超長地下室側壁的裂縫成因分析及控制技術

韓如泉

摘要：超長地下室側壁裂縫產生的主要原因是混凝土的收縮和溫度作用。采取加微膨脹劑、抗裂纖維、配置構造鋼筋、設置后澆帶、改善約束條件等 技術，在一定長度范圍內能有效地控制裂縫的產生。

關鍵詞：地下室側墻;裂縫;混凝土收縮;溫度應力

1 引言

地下室側壁裂縫一直是地下工程較為常見的問題，它易引起滲漏，嚴 重影響地下室的使用功能。尤其在今天，地下室側墻長度愈來愈長，遠遠 超出 GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》表 8.1.1 中關于地下室墻壁伸 縮縫最大間距 30 米的要求，因此有必要采取有效措施防止裂縫的產生。

2 裂縫成因及特點

約束條件下溫度變化以及混凝土收縮是地下室側墻產生裂縫的主要原 因。

在側壁澆筑的早期，因基礎底板已成形，其對側壁的約束作用及側壁 自身的混凝土干縮是裂縫出現的主要原因。使用階段，頂板在溫度作用下 的膨脹或收縮，在側壁中產生附加應力，從而引起側壁裂縫的出現。

散熱不均就會產生溫差，溫差和約束導致墻體變形不協(xié)調，就產生溫 度應力。地下室側墻通常遭受如下溫度作用：施工階段，混凝土澆搗產生 熱量，散熱不勻產生溫差;養(yǎng)護階段，早晚有溫差，有時寒潮來臨或者夏 天暴雨突降，溫度變化就更劇烈;在正常使用階段，溫度變化是由于季節(jié) 溫差和室內外溫差的存在，地下室側墻深埋在地下，土體對結構起到有益 的保溫和保濕作用，室內外溫差影響較小。但半地下室結構上部分的溫差 及收縮應力較大，而土中部分溫差及收縮較小，兩者之間變形不諧調，易 產生應力，從而導致墻體開裂。

混凝土在硬化過程中由于化學作用、水分蒸發(fā)、碳化等原因會發(fā)生收縮變形。關于素混凝土的收縮公式，一般采用下面的指數函數表達式：

計算所得收縮變形除以混凝土的線膨脹系數，就得到混凝土收縮等效 溫差，即收縮變形可換算成溫度變化。

地下室側壁裂縫絕大多數為豎向裂縫，位于墻中間部分的裂縫大致呈 豎向平行分布，在墻的兩端呈倒八字形，縫長一般接近墻高，從上下兩端 到中間逐漸變細，裂縫寬度一般小于 0.3mm。中部裂縫較多，兩端較少。隨時間的推移，裂縫進一步發(fā)展，數量增多，但縫寬加大不多。

據研究，地下室側壁裂縫具有開裂有序性。中部最先出現第一條裂縫，墻體分成兩部分，每部分又有自己的水平應力分布，如果應力較大，則形 成第二批裂縫，直到最后最大水平應力較小，裂縫穩(wěn)定。這種裂縫開裂形?式稱為“一再從中部開裂”。由于混凝土墻體強度不勻，裂縫產生部位有時 不完全位于正中部。

3 溫度應力計算

目前，在工程應用方面大部分都是采用近似方法進行計算。例如，王 鐵夢教授推導的墻體溫度收縮應力基本公式：

ch—— 雙曲余弦函數，這里 Cx?為基礎水平阻力系數，C10 以上配筋混凝土，?。?.0～1.5） ×10-3N/㎜ 3，低強度等級混 凝土素混凝土?。?～10） ×10-2N/mm3。

此公式是以材料彈性為基礎，不能反映混凝土材料的非線性性能，同?時又未涉及鋼筋分布，不同的配筋率對結構裂縫的影響，有一定的局限性。

鋼筋混凝土非線性有限元分析方法是研究混凝土結構溫度作用規(guī)律，探索裂縫控制最有效的方法?？紤]問題比較全面，如：鋼筋混凝土非線性、 受拉勁化、粘結滑移、約束強弱等。但計算必須編寫有限元程序或用大型?通用軟件，計算較為復雜。

4 裂縫控制技術

4.1 合理選擇原材料

澆注超長地下室側墻的混凝土除滿足強度指標外，還應具備下列性能：低收縮率、低水化熱、適宜的塌落度和早強性。

水泥是混凝土主要組成材料之一，是水化熱的來源，宜選擇低熱水泥 或粉煤灰水泥，應最大限度地控制水泥用量，對于C40、C50 混凝土，控 制在 400kg / m3?以內，摻加粉煤灰替代部分水泥，一般摻量為 10%～20%; 極限收縮率宜低于 0. 03%。

粗、細骨料也是混凝土的重要組成部分，級配越好混凝土的抗變形能 力越好，在滿足級配、泵送要求的條件下砂率越小越好。

4.2 加強保溫養(yǎng)護

在相同條件下溫度變化越大，變化越劇烈，則產生的應力越大。采取 蓄熱養(yǎng)護措施，使溫度變化緩慢進行，混凝土的徐變特性可使得溫差引起 的應力逐漸松弛，即延長保溫時間控制裂縫。具體措施：采用木模板，墻 面覆蓋薄膜或掛草簾、麻袋，定人定時灑水，推遲拆模時間，尤其是在突 遇降溫時，拆模后繼續(xù)保濕養(yǎng)護。

江都鴻益千秋地下人防車庫項目，在地下室施工過程中分為 A、B 兩?個標段，兩標段同時施工。A 標段在施工中采取了掛草簾、定時淋水等措?施，而 B 標段因施工區(qū)間較長，在施工中未采取有效的養(yǎng)護措施。在地下?室側壁成形后約 8 天左右，在 A 標段未出現明顯裂縫的情況下，B 標段側?壁多處出現細長豎向分布裂縫，最大縫寬約 0.2mm。由此看出，混凝土澆?筑過程中采取嚴密的養(yǎng)護措施，對混凝土早期開裂能起到較為關鍵的作用。

4.3 添加膨脹劑及抗裂纖維

在混凝土中摻入膨脹劑，可有效地提高混凝土的極限變形能力。混凝土膨脹，受到約束，便在結構中建立了混凝土受壓鋼筋受拉的預應力狀態(tài)。

當外界溫度降低，混凝土收縮，結構中的預應力會釋放一部分，如果控制恰當，可使混凝土的應力為壓應力或為零。

添加微膨脹劑的混凝土結構不設溫度縫的極限長度公式如下：

但膨脹劑要在 3 至 4 天后才發(fā)揮出作用，并需要充分的濕潤。膨脹劑能否發(fā)揮作用，保濕養(yǎng)護是關鍵。

摻加纖維以改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺點。目前研究較多的有耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維混凝土等。

研究表明，添加聚丙烯纖維和尼龍纖維能夠有效地提高混凝土早期抗拉能力?；炷猎趧倽沧⒌膸讉€小時內，失水很快，混凝土在由流態(tài)向固態(tài)變化的過程中，塑性收縮變形較大，而混凝土的潛在變形能力卻很小。

聚丙烯、尼龍等短切性纖維摻入混凝土后，起到了許多層篩子的作用，一方面阻止了粗骨料的下沉泌水，減少了骨料表面聚水膜的存在，從而改善了水泥漿和骨料間過渡區(qū)的微結構; 同時減少了混凝土中的滲徑，使混凝土毛細管中的吸附水移動和散失速度減慢，提高了混凝土的早期強度。

4.4 配構造鋼筋

進行適當配筋。鋼筋在分擔混凝土內應力時，同時約束了混凝土的變形近年來國外某些試驗表明，對于側墻這類薄壁結構，采取“細筋密布”的措施可以提高其結構抗裂能力。故在側壁的計算中，應盡量避免采用大直徑鋼筋，最大直徑不宜大于 20，且在迎水面，保護層厚度為 50mm 的情況下，宜在保護層中設置雙向鋼筋網，以控制混凝土的表面開裂。

4.5 設置后澆帶

設置后澆帶是目前采用較為廣泛的處理方法。結構長度是影響溫度應力的因素之一，為了削減溫度應力，取消伸縮縫，可把總溫差分為兩部分。

在第一部分溫差經歷時間內，把結構分成許多段，每段的長度盡量小一些，并與施工縫結合起來，可有效地減少溫度收縮應力。在施工后期，把這些段澆成整體，再繼續(xù)承受第二部分溫差和收縮，收縮應力疊加小于混凝土設計抗拉強度，達到不設置伸縮縫的目的。

通過計算及實踐，在正常施工條件下，后澆縫的間距約為 20～30m。

后澆縫保留時間越長越好，一般不應少于 40 天，最宜 60 天，在此期間“早期溫差”以及至少 30%的收縮都已完成。同時應做好施工組織設計，宜把后澆帶混凝土的澆注時間放在 1 年中氣溫比較低的時候進行，此時各部分混凝土充分收縮。后澆縫的填充材料宜采用澆注混凝土及其他微膨脹混凝土，但要比原結構的強度等級高些，確保潮濕養(yǎng)護。

針對目前較為常見的大底盤地下室加上部多棟建筑的情況，如圖 1 所示，將溫度后澆帶和沉降后澆帶結合使用，前者在兩側混凝土澆筑后 60 天封閉，后者宜根據實測沉降值并計算后期沉降差能滿足規(guī)范要求后方可進行澆筑，比較保守的做法是待主樓主體結構施工完成后再行封閉。

[3]陸少連.超長地下室混凝土結構裂縫控制技術.建筑結構，2001，（5） .

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