張緒強

（廣州智科投資開發(fā)有限公司 廣州 510700）

0 引言

我國《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范：GB 50010—2010》［1］對允許裂縫（三級裂縫控制）的普通混凝土結(jié)構(gòu)，在Ⅰ～Ⅲ類環(huán)境條件下，最大裂縫寬度的限值為0.2 mm。《地下工程防水技術(shù)規(guī)范：GB 50010—2010》［2］也規(guī)定防水混凝土的結(jié)構(gòu)裂縫寬度不得大于0.2 mm。所以控制混凝土裂縫是工程建設中的一個非常重要的課題。

工程中一般采用“抗與放”的原則來控制混凝土裂縫［3-4］。按照文獻［1］，混凝土結(jié)構(gòu)為避免超長引起使用期和施工期的收縮裂縫，需要設置永久伸縮縫與施工后澆帶［5］；在混凝土內(nèi)加入膨脹劑［6］；采用補償收縮混凝土［7］或高性能耐久性混凝土［8-9］，均可達到減少混凝土裂縫產(chǎn)生的目的。本文根據(jù)“抗放兼施，以放為主”設計原則，提出一種構(gòu)筑物超長底板防滲關(guān)鍵技術(shù)，通過釋放混凝土應力，減小混凝土開裂幾率，提高超長混凝土底板防滲性能。

1 消除收縮應力關(guān)鍵技術(shù)

消除混凝土底板的收縮應力，控制混凝土裂縫寬度，關(guān)鍵在于如何減少基礎(chǔ)對混凝土底板的約束應力以及如何高效釋放混凝土因內(nèi)部溫度變化和體積變化所產(chǎn)生的收縮應力。本項研究根據(jù)這兩個主要思路提出以下兩種做法。

1.1 設置平滑面降低表面約束

1.1.1 技術(shù)原理

在一些項目中，底板會直接落在混凝土墊層上，混凝土墊層與底板之間過大的摩擦力將顯著增加底板的約束應力。為了減少混凝土墊層與底板之間摩擦力對底板約束應力的影響，本研究考慮在底板底與基底間涂抹環(huán)氧樹脂涂層（見圖1?）或?qū)⒒炷翂|層表面打磨光滑（見圖1?），使底板與混凝土墊層的接觸面變得光滑，減少混凝土墊層對底板的約束，使底板收縮的過程中均勻變形，減少拉應力集中。

圖1 底板接觸面Fig.1 Bottom Plate Contact Surface （mm）

1.1.2 計算分析

本項目采用MIDAS軟件對底板進行應力分析，對底板與基底之間的摩擦效應進行模擬，通過建立無處理情況、對混凝土表面打磨光滑（下文稱“光面”）、涂環(huán)氧樹脂涂層3 種對照實驗樣本，對比出涂環(huán)氧樹脂涂層改善表面約束的情況。

其中，仿真計算的關(guān)鍵參數(shù)取值對計算結(jié)果影響非常大，然而底板與墊層之間滑動摩擦系數(shù)的取值尤其缺少實際工程經(jīng)驗，為此進行試驗測定。

滑動摩擦系數(shù)實驗計算分析：本項目采用三試塊雙滑動面滑動摩擦系數(shù)試驗如圖2 所示，先給上下試塊施加豎向荷載，再通過施加外力推動中間試塊產(chǎn)生相對位移來測出摩檫力，并通過摩擦力計算公式如下：

圖2 三試塊雙滑動面試驗方案示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Double Sliding Surface Test Scheme of Three Test Blocks

其中，f為單位面積上的摩擦力；μ為摩擦系數(shù)；N為單位面積上的壓力；E為等效水平剛度；△s為水平位移。

本項目通過摩擦實驗得出無處理、光面、涂抹環(huán)氧樹脂處理的摩擦系數(shù)分別為0.3，0.082 6，0.080 2。

底板收縮應力分析：實際情況中，混凝土是一種各向異性、非均質(zhì)復合型材料，其熱學性能受很多因素的影響。為簡化模型，本文假定混凝土是均勻的各向同性材料，來建立有限元模型。通過建立不同板跨及不同的界面條件下的底板結(jié)構(gòu)受力模型，分析混凝土底板收縮應力數(shù)據(jù)如圖3所示，且從研究可以看出，在相同跨度的情況下，在溫差作用的條件下，底板經(jīng)過接觸面處理的收縮應力比未作任何處理的要更小。

圖3 底板收縮應力云圖Fig.3 Cloud Diagram of Shrinkage Stress of Bottom Plate

基于以上條件，進行有限元分析。具體分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同板跨度及不同摩擦條件下的底板拉應力對比Fig.4 Comparison of Bottom Plate Tensile Stress under Different Plate Span and Different Friction Conditions

根據(jù)有限元計算結(jié)果顯示，混凝土底板在光面基底以及涂抹環(huán)氧樹脂基底的情況下，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應力較不作基底處理的要小10%～15%，所以改變底板與基底之間的摩擦情況，能減少因摩擦約束帶來的拉裂情況。

1.2 增設變形溝誘導裂縫釋放應力

1.2.1 技術(shù)原理

在一些項目中，由于各種原因，底板不能設置后澆帶，在這種情況下，可考慮增設變形溝如圖5～圖6所示，減小底板在平面上被約束的有效寬度。變形溝溝面深度應深于底板底，讓底板標高平面上存在可收縮形變的空間，從而誘導應力集中至變形溝溝底內(nèi)。變形溝則可考慮在應力集中的范圍，設置超前止水做法，避免因應力集中的開裂而引起滲水。另外變形溝可考慮與線溝、水溝共用，對地下水的防治達到“防排合一”。

圖5 變形溝平面布置Fig.5 Plane Layout of Deformation Ditch （mm）

圖6 變形溝大樣做法Fig.6 Detail of Deformation Ditch （mm）

1.2.2 計算分析

本項目采用MIDAS 軟件對底板進行應力分析。通過改變一個超長底板上設置變形溝的間距距離，分析區(qū)域底板板頂與板底由于混凝土收縮所產(chǎn)生的應力，如圖7～圖8所示，分析出變形溝的設置以及不同間距對應力大小的影響。

圖7 不同間隔變形溝，板頂應力值對比Fig.7 Comparison of Stress Values at Slab Top of Deformation Ditch With Different Spacin

圖8 不同間隔變形溝，板底應力值對比Fig.8 Comparison of Stress Values at The Bottom of Plate and Deformation Ditch at Different Intervals

根據(jù)以上數(shù)據(jù)顯示，增置變形溝較不設置變形溝的情況下，底板的板面和板底應力都有不同程度上的降低，且應力降低的幅度在30%以上，設置變形溝的間距越小，所產(chǎn)生的應力值越低。所以設置變形溝能較好釋放板因收縮而導致的拉力，誘導板塊變形集中于溝內(nèi)，減少板塊之間因收縮而帶來變形拉裂情況。結(jié)合設置變形溝的工程效果和工程項目的經(jīng)濟性考慮，變形溝間隔不宜超過70～80 m/道。

2 工程實例

廣東省深圳市某大廈項目地下建筑占地面積約為2.67萬m2，屬于超長混凝土底板項目，地下室底板，一部分基底于微風化巖層上，一部分基底于粉質(zhì)粘土上。采用環(huán)氧樹脂涂層及光面處理，以解決因基底的不同約束帶來底板不均勻收縮問題，同時在兩地塊之間的連接位置增設變形溝，如圖9所示。

圖9 變形溝平面布置Fig.9 Layout Plan of Deformation Ditch

初凝硬化時，立即覆蓋2 層塑料薄膜，再濕水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間14 d。采用測溫法實現(xiàn)溫控，并用塑料薄膜保濕加草袋保溫的綜合養(yǎng)護措施盡快回填覆土，以緩慢降溫，降低約束應力。

混凝土澆筑后，經(jīng)過持續(xù)1個多月的裂縫統(tǒng)計，得出底板未出現(xiàn)貫穿性的裂縫，應用效果良好，如圖10～圖11所示。

圖10 深圳市某大廈地下室施工現(xiàn)場Fig.10 Construction Site of Basement of a Building in Shenzhen City

圖11 底板應用效果Fig.11 Effect of Baseplate Application

3 結(jié)論

通過軟件模擬計算得出以下兩個結(jié)論：①通過試驗得出底板與混凝土墊層在不同處理方式的摩擦系數(shù)，使用軟件進行模擬計算可以看出，采用環(huán)氧樹脂涂抹或打磨光滑混凝土墊層表面，可以減輕混凝土墊層對底板的摩擦，降低對底板的約束，使底板收縮的過程中均勻變形，減少由于混凝土收縮產(chǎn)生的拉應力，從而達到抗裂防滲的目的；②通過增設變形溝誘導混凝土釋放應力，相對于不作處理的底板所計算得出的拉應力有所減小，可以減小混凝土由于收縮產(chǎn)生的裂縫。從而提高超長混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂防滲性能，提升混凝土結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量。

通過具體項目工程的實際運用，也印證了本文的兩項新技術(shù)可以有效地減小超長混凝土底板的裂縫，對建筑結(jié)構(gòu)工程抗裂設計及施工有著重要的指導作用，具有良好的應用前景。