不良钢渣地基对建筑结构的影响及处理方法

熊 娟 陈绍元

(武汉钢铁集团金属资源有限责任公司冶金渣分公司 湖北 武汉:430080)

不良钢渣地基对建筑结构的影响及处理方法

熊 娟 陈绍元

(武汉钢铁集团金属资源有限责任公司冶金渣分公司 湖北 武汉:430080)

膨胀是陈化不好的钢渣地基常发生的问题,其结果使建筑开裂、倾斜甚至破坏。文章指出了膨胀钢渣地基对建筑的不利影响和危害;列举了几个膨胀钢渣损坏建筑结构实例;提出了钢渣地基造成危害的加固处理方法,为类似工程提供参考。

钢渣;膨胀;裂缝

钢矿渣与高炉渣不同之处在于,钢渣是炼钢过程中产生的废料,不像炉渣可直接用作建材的原料;虽然同属于硅酸盐材料,但钢渣中含有大量的fCaO,fMgO,等不安定物质。大量的研究成果表明,钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁水化时会产生化学反应,钢渣中游离CaO遇水生成Ca(OH)2,钢渣中游离MgO遇水生成Mg(OH)2,会产生体积膨胀,从而产生向上的扩张力,造成建筑物的地坪隆起开裂、墙体开裂及承重柱上升、移位。许多国家对钢渣作地基回填材料进行稳定性研究,一致认为钢渣中的游离CaO和MgO是造成钢渣不稳定的重要因素。

1 钢渣地基对建筑的影响

钢渣的主要物理力学性能是能够满足一般工程要求的,但稳定性不良的钢渣,由于钢渣层膨胀与粉化,造成地基不均匀变形,使基础位移,结构变形,往往造成建筑结构的裂缝破坏,尤其以三层以下的混合结构最为严重。这类房屋重量轻,整体性较差,对地基变形反应敏感,容易裂损。钢渣地基的膨胀变形,一般有一个时间过程,是一个多次产生和发展的累积过程。建筑结构出现症害的时间,一般不易确定,钢渣是否膨胀,除了钢渣的成分组成这一内因外,其环境变化形成膨胀条件也是一个重要因素。有些建筑结构是在建成后即出现问题,有些是在正常使用约10年后在短时期内地基变形急遽发展而造成建筑结构破坏。地基的变形变化,引起建筑结构附加的应力和应变,当累积到一定程度,结构裂缝,变形得到满足或者部分满足,应力就发生松弛,如此往复。致使建筑结构变形或开裂加剧。

2 工程实例

2.1 内燃机车修理库厂房

某内燃机车修理库厂房,为多跨钢筋混凝土排架结构厂房,建筑面积约7676.4m2。建于1986年,近两年部分区域出现墙体地面开裂、倾斜,范围为其中的B～C轴线、1～12轴线加工间厂房,建筑面积约990m2。

B-C跨加工间厂房,跨度15m,轨顶标高7.8m,纵向共11个柱距,总长66m,柱距6m。其平面图见图1。

厂房主要构件屋架、吊车梁、柱等为预制钢筋混凝土构件。根据图纸及现场调查,厂房围护墙基础采用的是基础梁,厂房内辅助房屋砖墙基础采用的是混凝土条形基础。现场调查,发现存在围护墙体倾斜、厂房内办公室砖墙开裂及地面起鼓开裂等不良现象,因此检测首先调查基础下地基土的情况,其中厂房内地面为素砼地面,露天堆场地面为粒径20的矿渣地面。调查得知,基础梁下及地面的地基土由回填钢矿渣和粘土组成,回填钢矿渣的分布并不均匀,厚薄各处也不一致。砖墙倾斜、裂缝及地面起鼓开裂是由于钢矿渣膨胀所致。

现场调查,上部主体结构,未见因地基基础原因的倾斜、变形、沉降、结构间连接损坏等现象发生,所以判断钢矿渣膨胀未对厂房承重结构产生影响。

厂房内地坪,由于回填钢矿渣膨胀作用,地坪起鼓、开裂现象较为普遍,情况可见图2。地坪起鼓、开裂的分布规律是:厂房跨中区域离柱(墙)较远,受基坑(槽)回填钢矿渣影响轻微,目前状况尚可;靠近柱列(纵墙)附近区域,地坪开裂严重,B列大致在1～9轴线范围,C列大致在3～9轴线范围。

B、C两列厂房外围护墙,约在4～8轴线范围,因受钢矿渣膨胀作用,墙体(基础梁)底部受到向外的推力而倾斜。在地坪处量测墙体底部位移值,达到20mm以上。

同样,因钢渣膨胀原因,厂房内部办公室,墙体严重开裂破损。墙体裂缝状况见图3。

图1 机车修理库厂房平面图

图2 地面开裂

图3 墙体裂缝

2.2 配电房

某配电房,砖混结构房屋,单层,房屋总长12.99m,宽8.34m,建筑面积为109.59m2。纵横墙承重体系,预制屋面板。其平面图见图4。

图4 配电房平面图

配电房墙体裂缝普遍,几乎所有墙体均存在不同程度的裂缝,其中A、C轴线纵墙,A-4角部纵横墙,裂缝最为严重。A-4角部墙体上部,完全开裂破损,裂缝宽度已达到70mm,并伴有墙体错位、外倾现象。

其他部位的墙体裂缝,裂缝宽度多在10mm以上。墙体裂缝、位移,使得门窗框脱位或者严重变形。

裂缝形态,多为八字形裂缝,裂缝沿门窗洞口角处向上或向下斜向发展,其规律是门窗洞口角处裂缝较宽,远离洞口处变窄;部分裂缝表现为窗台下,或者屋面板下窗洞上水平裂缝;个别出现纵横墙交接处及墙体中部的竖直裂缝。

上述裂缝产生原因是该配电房建在钢渣回填的渣场上,且该地区地下水位较高,这为未陈化的钢渣提供了极好的水化条件。同时,检查发现,墙体裂缝处,地坪同样伴有严重开裂并明显膨胀起鼓现象。墙体裂缝见图5。

图5 墙体裂缝

2.3 管道支架

某炼钢厂西路煤气管道,于1996年建成。其形式为钢支架支撑煤气管道,钢支架落在独立的钢筋混凝土基础上。支架上设有DN2820mm、DN1420 mm两根主管道,上方还有DN50～DN600各种不同介质的管道12根。

2005年11月发现西路煤气管道局部区域(支架编号B522～B529区域,长约114m)钢支架发生了严重的倾斜,整个支架系统向南偏移,其中尤以半铰支架B524为甚,向南偏移354 mm;整个支架系统平均向南偏移187.3mm。B524支架抬高了近200mm;G525固定支架整体抬高,G525最大抬高点达到231mm。由B524、G525支撑的管道向上抬高,向上平均位移值达到142mm。B523上滚动支座的轴向位移达到195mm,管道DN2820mm波形补偿器的补偿能力达到极限。支架倾斜及管座位移见图6。

图6 支架倾斜及管座位移照片

该区域是个堆废料的渣场,地质条件较复杂,局部处杂填土厚达10m,持力层有Q3、Q4粉质粘土和矿渣,且混有大量的分布不匀的未经陈化处理的钢渣。同时,该区域地下水位高且含水量大,地下水深度平均达到4.5m,给钢渣进行水化反应形成了十分有利的条件;挖出的钢渣块直径达到400 mm,这也使得钢渣的水化反应时间延长。钢渣水化膨胀是造成煤气管道支架隆起倾斜的根本原因。

3 处理方法

对于采用钢渣地基的工程,为更有效的消除膨胀的影响,建议可以参照道路应用钢渣的做法,混合一定比例的粉煤灰等,减轻对建筑损坏。在选择加固方案时,应根据加固的目的,结合地基基础和建筑结构的现状,并考虑建筑结构、基础和地基的共同作用,可初步选择采用加固地基、加固基础或加强建筑结构刚度和加固地基基础相结合的方案。对初步选定的各种加固方案,应从预期效果、可行性和造价等多方面进行分析比选,确定最佳的加固方案。

地基不均匀变形及建筑结构破坏的根本原因是钢渣水化膨胀,因此,解决问题的着眼点,是设法消除或减轻钢渣水化膨胀的影响。

减轻钢渣膨胀影响方法之一只用陈化稳定的钢渣做回填地基材料。减轻钢渣膨胀影响方法之二可采用二灰钢渣,即在使用钢渣作回填地基的同时,掺粉煤灰,用粉煤灰与Ca(OH)2进行水化反应,降低Ca(OH)2膨胀影响。

为消除钢渣水化膨胀的影响,可在建筑结构设计或建筑结构加固设计时,使承重结构完全穿透钢渣层,即基础托换处理。某建造在钢渣回填场上的仓库,尽管钢渣层厚度达10多米深,由于采用了机械成孔灌注桩穿透钢渣层,尽管钢渣仍在膨胀,但对主体承重结构影响较小。钢渣膨胀对围护结构影响,可采用在围护结构基础梁下逐段清除钢渣换填处理,换填后的基础梁下要留有100mm空隙,给残余钢渣留有膨胀的空间。

对于已经破坏无法托换基础以及整体刚度较差结构,可采用加固地基与加强建筑整体刚度相结合的方案,基础加固可采用树根桩、小孔径灌注桩以及锚杆等方法,将基础锚固在受力岩土层中,抵御钢渣膨胀的影响;同时将上部结构加固成适应变形能力较强的钢筋混凝土夹板墙,或加固成钢丝网水泥夹板墙,足以抵御基础变形对建筑结构的影响。某炉渣间水处理站,单层钢混结构,破坏严重,采用了基础用树根桩锚固,墙体用钢筋混凝土夹板墙加固后,加固至今近6年,无细小裂缝出现。

加强建筑结构刚度和整体性的方法成功处理钢渣水化膨胀例子是某雨水泵房,由于近20m深的集水井采用大开挖施工,三层水泵房部分回填了近20米深钢渣;建成后墙体、地面开裂,上拱,由于该建筑为砖混结构,砖基础直接搁置于钢渣地基上,基础无法加固,只有加固上部结构,方法是将底层基础梁、与圈梁以及构造柱加强形成一刚度极大的空间桁架,支撑上部所有荷载,加固后的建筑结构像一艘船,搁置在钢渣“水面”上,可以完全抵御钢渣膨胀的影响。

托换基础的方法,也应用于本文中的煤气管道支架的纠偏加固,加固采用4～9根直径1200mm的人工挖孔桩穿过9～12m厚的钢渣层进行托换,并掏空承台下1m厚的钢渣后用中粗砂换填。

基础下钢渣层厚度较小(2米以内),可以逐段掏除钢渣进行换填处理,某办公楼为四层框架结构,柱下独立基础,回填了大量钢渣,但钢渣层厚度较小,经过变形观测,柱子变形趋于稳定,但填充墙体和台阶开裂仍在继续发展,采用掏除钢渣进行换填碎石后,变形完全消除。

某综合办公楼,承重主体为钢筋混凝土框架结构,桩基础穿透了钢渣层,框架柱主体未受钢渣变形影响。但基础梁与钢渣之间没有空隙,受钢渣膨胀影响,基础梁上拱变形,导致基础梁上部墙体开裂,窗户不能开闭;采用掏空基础梁下钢渣用粗砂换填后,基础梁上拱变形消失,裂缝宽度变小,窗户恢复开闭。

5 结束语

钢渣的回用是社会发展的需要,钢渣应用于工程地基回填,是其中的一个应用方向。但要慎重,用作地基回填的钢渣必须是陈化稳定的钢渣;钢渣地基的使用,应充分考虑工程性质、地质条件和房屋结构特点,慎重处理。解决钢渣地基的稳定性,是应用的关键,规范、完善钢渣稳定性的检测方法及技术指标则是今后亟需研究解决的问题。对于采用钢渣地基的工程,采取预防措施保证地基的可靠是根本,事后的加固处理是不得已而为之。

[1] 杨 丹,陈绍元.某炉渣间水处理站结构可靠性鉴定报告[R].武汉工程职业技术学院内部资料,2003.

[2] 李顺国,杨 丹,陈绍元.某公司综合办公结构检测鉴定报告[R].武汉理工大结构检测中心内部资料,2009.

[3] 李顺国,陈绍元,某氧气公司建筑物结构检测鉴定报告[R].武汉理工大结构检测中心内部资料,2010.

[4] J GJ 123—2000,既有建筑地基基础加固技术规范[S].

[5] 潘步云.钢渣地基的研究与应用[J].工业建筑,1993,10:31-34.

Effects of Poor Slag Groundwork on Architecture Structure and its Treatment

XIONGJuan CHEN Shaoyuan

Bulges in poor slag groundwork cause cracks,slant and even breakage in architecture.Examples are cited to illustrate effects of bulging groundwork on architecture structures,and some workable methods are put forward,which may serve as reference to similar projects.

slag;bulge;crack

TU441.6

A

1671-3524(2010)04-0027-04

(责任编辑:栗 晓)

2010-09-16

2010-10-18

熊 娟(1977～),女,工程师.E-mail:362068362@qq.com