多層砌體結構裂縫或變形原因分析及預防對策

呂長江 呂向明

(河南煤業化工集團鶴煤電石廠，河南 鶴壁 458050)

1 問題的提出

通過參加多層砌體房屋地基基礎驗收，參與結構裂縫事故調查分析，發現多層砌體房屋結構出現裂縫或變形多與地基基礎設計及變形計算疏漏有關，真正因設計造成結構構件強度不足問題引起結構裂縫的情況并不多見。多層砌體結構建筑地基基礎設計易出現的疏漏主要有以下幾個方面:1)未在變形計算指導下盲目處理地基，造成地基處理后仍然不均勻而未作地基基礎變形計算;2)建筑基礎構造設計不當造成墻段荷載傳遞擴散不開，形成實質反梁基礎;3)沉降縫地基基礎變形計算疏漏或基礎選型不當出現嚴重偏心，造成變形量過大。總之，地基承載力的不均勻與載荷分布的不均勻二者相互作用，使建筑地基產生不均勻沉降，不均勻沉降超過結構的彈性變形適應能力結構即出現裂縫。在認真分析產生變形裂縫原因的基礎上，按照地基基礎設計規范要求做到精心計算，精心設計，采取加強結構整體性構造措施，上述與地基沉降有關的裂縫完全可以避免。現將裂縫及變形出現的機理及應采取的設計預防措施論述于后，期望與同行探討提高。

2 地基基礎問題造成結構出現裂縫的原因分析及設計預防措施

2.1 地基處理不當造成結構出現裂縫的原因分析及預防對策

地基處理不當造成的裂縫出現在地基軟弱與堅硬區域之間建筑強度薄弱部位，嚴重時各層均可見。承載力不均勻地基或處理后的地基易出現此類裂縫。地基基礎設計規范“表3.0.2”規定可不作地基變形計算設計等級為丙級的建筑物范圍，分析表中對地基主要受力層承載力特征值的要求可以發現，地基越軟弱要求承載力越均勻，均勻程度達不到要求必須進行變形計算。就鶴壁市區來說，一般情況遇到的多層砌體結構房屋滿足不大于6層，130 kPa≤fak＜160 kPa要求(fak取地基主要受力層加權平均強度)不用進行變形計算。但是，常遇到地基土層局部軟硬不均問題，造成地基軟硬不均的原因很多，山區丘陵地區大多是自然形成的，平坦地區多受人為因素影響(如局部受水浸泡承載力變低、局部的人工擾動、局部土層性質明顯改變等)。由于局部異常范圍較小，工程地質勘察時不易被發現，施工圖設計階段僅進行地基承載力計算。施工聯合驗槽時發現局部軟硬不均，易犯的疏漏是，設計人員往往從不影響施工進度角度出發，憑經驗盲目對存在的承載力異常區域進行地基處理，忽視需要施工勘探并補充地基承載力及變形計算，這樣做有悖于規范對槽驗發現地基條件與勘察報告不符應進行施工勘探的規定，把本來該由勘察單位承擔的責任風險攔在設計方身上，其盲目處理的結果可能是處理后仍為不均勻地基，甚至出現矯枉過正造成更為嚴重的承載力不均，實質是有違地基基礎設計規范“第3.0.2條”關于地基基礎變形計算規定、“3.0.3條”關于施工階段地質勘察規定，問題嚴重的會導致結構出現裂縫。

筆者認為，作為結構設計人員，正確的做法應該是，在基礎聯合驗槽過程中發現有局部地基軟弱或堅硬異常(通常根據地層顏色變化及挖槽時的軟硬感覺判斷異常區域)應堅持設計原則，主動要求做施工階段工程地質勘察，根據補充的施工勘察成果，進行修改設計，發現異常區域承載力特征值超過規范“表3.0.2”中規定的數值區間，哪怕施工暫停，也應堅決做地基基礎變形計算，滿足變形計算要求可不對地基進行處理，不能滿足變形計算要求，建議異常區域基礎寬度按照原設計寬度不變，采用優先處理地基的方法，若處理后異常區域地基主要受力層承載力特征值與正常區域主要受力層承載力特征值接近，滿足規范“表3.0.2”中規定的要求，可作為均勻地基處理，不作處理后的地基變形計算。地基處理后不能滿足規范要求，必須進行地基處理后的承載力計算和地基變形計算，直至采取的處理措施能夠滿足計算要求為止。

地基局部處理注意事項及加強建筑整體性的措施。基于異常區域地基處理后主要受力層與正常區域受壓變形盡可能相一致的要求，如果能夠做到對異常區域主要受力層全部處理，采用的換填材料壓實后承載力與正常土層越接近越好。僅做部分深度的換填壓實，若處理的是軟弱土層要用比正常土層承載力更高的材料處理，若處理的是堅硬土層要選用比正常土層承載力較弱的材料處理。地基處理后出現軟弱下臥層的要驗算軟弱下臥層的承載力。即便是經驗豐富的設計人員，考慮施工因素也未必能夠做到地基處理后使異常區域地基主要受力層加權平均承載力特征值變得與正常區域很接近，因此設計人員要根據具體情況對地基基礎可能遇到的沉降危害做定性的分析，在理性分析的基礎上，對上部結構進行概念性的加強，增強結構抵御不均勻變形能力。造成房屋裂縫的危害程度與地基異常范圍的大小及在基槽中的位置有關，范圍大更易造成裂縫，處于建筑端部其危害大于中部，在定性分析的基礎上對房屋結構采取加強整體性的構造措施很有必要。

2.2 基礎結構構造設計不當、墻段荷載傳遞擴散不開造成出現裂縫的原因分析及預防對策

比較典型的是首層窗下墻倒八字裂縫的產生，地基承載力較低，大開間寬窗低窗臺，基礎埋深淺首層窗下墻易出現斜向裂縫，究其原因:1)由于基礎埋深淺，窗間墻荷載往往不能夠擴散傳遞到整個開間，造成窗下墻地基壓應力不均，引起窗間墻窗下墻沉降變形不均，不均勻的沉降量超過窗下墻彈性變形適應能力就會在窗下位置產生倒八字裂縫;2)由于首層窗下墻連同基礎相當于支撐在窗間墻上的倒梁(并非設計有意形成)，裂縫出現前窗下墻地基反梁強度未破壞前基礎底面應力基本均勻，施工過程中隨著窗間墻荷載增大窗下墻基礎反力也逐步增大，超過倒梁支座處的抗剪能力，裂縫出現后窗下墻地基退出工作，導致地基應力重分布，進一步加劇窗下墻窗間墻的不均勻下沉(見圖1，圖2)。

圖1 窗下斜裂縫

圖2 倒梁示意圖

消除此類裂縫產生的設計對策及構造措施。砌體結構建筑，基礎設計構造應保證荷載按照選用材料剛性角要求能夠擴散傳遞到所有帶型基礎部位，滿足這樣的要求就不會出現上述裂縫，一般情況下必須滿足上述要求，做不到就是設計上的疏漏。基礎墻段間無意形成的反梁結構，一般不能夠承受全部荷載形成的地基反力，除非建筑本身層數少，荷載輕。如果是局部問題，不得已形成的墻段間反梁，可采取加強窗下墻強度及整體性的構造措施或在基礎內設置局部的鋼筋混凝土反梁，并按照要求對反梁進行強度計算。鶴壁新區由于地處淇河下游沖積平原上，地基承載力較低，土層壓縮變形較大，初期建設的6層住宅3.6 m～4.2 m大開間底層窗下墻出現倒八字裂縫的幾率較高，后來設計上采取增加基礎埋深，首層窗臺位置設通長厚度不小于60 mm，配筋不小于3φ10的鋼筋混凝土帶等構造措施，使窗臺標高以下墻體形成組合梁，使窗下墻抗剪能力得到提高，剛性韌性增加，基礎底面應力均勻度得到改善，裂縫產生的幾率大幅降低。

2.3 沉降縫處端開間墻體產生裂縫及頂層墻體擠壓的原因分析及預防措施

按照建筑地基基礎設計規范“7.3.2條”的規定，當地基不均勻承載力明顯變化或建筑物層數差異較大時宜在相應部位設置沉降縫。沉降縫處雙墻基礎設計不當，地基變形過大是引起砌體裂縫、擠壓的主要原因(見圖3)。一般情況下建筑靠中間位置沉降量大，沉降縫多在靠中間位置，又由于砌體結構房屋承重墻體自身重量占建筑總重量的比重大，沉降縫處兩側雙墻總質量比非沉降縫處大1倍，4層～6層砌體結構房屋沉降縫處地基單位長度上承受的荷載，若作定性分析起碼相當于7層以上建筑非沉降縫處所承受的荷載，這樣大的荷載差異分布，不均勻沉降在所難免，不均勻沉降必然伴隨著扭轉，造成砌體出現裂縫或擠壓;沉降縫基礎出現偏心，基礎應力分布不均，甚至基礎偏心方向最大應力超過地基承載力要求，使沉降縫處雙墻基礎出現扭轉變形，也是造成縫側端開間縱墻裂縫和沉降縫擠壓的原因。

圖3 沉降變形擠壓危害示意圖

砌體結構層數較多時應該慎用偏心基礎，應與建筑設計結合適當加大沉降縫處雙墻距離，減小偏心量，在滿足偏心基礎承載力計算的同時要輔以偏心基礎變形計算，保證局部傾斜滿足規范要求;有關設計資料介紹的沉降縫基礎處理大多是以消除基礎偏心為目的，交錯基礎沉降縫構造較為復雜，施工麻煩，但可以避免基礎出現偏心，采用這種基礎形式，要想避免沉降縫處不產生裂縫或擠壓，應該在保證地基承載力要求的前提下對地基基礎進行變形計算，局部傾斜必須滿足規范要求，根據兩側局部傾斜產生的扭轉角及沉降縫總高度，計算頂端兩側墻體平移距離，確定合適的沉降縫寬度。如果設計成交錯基礎不滿足變形計算要求或沉降縫處雙墻基礎過寬顯得不合理時，可將沉降縫兩側的兩個端開間分別設計成兩塊筏板基礎，這樣端開間的兩道墻基可以看成一個整體來進行受力分析，兩道墻的合力作用點基本上位于開間中部，對筏板基礎來說偏心距小，筏板下地基反力分部均勻，避免了基礎邊沿高應力區的出現。筏板基礎面積大，地基附加應力小，端開間沉降變形小，能夠有效消除縫兩側墻體的過大沉降和扭轉。以上兩種基礎設計形式均解決了基礎受力偏心問題，工程實例證明，按照上述辦法設計沉降縫處雙墻基礎，不會出現沉降縫兩側墻體裂縫擠壓，處理效果十分理想。

3 結語

砌體承重結構房屋目前在中小城鎮依然是最常見到的房屋建筑結構形式，結構整體性較鋼筋混凝土結構差，一旦地基基礎變形計算或基礎構造設計疏漏易造成結構出現裂縫，在強調工程質量終身負責制的今天，結構設計人員必須對地基基礎設計等級為丙類的砌體結構建筑地基基礎變形計算高度重視，提高不均勻沉降控制意識，防止設計疏漏發生。切實做到地基基礎承載力計算、變形計算、結構構造措施相輔相成，就能夠防止砌體結構出現裂縫或過大變形的發生。