地下车库柱底喷水的原因分析

作者：王锁军

我曾写过一篇文章 《地下车库柱因浮力造成的破坏分析》 发布在土木吧，文中最后有两个地下室柱底周边喷水的视频，我当时不知道什么原因，想咨询一下吧里的朋友们一块分析一下。有的朋友留言了，也有专家只言片语的说了几句，感觉并不能说明问题，本文我尝试着系统的分析一下。

    这个喷水的视频还是让我很震惊的，我想不明白的是，即使混凝土在巨大水浮力的作用下构件开裂，但一般的车库都是卷材防水，也不至于发生如此的冒水，也许用的涂料防水层或刚性防水？

     暂不想建筑防水做法了，我们就按结构破坏或开裂后水冒进地下室来考虑吧。

     因为不知道冒水柱基础的具体做法，所以本文只能是猜测。

     下面是一般地下室无梁筏板或防水板基础的做法：

当然也还有梁筏基础，一般发生柱底开裂喷水的概率不大，故不在分析之列。

      图中第一、第二两种柱帽形式很多人认为是一样的。仔细看其实并不完全一样。

     对于柱的冲切承载力是完全相同的，但对于板的与柱帽交接的断面的冲切计算和受弯计算就不一样了。因为下沉柱帽往往都会做一个斜的放坡，这样冲切锥的中心周长往外扩了，增大了冲切锥的中心周长，与相对于上柱帽时冲切锥变小两者互相抵消了一部分，那种更大不好说，所以还是需要计算才能确定的。

     但当车库顶板的无量楼盖柱帽上翻时，如果不注意就很容易出现问题。

柱帽向上和向下的 A断面的冲切锥的周长差距很大，所以在认为上下柱冲切承载力是相同的，就很危险了。

     更大的问题来自于无梁楼盖的受弯承载力计算，仔细看下上面两个图的差别，上图柱帽在下方时无梁楼盖的计算跨度，可以采用如下的计算简图：

但当柱帽在上方时，见下图：

再按和下方相同的算法可能就是不安全的了，个人建议应该减小柱帽的尺寸来进行计算，如上图下方所示。

     程序在进行有限元无梁板计算的时候，同样大小的柱帽，上下柱帽计算的结构应该是不同的，但设计师要有这种意识，免的实际设计中认为相同而发生错误。

     还有一种常用的基础做法是桩承台加防水板（见上文中的草图）。

    

     从上面的几个图里看出，一般的破坏均为 45度裂缝的冲切锥面的破坏，但为什么视视频中的部位均在柱根呢？

     一个朋友在技术交流群里提出了一种观点（见下图），认为会不会是发生如下 “设想冲切面”的破坏呢？ 

我查阅了很多的资料，也认真思考了混凝土的破坏机理，认为不大可能发生设想冲切面的破坏，除非这个面恰好是施工缝或某种原因产生了缝隙，使混凝土失去了咬合力。

    有资料说可能发生的一种破坏形式是直冲 ,也就是直剪。见下图的红色界面：

通过简单的想象我们就可以知道，这种直冲或直剪破坏是摧毁了混凝土骨料之间的咬合力后在该面成锯齿状破坏，混凝土的这个直剪的抗破坏力比斜截面的破坏其实是拉应力的抗破坏力大多了（参见过镇海主编的钢筋混凝土原理的研究生教材），如果不是专门的创造这个破坏条件，这种直剪很难发生。

      但如果实际工程中存在这种破坏条件，还是很容易发生的，比如：

很多人对这种情况的新旧混凝土交界面上的直剪破坏不是很关注，上述情况很容易发生破坏，需要引起大家的注意。

 

     最近发生了很多起的无梁楼盖的破坏，而且几乎都是齐刷刷的沿柱根部的直剪破坏，看下图：

顶板的浇筑一定是整浇的，为什么也会发生直剪破坏呢？

     我猜测可能是设计时无梁楼盖的柱顶没有设置暗梁纵筋和箍筋，按柱上板带的板分布钢筋配的。正常荷载这样也是没有问题的，但当荷载人为的大于设计值很多倍后，柱顶的高应力区 (当配22      换个角度说，梁板结构的 45度锥面的混凝土本身抗冲切破坏并不见得比无梁楼盖的柱帽的抗冲切的能力大，但因为梁配置了很多的纵筋和加密的箍筋，一下子大大超过了无梁楼概的抗冲切的能力，所以就很少发生事故。

     实际上梁的斜截面抗剪和板或基础的抗冲切计算本质都是混凝土的 45度斜截面的拉应力超过允许应力的破坏，只是对于梁的一个矩形斜截面和对于板四周围合的锥体截面的分别叫做斜截面受剪和冲切的直观形象的文字称呼而已。

      混凝土规范的两个计算公式从混凝土本身的抗力部分是完全一样的，大家可以仔细看下规范的两个公式。

      那直剪和设想的剪切面都不应该发生，为什么都是柱根部裂缝在喷水呢？是不是也像无梁楼盖坍塌一样，根部高应力产生的裂缝导致直剪破坏呢？

     我觉的不会，因为无梁楼盖破坏是人祸，荷载增加了四五倍，而地下喷水是自然浮力，不会大的离谱，所以不会发生直剪的情况。

     到底是什么原因呢？人有时十分困惑的事情，往往经明白人一点就破。

      我的一个徒弟毕业就到我部门工作，人很好非常上进也很爱思考。后来他离开公司回了老家城市的一个著名的地产公司工作，干的风声水起。他看了我的文章给我微信说： “根部冒水不是因为裂缝在根部，而是因为地面的建筑面层与柱子的交接面在柱根部”，一句话惊醒梦中人。

      魏利金大师在朋友圈的一张图片（该图片已经授权使用）也印证了这个说法：

看起来还是斜截面或冲切锥面的的裂缝造成的冒水，只是通过面层和混凝土的接触面缝隙串到柱根部，从根部的面层与柱的缝隙里毛了出来。这很像过去的柔性软材防水，当一个点进水后，水会沿着卷材和混凝土界面的缝隙乱窜找到混凝土的裂缝留出，我们很难找到真正的渗水点一样。

 

     徒弟还详细给我分析了冲切破坏的原因，非常细致，很多是自己的思考甚至超越了规范和混凝土教材上的范围。

     他认为柱根冒水的原因一般是桩承台和防水板的构造缺陷造成的。

     我们上面分析过了，一般上或下柱帽的筏板及防水板发生冲切破坏的概率不大。

      但对于桩承台和防水板的情况就不一样了。

      下面是 G101桩基施工图图集。

设计师在做桩基及防水板的设计时往往直接选用标准图，然后防水板和桩承台相连，见下图：

这样就忽略了承台下部的钢筋应该上弯锚如防水板的范围内，而冲切锥面的向内的 45度又减少了冲切锥的面积，极易造成冲切裂缝。

     而非承台时的一般下柱帽（或柱墩）的构造做法见下图：

这样底部的上弯钢筋的方向正好和冲切面混凝土的拉应力相同，就会对冲切面起到很好的增加抗冲切力的作用。

     徒弟进而更深入的分析了防水板的钢筋的作用，认为水平钢筋起到了 销键 的作用，改变了冲切面的位置，见下图：

我仔细想了一下，觉的有一定的道理，但似乎还是有问题。

    钢筋的 销键作用 本质上还是钢筋的 抗剪 ，但这种纵向钢筋的抗剪并不是仅仅依赖钢筋的抗剪强度就像承压型高强螺栓的抗剪一样。纵向钢筋的抗剪和混凝土的强度等级有关系。

    见下图：

顶面和底面的钢筋并不能完全发挥钢筋的抗剪作用，因为薄薄的保护层一定首先被劈裂，使钢筋失去抗剪的能力。而中部的钢筋是能起到抗剪的作用的，但这种作用力是多大呢？

    混规给出的是横向箍筋和弯起钢筋的抗剪作用，这种纵向水平钢筋的抗剪作用规范就没考虑，介绍的资料不多。我想到了《钢结构设计标准》中的栓钉的剪力计算公式。位于混凝土内部的和剪切面垂直的钢筋的抗剪和混凝土的强度等级有关系，但抗剪能力最大不大于钢材本身的抗剪强度。

    见下图：

防水板水平钢筋的确起到销键的作用，增加冲切面的抗冲切的承载力。防水板上层钢筋的销键作用会拉裂混凝土保护层，从而失去销键作用，而下层的钢筋的销键作用会挤压钢筋上部的局部混凝土（上图公式和混凝土强度有关的原因），离开下部混凝土造成沿钢筋与混凝土下界面的缝隙，改变冲切面的方向，但应该不会较大幅度的改变冲切锥的位置，可能稍微改变一点。

   

     下图就是经过上述萝莉啰嗦分析的地下室柱根冒水的原因的简图，供大家参考。

 

    上面的分析是在没有冒水项目图纸资料的情况下根据朋友提供的一些信息和自己的猜测进行的分析，也许是错误的。但通过这些分析我们可以得到一些其它的收获，不仅仅只是认为找到了冒水的原因。

  1：无梁楼盖的上柱帽和下柱帽不完全等同。

  2：意识到实际的一些发生直剪破坏的条件，尽量避免和采取必要的措施。

  3：分析了无梁楼盖倒塌的原因。

  4：认识到了柱根冒水是因为面层与柱周的缝隙而不是受力破坏裂缝的直接的冒水。

  5：桩承台与防水板连接部位的构造往往是容易忽视的薄弱环节。

      建议在进行桩承台加防水板设计时，下部钢筋向上弯起锚如防水板内，甚至按下柱墩的形式做放坡 ;建议图集G101的桩承台增加有防水板的构造做法，避免误用。

  6：分析了水平钢筋的抗剪（销键）作用的机理。

  7：最终找到了作者认为的柱根冒水的原因。

 

     感觉还是蛮有成就感的！

 

     感谢：

     魏利金大师的视频和草图；本文开头的视频 1是魏总穿雨鞋冒险进入地下室拍到的清晰视频，非常感谢。

     韩燚对事故原因的分析；

     超限群朋友们提供的很多信息和资料。

     视频 2是网上流传的，一并对拍摄者表示感谢！    

 

                                          2020年8月17日