shì)能不斷增大,使結(jié)構(gòu)底板承受較大的壓力。由于混凝土在終凝之前的強(qiáng)度有限,當(dāng)水頭勢(shì)能超過了混凝終凝之前的承受能力時(shí),混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。同時(shí),浮托力還會(huì)加速水化反應(yīng)所引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致的有害裂縫的發(fā)展。因此,浮托力對(duì)地下室混凝土結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的破壞能力,容易導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)薄弱位置出現(xiàn)斷裂、結(jié)構(gòu)板上浮,以及地基基礎(chǔ)的不均勻沉降,降低了地下室混凝土結(jié)構(gòu)自防水的能力。
2.2.2 滲透有害因素分析
在水頭壓力作用下,地下水的滲透勢(shì)能較大。由于地下室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以下地基層土質(zhì)為④-1 層粉質(zhì)黏土,該土層滲透系數(shù)較小,因此對(duì)地下水側(cè)向滲透阻力較大。當(dāng)處于基坑降排水水系統(tǒng)較遠(yuǎn)處時(shí),地下水難以通過側(cè)向滲透及時(shí)排出,因此只能向上滲透。
在基礎(chǔ)墊層及結(jié)構(gòu)混凝土澆筑過程中,豎向滲透的地下水進(jìn)入混凝土中,改變了混凝土局部位置的水膠比,影響混凝土整體強(qiáng)度穩(wěn)定性。豎向滲水在水頭壓力的作用下,具有一定的穿透性,會(huì)在混凝土中形成滲流通道,并伴隨著輕微的流沙現(xiàn)象,豎向滲流通道會(huì)隨著混凝土的初凝而形成貫通的砂眼。此外,地下水的滲透作用會(huì)加速混凝土結(jié)構(gòu)有害裂縫的發(fā)展,加大了結(jié)構(gòu)墻、板滲漏風(fēng)險(xiǎn)。無論是滲流砂眼還是有害裂縫,都會(huì)造成地下室滲水,影響地下空間的正常使用功能,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全。
基礎(chǔ)抗浮與大體積混凝土施工技術(shù)措施結(jié)合運(yùn)用,其實(shí)質(zhì)是將解決地下水浮托力對(duì)基礎(chǔ)不利影響的技術(shù)措施與降低大體積混凝土水化熱的不利影響的技術(shù)措施進(jìn)行結(jié)合運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)一舉雙效,降低技術(shù)措施成本,提高工程實(shí)體質(zhì)量。
地下室結(jié)構(gòu)處于粉質(zhì)黏土層,周圍土體滲透性較小,地下水以孔隙水形式賦存于人工填土中,且僅有上層滯水以及地表滲水,為消除浮托力對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不利影響,該項(xiàng)目采用泄水減壓的抗浮技術(shù),實(shí)現(xiàn)無浮力底板,該技術(shù)與配重式抗浮及其他抗浮措施相比,泄水減壓抗浮經(jīng)濟(jì)效益甚為顯著[2]。泄水減壓抗浮的基本原理是通過在建筑底板和地下室側(cè)墻上預(yù)埋泄水減壓裝置,如圖2 所示,通過該裝置將地下室結(jié)構(gòu)底板和側(cè)墻土層中的壓力水排除,以消除地下水向上的浮托力對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響。
圖2 泄水減壓裝置示意圖
泄水減壓裝置由三部分構(gòu)成,第一部分為濾水裝置最底端的濾水包,安裝于土體與混凝土結(jié)構(gòu)的交界處,其作用是對(duì)地下水的初級(jí)過濾,防止泥沙進(jìn)入過濾裝置堵塞裝置。第二部分為直徑75 mm 的金屬止水套管,該部分主要作業(yè)是保護(hù)多級(jí)過濾料,形成地下水過濾通道,其止水翼緣兼具防水功能。第三部分是填充在止水套管內(nèi)的多級(jí)過濾材料,它的濾水功效要比濾水包更強(qiáng),其主要作用是在保障泄水的前提下,防止泥沙隨滲透水流被帶入地下室出現(xiàn)流沙現(xiàn)象,確保地基土體穩(wěn)定。
在大體積混凝土施工過程中,其質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要舉措就是控制膠凝材料的水化熱。在大體量的地下工程中,不宜劃分過細(xì)的施工段,因?yàn)槭┕たp是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫,而分層澆注易在先后澆注面形成混凝土結(jié)構(gòu)冷縫,大量的結(jié)構(gòu)裂縫和冷縫易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滲漏。
為降低水化熱對(duì)大體積混凝土的影響,現(xiàn)場(chǎng)采用混凝土內(nèi)部敷設(shè)冷凝管,通過冷卻水管中的低溫流體進(jìn)行熱量交換,降低混凝土中心區(qū)域的水化熱,從而能夠緩解溫度變化和收縮產(chǎn)生的有害裂縫[3]。
本文將泄水減壓抗浮與大體積混凝土施工技術(shù)控制措施相結(jié)合的基本原理如圖3 所示。通過將泄水減壓抗浮體系與大體積混凝土的冷凝系統(tǒng)連通成為一個(gè)整體,通過泄水減壓系統(tǒng),地下水進(jìn)入大體積混凝土冷凝系統(tǒng),借助流通的地下水吸收熱量,降低混凝土內(nèi)部的水化熱,從而避免混凝土澆筑階段出現(xiàn)滲流砂眼,防止有害裂縫的產(chǎn)生和加速發(fā)展。
圖3 基本原理圖
地下室抗浮的基本原理是地下水通過泄水減壓裝置進(jìn)入導(dǎo)流管內(nèi),導(dǎo)流管將地下水引入到室內(nèi)截水溝和集水井內(nèi),以卸除地下水浮托力對(duì)地下室結(jié)構(gòu)的影響。側(cè)墻泄水減壓裝置隨剪力墻的鋼筋施工同步安裝,泄水裝置濾水包安裝在剪力墻外側(cè)模板以外與回填土相通,內(nèi)填多級(jí)濾料的止水套管伸入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi),與豎向?qū)苓B通,通過側(cè)墻上的泄水減壓裝置,以消除側(cè)向地下水對(duì)地下室外墻的壓力。底板泄水減壓裝置是在地下室底板墊層混凝土澆筑階段預(yù)埋的,泄水裝置濾水包埋置于地基土體內(nèi),起到過濾豎向滲透壓力水的作用,內(nèi)填多級(jí)濾料的止水套管伸入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi),與水平導(dǎo)水管連通,以消除豎向地下水對(duì)地下室底板的豎向壓力。泄水減壓裝置的布設(shè)應(yīng)根據(jù)填土的寬度和夯實(shí)度,以及底板受到擾動(dòng)土厚度,合理確定側(cè)墻和底板泄水孔的間距[4]。
在泄水減壓裝置的作用下,地下室外圍壓力水的泄流方向如圖4 所示,通過人為導(dǎo)向,使壓力水按照設(shè)定的導(dǎo)向排出,可有效防止地下水穿透結(jié)底板,避免浮托力加速有害裂縫的發(fā)展,能有效提高地下室結(jié)構(gòu)混凝土的密實(shí)性和自防水性能。
圖4 壓力水導(dǎo)流圖
降低大體積混凝土內(nèi)部的水化熱是借助地下水在循環(huán)導(dǎo)水管內(nèi)流通實(shí)現(xiàn)的,循環(huán)導(dǎo)水管采用熱傳遞性能較好的管材,隨鋼筋工程埋置在混凝土結(jié)構(gòu)的中間位置,其進(jìn)水口一端與泄水減壓裝置相連,出水口與室內(nèi)截水溝相通,形成連通器。低溫的地下水在水頭壓力作用下,從泄水減壓裝置進(jìn)入循環(huán)的導(dǎo)流管,在管道內(nèi)部流通。在熱傳遞功能的作用下,混凝土中心區(qū)域的水化熱通過導(dǎo)流管將熱能傳遞給循環(huán)管內(nèi)的低溫水流,從而起到降低混凝土中心區(qū)域水化熱的功效。
循環(huán)水流在導(dǎo)流管內(nèi)的流向如圖5 所示,借助豐富的地下水在導(dǎo)流管內(nèi)持續(xù)性的流動(dòng),能及時(shí)降低混凝土內(nèi)的水化熱,防治混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度驟增,能有效抑制有害裂縫的產(chǎn)生,對(duì)提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性有重要意義。
圖5 循環(huán)水降溫示意圖
通過對(duì)基礎(chǔ)抗浮與大體積混凝土施工技術(shù)措施的結(jié)合運(yùn)用進(jìn)行研究,本文得出的結(jié)論是地下室泄水減壓抗浮體系與降低大體積混凝土水化熱的循環(huán)系統(tǒng)能夠有效的組合運(yùn)用。通過將兩者進(jìn)行組合,能在及時(shí)卸除地下水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)影響的同時(shí),可快速降低混凝土水化熱,從多方面防止混凝土有害裂縫的產(chǎn)生和加速發(fā)展,提高了混凝土的防水性能,對(duì)地下工程的施工具有重要意義。