与主体结构相结合地下连续墙裂缝宽度计算的探讨

　　摘要：在计算裂缝宽度时可以计入计算截面以上部分自重的影响，按施工阶段最大弯矩计算裂缝宽度时应剔除规范公式中长期影响系数，在计算地下工程完工后最终工况的裂缝宽度时保护层厚度可以取为30mm，并比较以上二者裂缝宽度的最大值为裂缝控制依据。

　　关键词：地下连续墙;裂缝宽度计算;自重;长期影响;保护层厚度

　　地下连续墙因其造价较高，在工程实践中，如能与地下主体结构相结合，则能最大限度地发挥其作用。目前，这类工程也越来越多。当地下连续墙与主体结构相结合时，其作为永久构件的一部分，相应要进行正常使用极限状态验算。一般裂缝宽度要满足国家混凝土结构设计规范[1]限值，广州建筑基坑支护技术规定 [2]中规定，地下连续墙裂缝宽度在基坑外侧不应大于0.2mm，在基坑内侧不应大于0.3mm。有时裂缝宽度验算会成为截面配筋的控制性因素，进而影响地下连续墙配筋率。而配筋率的高低，是影响地下连续墙造价的一个重要指标。

　　但在裂缝宽度计算上还存在一些不同的看法。地下连续墙在施工阶段要经受一个最大弯矩，其不同于地下工程完工后的长期使用状况下的最终弯矩，一般施工阶段的最大弯矩要大于长期使用状况下的最终弯矩。一种看法认为，既然在施工阶段已经达到了最大弯矩，构件已然开裂，裂缝宽度就应该最大弯矩来计算。

　　兹就以下因素对地下连续墙裂缝宽度计算进行探讨，希望能抛砖引玉，以深化对该项计算的认识。

　　1. 理论分析

　　1.1 卸载裂缝闭合影响

　　施工阶段最大弯矩一般都发生在开挖到底或后面拆撑工况，一般不是最后的施工工况。到最后的施工阶段，地下结构梁板都已形成，地下连续墙所受弯矩较最大弯矩要有所减少。

　　鉴于目前对卸载阶段混凝土受弯构件荷载裂缝宽度变化的研究还是很少，参照东南大学蓝宗建[3]等人对部分预应力混凝土梁的研究，其所承受的荷载卸去一部分以后，原先已开展的裂缝又可以闭合起来，或变得很细微。蓝宗建[3]等人的试验表明，刚卸载时(弯矩-最大裂缝宽度)关系曲线为一段较短而且较陡的直线，随着荷载进一步降低，M在略低于消压弯矩之前，关系线转折为斜率平缓的直线。即在高于消压弯矩的荷载下，最大裂缝宽度一直呈减小状态。这里消压弯矩系指使梁的下边缘混凝土应力为零时所需施加的弯矩。在荷载高于消压弯矩状态下，部分预应力混凝土梁的受力变形性能大致相当于非预应力混凝土梁。

　　由此，地下连续墙在超过最大荷载工况后的后续工况，最大裂缝宽度可以部分回闭。

　　1.2 自重影响

　　在不承受竖向荷载的情况下，地下连续墙一般按纯弯构件计算裂缝宽度。不过地下连续墙自重还是很大的，地下连续墙计算截面以上的部分自重也应计入轴向压力。即地下连续墙可以按压弯构件来计算裂缝宽度。

　　由于有侧摩阻力的存在，地下连续墙自重不完全由下面截面承担。不过在最大弯矩工况时，基坑一般已开挖至计算截面，只存在单侧的侧摩阻力。可根据地下连续墙侧摩擦系数大小情况来对计算截面以上自重进行折减。

　　1.3 长期影响

　　根据混凝土设计规范[1]，裂缝宽度计算公式为：

　　其中包含考虑长期影响的扩大系数ct[4]，其表示在荷载的长期作用下，拉区混凝土的应力松弛和收缩、滑移的徐变等因素增大了缝宽的系数，试验结果为 ct=1.5。一般在施工阶段每工况持续时间由几天到几周不等，可大致相当于一个短暂状况的持续时间。可将计算公式中的长期影响扩大系数ct剔除。而对地下工程完成后的最终工况，可按规范公式[1]进行考虑长期影响的正常使用极限状态裂缝宽度计算。

　　1.4 保护层厚度影响

　　北京地方基坑规程[5]规定地下连续墙保护层厚度不宜小于50mm，其他地方规程和国家基坑支护行业标准[6]一般都规定地下连续墙净保护层厚度不宜小于70mm。

　　由混凝土规范[1]裂缝宽度计算公式，裂缝宽度与保护层厚度c成正比。而上海轨道交通设计规范[7]规定，在计算裂缝宽度时，当保护层厚度超过 30mm时，可取30mm。国家混凝土结构耐久性设计规范[8]规定：对裂缝宽度无特殊外观要求的，当保护层设计厚度超过30mm时，可将厚度取为 30mm计算裂缝的最大宽度。这相当于从另一个方向降低了裂宽的计算值。

　　2. 工程实例分析

　　2.1 工程概况

　　武汉某工程，场地地层主要由第四系全新统人工填土(Q4ml)、湖积淤泥(Q4l)、第四系上更新统冲积粉质黏土、粉质黏土夹粉砂、粉细砂(Q3al)、冲洪积卵石(Q3al+pl)、三叠系下统大冶群泥灰岩(T1)及二叠系上统中风化石灰岩(P2)等构成。表层填土和粉细砂和卵石层为含水层，其余为隔水层或微透水的过渡性土层，据含水层的性质可分为上层滞水和承压水两种类型。其中上层滞水主要赋存于表层杂填土层中，其水位、水量随季节变化，无统一水位。承压水主要赋存于下部粉细砂和卵石层中，场区内共有2层承压水，分别赋存于第(4)层粉细砂土层以及第(6)层卵石土层、第(7)层粉细砂土层中，其中对拟建建筑物基坑开挖有影响的为赋存于第(4)层粉细砂土层中的承压水，勘察期间为丰水期，其稳定水位埋深为5.00-12.30m。

　　主体结构为地上8层、地下2层框架剪力墙结构，地下一、二层高度约为7.5m左右，采用2m厚平板式筏板基础。基坑深约17.2m。由于周边环境对位移限制严格，围护结构采用1m厚地下连续墙+3道混凝土内支撑体系。地下连续墙与主体结构相结合，按永久构件考虑。

　　基坑围护结构变形计算采用国家基坑规程推荐的竖向弹性地基梁法进行，土的C、φ等参数指标按地质报告中的推荐值采用，围护结构的变形、内力及各项稳定性验算采用水土分算的原则进行，施工阶段取用主动压力，使用阶段取用静止土压力。

　　地下连续墙作为永久结构的一部分，迎水(土)面的裂缝宽度限值为0.2mm，背水(土)面的裂缝宽度限值为0.3mm。

　　地下连续墙混凝土强度等级为C30，钢筋主筋采用HRB335钢筋。保护层厚度为70mm。

　　2.2 工程设计

　　工程开挖及地下室施工阶段，地下连续墙最大弯矩标准值约为1200kNm。当裂缝宽度限制为0.2mm时，其正常使用极限状态下的配筋一般要大于承载能力极限状态下的配筋。如果按照通常计算，地下连续墙在此最大弯矩作用下的配筋要达到直径32+28@150mm。

　　当考虑剔除长期影响时，按直径28@75mm配筋的裂缝宽度约为0.185。

　　当保护层厚度取30mm时，按直径28@75mm配筋的裂缝宽度约为0.207。

　　当考虑卸载裂缝闭合影响情况，即可考虑地下连续墙在主体结构正常使用情况下的受力状况。本工程中地下连续墙与地下室外墙共同发挥作用，由地下室外墙承担地下水压力，由两墙共同承担静止土压力。在这种工况下，地下连续墙所受弯矩要小于地下室施工期间的弯矩。按直径32@150mm配筋即可满足裂缝宽度要求。但此种工况下地下连续墙的配筋还要与基坑开挖阶段下地下连续墙在承载能力极限状态下的配筋进行对比。

　　以上工况均可计入地下连续墙竖向最大荷载点以上部分自重，按压弯构件进行计算。本工程中由于最大荷载发生点距顶部不远，按压弯构件与按纯弯构件计算区别不很显著。

　　综合考量以上计算情况，本工程地下连续墙最终按直径28@75mm进行配筋。

　　3. 结语

　　综上所述，在计算裂缝宽度时可以计入计算截面以上部分自重的影响;按施工阶段最大弯矩计算裂缝宽度时可剔除规范公式中长期影响系数，也可按保护层厚度为30mm计算;在考虑卸载裂缝闭合影响情况下，可按工程正常使用阶段下地下连续墙所承担的最大弯矩进行计算。并对以上各种工况的裂缝宽度计算值进行综合取舍，作为最终配筋依据。

　　参考文献

　　[1]中国建筑科学研究院主编.GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

　　[2]广州市标准.GJB02-98广州地区建筑基坑技术规定[S].广州，1998.

　　[3]蓝宗建,庞同和等.部分预应力混凝土梁裂缝闭合性能的试验研究[J].建筑结构学报，1998，(2):33-40.

　　[4]过镇海,时旭东编著.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社，2003.

　　[5]北京市地方标准.DB11/489-2007建筑基坑支护技术规程[S].北京，2007.

　　[6]中华人民共和国行业标准.JGJ120-99建筑基坑支护技术规程[S].北京，1999.

　　[7]上海市工程建设规范DGJ08-109-2004城市轨道交通设计规范[S].上海，2003.

　　[8]清华大学主编.GB/T50476-2008混凝土结构耐久性设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

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