基礎工程溫度裂縫的作用

檀建成 韓宇平

1 概述

基礎工程相對建筑的其他部位的結構構件有著一定的特殊性。1)基礎工程約束邊界的特殊性。2)基礎工程使用條件的隱蔽性。基礎工程在使用階段大都是埋置于地基土體之中的,且絕大部分在基礎上部都有具有遮蔽作用的水平構件(樓、屋面板)和豎直構件(外圍墻體)的遮蔽。

2 基礎工程的約束和溫度作用

大部分基礎工程因為其在工程完成后的隱蔽性,使得基礎工程在使用階段和施工階段的邊界約束和溫度作用存在較大差異,所以要區(qū)別分析和處理。以下分別從施工階段和使用階段對各種類型的基礎工程進行邊界約束和溫度作用分析。

2.1 施工階段的邊界約束和溫度作用

對于基礎工程而言,其施工階段的溫度作用主要受施工方案、技術條件和氣候條件影響較大。依據不同的場地條件、上部結構形式和荷載情況,以上有些施工內容可能不會出現在施工方案中,所以存在不同的施工方案。無論哪種施工方案,施工階段的共性就是基坑的開敞性和上部結構的非完整性。

基坑的開敞性決定了基礎受到的溫度作用,主要就是在基坑(槽)的開挖后到基坑回填前之間的溫度作用。因為,當基坑回填以后,基礎部分受到周遭土體保護和上部結構體的遮蔽,受日溫度作用和驟然溫度作用的可能就非常小了,只是受到年溫度作用的影響。而年溫度作用的時間相對較長,且經過季節(jié)更替后,材料的抗拉強度等材料性能指標均已提高,開裂的可能性減小很多。綜合上述分析可見,基礎工程防溫度裂縫的重點就在于施工階段,特別是基坑回填之前,或者是基礎材料抗拉強度較小階段。

雖然基礎施工與結構物的結構形式、埋設深度、工程地質及水文地質條件、周圍環(huán)境、施工條件及施工者的經驗、工期、氣候等因素密切相關,但是施工階段的溫度作用和約束分析主要是與結構物的結構形式、基礎埋設深度關系密切。無論采用哪種基礎形式,其共性就是為上部結構提供一個與地基接觸且滿足基底壓力小于地基承載力的平面或平臺。從而作用在基礎上的溫度作用形式也就確定了,即在基礎的表面和基底之間產生溫差,進而產生基礎表面膨脹(或收縮)與基底摩擦之間的約束形式。這里的溫度作用產生的膨脹或收縮是一個明確的作用,主要依賴于日溫度作用和驟然溫度作用。而日溫度作用取決于施工季節(jié),驟然溫度作用取決于施工階段的天氣情況。

假定如圖1a)所示基礎上部荷載分布,C為基礎形心,基礎表面受熱膨脹而產生向兩側運動的趨勢,這里的基礎形心不是理想的膨脹的形心或者是不動點。不過可以假定C點為膨脹的形心,這樣就可以判斷各分段的運動趨勢和摩擦力方向,當在水平方向的所有矢量和為零時即說明假定的膨脹中心是正確的,否則,還要依據矢量和的正負性做假定膨脹中心的調整直至矢量和為零或接近零。

當基礎受熱膨脹時,基礎內主要表現為軸向壓力(見圖1),而受壓強度較高是絕大部分建筑材料所具備的特性,尤其是對于基礎所用的建材而言更是如此。而靜摩擦力的大小不是一個定值,靜摩擦力隨實際情況而變,大小可以是零和最大靜摩擦力之間的任一數值。而最大靜摩擦力的值取決于兩個因素:正壓力和摩擦系數。正壓力源于上部結構的荷載與自重,摩擦系數取決于接觸面的粗糙度和干濕性。不同的結構形式,結構自重和荷載分布不盡相同,所以還要依據結構形式和施工進程等因素具體分析基礎的膨脹中心。

當基礎遭遇降溫收縮時,基礎內主要表現為軸向拉力。其原理同升溫膨脹,不同的是此時存在一個或多個收縮中心,以收縮中心為不動點,兩側或周圍基礎表現為向此點的收縮趨勢,進而產生摩擦力(見圖2)。收縮中心同樣依賴于上部結構自重和荷載分布情況。但是,降溫收縮時基礎整體表現為軸向拉力,而這一點是基礎材料的弱項,因為基礎材料大多抗拉強度不高,以混凝土為例,抗壓強度標準值和抗拉強度標準值之比由C15的7.87到C80的16.14,就是隨著混凝土強度等級的提高壓拉比值增大,而對于普通燒結磚而言,則是隨著砂漿強度等級的提高砌體的壓拉比值縮小(見表1)。但是即便是砌體最小的壓拉比值也是較混凝土高很多的,也就是說,砌體的抗拉性能差。

2.2 使用階段的邊界約束和溫度作用

2.2.1 使用階段的邊界約束

對于基礎工程而言,其使用階段的約束特點就是較施工階段要強,主要原因有:1)基礎回填完成后地基土對基礎的外圍約束加強;2)上部結構整體完成,基底壓力達到最大值,此時的基底最大靜摩擦力達到最大值;3)構件材料強度提高,尤其是混凝土的抗拉、壓強度隨著齡期的增加而提高很多,結構的抗力較施工階段提高很多,構件間相互約束增強。

表1 普通燒結磚抗壓強度和抗拉強度設計值

2.2.2 使用階段的溫度作用

使用階段的溫度作用也較施工階段有所不同。由于基礎工程需要埋置的特點,也就是基礎工程的隱蔽性,所以在正常使用階段,基礎受溫度作用的影響較施工階段要小很多。以下分別按日照溫度作用、驟然溫度作用和年溫度作用考慮使用階段的基礎工程的溫度作用。對于日照溫度作用而言,其主要影響為直接接受太陽輻射的構件表面溫度和氣溫,在使用階段,由于基礎工程一般都埋置于地基土之中且上部有樓、屋面等構件遮蔽,所以基礎工程此階段受日照溫度作用極小。而驟然溫度作用和日照溫度作用相似,其對基礎工程的影響也是相當小的。至于年溫度作用,由于其作用時間跨度相對較長,且主要影響的是氣溫,而大氣溫度和土體溫度在一年中的變化比較而言,除距地表一定范圍內的土體溫度受季節(jié)變化明顯外,在超過該深度的土體溫度在一年當中相對穩(wěn)定,較年氣溫溫差要小,而前面提到的受季節(jié)溫度影響明顯的土層深度也就大致相當于土體的標準凍深。除有嚴重凍脹的土體之外,一般不需要考慮年溫度作用對基礎工程的溫度作用和裂縫問題的影響。

3 結語

目前,溫度作用已經引起了國內外工程界的關注與重視,但是在混凝土結構設計規(guī)范中所涉及的溫度作用問題,僅僅作構造處理,這是不夠的。溫度作用對基礎工程耐久性的影響已不容忽視,在基礎工程中應能像處理荷載那樣考慮溫度作用組合,對結構的溫度應力和變形進行全面的分析。

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