对地基基础原因造成框架结构裂缝的研究

李树兵

（中房集团张家口房地产开发公司，河北 张家口075000）

0 引 言

整体现浇钢筋混凝土框架结构的特点，只凭模板、钢筋、水泥、砂、石等几样价格低廉、资源丰富的材料，就能在施工现场按图塑造出各种复杂的结构型式.以技术含量不高的手工作业工艺，凭完全露天作业的恶劣环境条件，施工质量很难有效控制，由于施工原因造成的工程事故也就必多.

对于各种体型复杂，规模偏大的现代建筑框架结构来说，由于其构造复杂，功能多样，从力学平衡条件、变形协调条件到本构关系合理条件极难同时控制，因此由于设计不合理原因形成的事故也就必多.

同时，对于规模偏大，构造复杂的框架结构来说，其负荷量大，对地基基础的要求也偏高，因此，由于地基基础原因引起的结构事故也就必多.这也是钢筋混凝土框架或刚架结构事故率很高的原因.

1 工程实例

1.1 工程概况

1.1.1 设计要点

某中学教学楼，建筑平面呈工字型，如图1所示.前楼3层为阶梯形教室，后楼8层为教学综合楼，前后楼之间用廊道连接，总建筑面积近11000m2，钢筋混凝土框架结构，设防烈度为7度，抗震等级3级.

图1 教学综合楼结构平面图

1.1.2 地质条件

地层构造如下：

（1）杂填土：由灰褐到褐红色，层厚0.1m～1.2m，由松软到中密，含有植物根与建筑垃圾.

（2）黏土：由褐色到褐红色，局部夹细砂，发育较完整，土质较均匀，平均厚度约6m.

（3）砂质黏土：以细、中砂为主要成分，层厚1.5m～2.5m，由褐色到红色；中实，饱和，可塑；含氧化铁成分.

（4）黏土夹漂石.红色，厚度不均，最大厚度为5m.

（5）第三系风化岩，褐红色，较完整.

动物试验表明：低镁饮食可导致大鼠冠状动脉内皮细胞损伤、肿胀和增生。用低镁饮食饲养的家兔可使其实验性动脉粥样硬化的程度加重及血脂升高。家兔摄入较多的天门氨酸镁使得动脉粥样硬化的发生率下降、血清胆固醇和甘油三酯减少、动脉壁内膜/中膜比例降低。研究中发现血清镁同血清胆固醇的浓度呈反比关系，从而提示从饮食中摄入镁可能会防止动脉粥样硬化的形成。因此，饮食和水中镁缺乏与IHD的发病有一定的关系。镁能够减少急性心肌梗塞(AMI)患者心源性休克的发生率。

1.1.3 施工概况

（1）人工挖孔桩由专门队伍负责施工，按规范操作，质量监控正规，检测工作到位，竣工验收合格.

（2）虽然没有完整的施工组织设计，且施工过程中发生过塔吊操作失误，行车塌落伤人等重大事故，也出现过拆模过早的现象.但是框架梁、柱和楼、屋面板等主体构件的混凝土强度等级均达到或超过设计强度，所用钢材材质的物理化学性能均符合规范要求，说明施工方面不存在大问题.

1.2 裂缝现状

（1）主体竣工时，并未发现肉眼可见的任何结构裂缝；

（2）工程进入装修阶段后，前后楼同时出现结构裂缝现象.

1）前楼结构裂缝出现在楼板的支座线附近，裂缝走向与支座（主框架梁）平行，缝宽在0.2mm以上，肉眼可见.

2）前楼二、三层卫生间漏水现象严重，根本无法投入使用.

3）后楼以墙面裂缝最为突出，东西山墙面上出现罕见的之字型裂缝和分枝状裂缝.每条裂缝蜿蜒曲折，长达数米.裂缝深度从面砖灰缝表皮一直贯通到墙体深部.

4）除山墙外，其他内外墙面均可见到裂缝，但以底层裂缝最为严重.

5）由于结构裂缝和楼屋面渗漏现象严重，在建成以后一段时期，不敢投入教学使用.

1.3 机理分析

1.3.1 裂缝产生的特殊性

（1）框架填充墙理论上并不受力，填充墙上出现不规则裂缝，必然是框架梁、柱出现整体变形，迫使框架节点出现角变位，从而使填充墙受挤，因此，必然存在特殊的原因.

（2）整体框架，尤其是设计安全水准偏高（按抗震设防）的框架，纵梁支座和板支座附近的负弯矩区，一般也由于塑性变形的影响，负弯矩值比理论计算值偏低，不应在此处出现裂缝.之所以在这里出现裂缝，也证明是框架出现整体变形所致，因此，必然存在特殊原因.

1.3.2 裂缝合成的必然性

（1）墙面上出现复杂产状的之字型裂缝和分叉形树枝状裂缝，必然有一组与裂缝产状（裂缝方向）相对应的主拉应力存在.

（2）框架出现整体变形的可能性一般是框架柱出现倾斜，使填充墙的一侧边受到挤压力，上框架梁出现荷载条件下的正常挠曲变形，使填充墙墙顶的跨中1／2区域范围内受到垂直压力，而墙顶的两个角区附近出现上拔力（由墙顶黏着力产生）；下框架梁（或地基梁）则出现上凸挠曲变形，填充墙的底部为了与地基梁的变形协调，则必在墙上产生与主拉应力相适应的倒八字型裂缝.墙底部分的倒八字型裂缝与由墙顶的垂直压力（重力）或向上拔力和墙侧柱身传来的水平挤压力合成的主拉应力引起的裂缝组合以后，就必然形成墙面的之字型裂缝或树枝状裂缝.

（3）框架柱出现倾斜变形后，主框架梁身亦出现向一侧倾斜，因而使一侧的楼板面有下抑趋势，板支座附近的负弯矩值衰减，而另一侧的板面有上翘趋势，板面负弯矩值激增，从而使裂缝首先在这里出现，裂缝走向与主框架梁平行，如图2所示.

图2 板支座附近的顺主框架梁方向裂缝形成图

1.4 原因认定

从以上的结构裂缝机理分析认定了墙面裂缝和板面裂缝的原因是由于框架出现倾斜变形，必须找出框架柱出现倾斜变形的原因.

（1）从工程地质条件可以认定，第三系红黏土必然属于具有一定膨胀势能的膨胀土，6m厚的红黏土夹在上下两个含水层之间，一旦吸水膨胀，必然会产生强大的各向异性的膨胀压力.

（2）人工挖孔桩的施工工艺是分段掘进（下挖），分段浇筑薄层钢筋混凝土护壁，浇筑条件困难，混凝土施工缝多，必然形成钢筋混凝土挖孔桩桩身与土体之间的输水通道，将上、下含水层中的水体输入黏土层，起到引“狼”入室的作用.

（3）红黏土吸水膨胀产生的膨胀压力就是导致人工挖孔桩桩身和框架柱倾斜的唯一原因.

（4）填充墙墙面裂缝、楼屋面板上裂缝主要也是膨胀土地基的破坏作用引起，另外施工管理不善，施工质量方面也可能存在一些问题，但决不是引起墙面和板面裂缝的原因.

1.5 安全评估

（1）由于通过桩身周围的护壁输水并进入黏土层有一个缓慢的时间过程，因此膨胀破坏作用的出现就要滞后很多.所以结构裂缝现象往往出现在主体结构竣工以后一段较长的时间内.

（2）桩周一定范围内的土体吸水、膨胀、并软化以后，会成为一个不能传递膨胀压力的缓冲区，对桩身起了缓冲、保护作用.因此当桩与柱的倾斜变形和结构裂缝现象发展到一定程度后，就会稳定下来，不会无限度的发展下去.如图3所示.

图3 桩周黏土吸水膨胀机理

（3）在软化缓和区的外围，形成了一个膨胀势能释放区，膨胀压力会向外围，向下层土，尤其是向抵抗力最弱的上层覆盖土爆发，因此会对底层地面引起长期的、持续的隆起破坏作用.

2 结束语

框架结构虽有事故率高、裂缝多的特点，但它具有一定的延性，结构整体性好，往往在事故面前能充分发挥裂而不倒的优势.本文结合工程实例对框架结构裂缝由于黏土地基膨胀导致桩身倾斜引起的结构裂缝事故进行了分析，得到了一些数据和经验.

［1］王枝胜，卢滔.建筑工程事故分析与处理，北京理工大学出版社，2009

［2］王赫，建筑工程质量事故分析与防治.第3版，中国建筑工业出版社，2008

［3］江见鲸，建筑工程事故分析与处理.第3版，中国建筑工业出版社，2006