地下室外墻裂縫原因分析及預(yù)防措施

閆飛，池彥忠，李波

（1.北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京 100000；2.中科建通工程技術(shù)有限公司，北京 100000）

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市的規(guī)模越來越大，城區(qū)建筑中大面積地下室越來越多，高層建筑帶2~3 層地下室的情況已經(jīng)非常普遍。地下室外墻開裂是地下工程的通病，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[1-3]可知，85%的混凝土結(jié)構(gòu)地下室外墻中存在裂縫，且地下室外墻的裂縫以豎向裂縫為主。地下室外墻出現(xiàn)裂縫不僅會導(dǎo)致地下室外墻滲水、漏水，影響地下空間的正常使用，而且裂縫的存在嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性，危害結(jié)構(gòu)安全。在常規(guī)設(shè)計(jì)中單純依靠設(shè)置伸縮后澆帶很難滿足控制裂縫的要求。另外，大面積地下室往往會跨季節(jié)施工，地下室外墻暴露時(shí)間長，環(huán)境溫差大，地下室外墻內(nèi)外溫差大，這些都使得控制裂縫的難度增加了。因此，從設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工質(zhì)量提升來避免裂縫的出現(xiàn)尤其重要，有現(xiàn)實(shí)意義。

本文結(jié)合北京市某商業(yè)辦公綜合體項(xiàng)目，針對項(xiàng)目在施工過程中出現(xiàn)的若干地下室外墻裂縫進(jìn)行分析，根據(jù)裂縫開展的走向和形態(tài)分析了裂縫開展的原因，并提出了避免裂縫的若干建議和措施，可供類似的工程項(xiàng)目參考。

2 工程概況

該工程主樓高24 層，其中裙樓2 層，地下室1 層，3~24 層為辦公區(qū)，層高4.0 m，1 層和2 層為商業(yè)區(qū)，層高4.8 m；地下室均為地下車庫，層高為3.9 m。地下室長158.6 m，寬78.8 m，基礎(chǔ)均采用筏板基礎(chǔ)，主樓范圍內(nèi)筏板厚度為1.9 m，裙房和純地庫范圍內(nèi)筏板厚度均為400 mm，柱下設(shè)置下柱墩。地下室外墻的厚度為400 mm，地下室頂板與土接觸區(qū)域?yàn)?50 mm，不與土接觸的室內(nèi)區(qū)域?yàn)?80 mm。地下室外墻的厚度地下室底板，外墻及與土接觸的頂板均采用P6 等級的抗?jié)B混凝土，混凝土摻加10%的UEA 微膨脹劑。地下室結(jié)合地上結(jié)構(gòu)的情況，在底板、地下室外墻以及頂板貫通的設(shè)置3 條橫向的伸縮后澆帶，1 條縱向的伸縮后澆帶，后澆帶設(shè)置滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]中12.2.3 條關(guān)于后澆帶間距的要求?？垢≡O(shè)計(jì)水位為-1.5 m。地下室輪廓及地上主樓和裙房的范圍見圖1。

3 地下室外墻裂縫開展情況

根據(jù)施工日志，該項(xiàng)目6 月28 日完成地下室底板的施工，7 月14 日完成了地下室外墻的施工，8 月1 日完成了地下室頂板的施工。地下室底板、外墻和頂板分期澆筑時(shí)間間隔約為15 d。由于種種原因，直到當(dāng)年10 月28 日才開始拆出地下室頂板模板，在拆模板時(shí)發(fā)現(xiàn)地下室外墻存在大面積開裂的情況，裂縫寬度肉眼可見。地下室外墻的裂縫示意圖如圖2所示。

圖2 某跨內(nèi)地下室外墻裂縫示意圖

地下室外墻的特征如下：地下室外墻內(nèi)外均分布著大量裂縫，且分布比較均勻，每跨約有2~4 條不等，根據(jù)裂縫儀測量，裂縫寬度為0.15~1.2 mm 不等，約2/3 的裂縫自上而下貫通，且呈現(xiàn)明顯的上大下小的形態(tài)。

4 裂縫分析

4.1 地下室的設(shè)計(jì)計(jì)算

地下室外墻在設(shè)計(jì)中通常按墻體與基礎(chǔ)底板固結(jié)與頂板鉸接的單向受力構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算簡圖見圖3。因此，地下室外墻裂縫控制計(jì)算的裂縫均為水平裂縫。具體計(jì)算中將地下室外墻簡化為純彎或者壓彎構(gòu)件，按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015 年版）[5]的7.1.2 條中的裂縫寬度計(jì)算公式核算裂縫寬度，裂縫寬度通常限值為0.2 mm。為了滿足裂縫寬度的限值要求，保證混凝土耐久性，實(shí)際設(shè)計(jì)中在滿足承載力極限狀態(tài)計(jì)算的前提下，需要大幅度增加地下室外墻中豎向鋼筋的用量，增加地下室工程的造價(jià)成本。

圖3 地下室外墻計(jì)算簡圖

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6-7]可知，不管是在施工階段還是在使用階段，地下室外墻裂縫開展多為豎向裂縫，豎向裂縫出現(xiàn)的占比為85%以上，水平裂縫很少出現(xiàn)；而本項(xiàng)目中，地下室外墻裂縫幾乎100%為豎向裂縫。

4.2 水平裂縫少見的原因

地下室外墻水平裂縫少見，主要是兩方面原因：一方面是地下室外墻在高度方向上通常距離較短，2 層地下室外墻的高度一般不超過8.0 m，由于高度小，不容易產(chǎn)生混凝土收縮裂縫；另一方面，在地下室外墻設(shè)計(jì)計(jì)算中存在較大的保守量，本文主要從以下兩方面闡述設(shè)計(jì)計(jì)算中的保守量。

一是土壓力取值偏大。目前，地下室外墻普遍采用靜止土壓力設(shè)計(jì)，靜止土壓力系數(shù)k0取0.5。實(shí)際上，在城市中基坑開挖過程中需要支護(hù)，支護(hù)樁與地下室外墻間距通常較小，因此，地下室外墻所受的土壓力為有限土壓力，如圖4 所示，其土壓力系數(shù)要遠(yuǎn)小于0.5，一般可取0.33[8]。

圖4 有限土壓力示意圖

二是地面附加荷載取值偏大。地下室外墻外側(cè)通常為消防車道或消防撲救區(qū)域，因此，需要考慮消防車荷載。問題是設(shè)計(jì)中往往按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]中的表5.1.1 取消防車荷載為20 kN/m2, 表中的荷載值是根據(jù)消防車的輪距和輪壓，按地下室頂板在輪壓作用下荷載效應(yīng)等效原理而求得的板面均布荷載。僅僅對樓板適用，對計(jì)算地下室外墻的側(cè)壓力是不適用的。根據(jù)實(shí)際等效計(jì)算及相關(guān)文獻(xiàn)[10]的建議值，在計(jì)算地下室外墻側(cè)向壓力時(shí)，消防車荷載取5 kN/m2為宜。

4.3 豎向裂縫分析

結(jié)合工程的現(xiàn)狀及裂縫開展的特征，對地下室外墻開裂的原因分析如下：

1）溫度應(yīng)力導(dǎo)致地下室外墻開裂。7 月中旬施工時(shí)，白天高溫達(dá)到35 ℃，而到10 月底夜間氣溫已達(dá)到0 ℃。這期間一直未回填肥槽，地下室外墻處于露天環(huán)境。假如按30 ℃的溫差考慮，地下室外墻的長度為158.6 m，長度方向地下室外墻的收縮量計(jì)算值為47.6 mm，公式計(jì)算如式（1）：

式中，ΔL 為溫度變形引起的結(jié)構(gòu)變形量，mm；L0為結(jié)構(gòu)的縱向長度，mm；T1、T0為前后的溫度值，℃；α 為混凝土材料的線膨脹系數(shù)，取1.0×10-5/℃。

地下室外墻收縮變形時(shí)，頂板、底板由于溫度變化引起的變形與地下室外墻不一致，尤其是地下室底板，由于處于室內(nèi)，受溫差影響要小很多，且地下室頂板和底板厚度較大，對地下室外墻有很強(qiáng)的約束作用，使得地下室外墻不能自由變形，因此，地下室外墻很容易形成收縮裂縫。通常將底板和頂板對地下室外墻的約束作用稱為“套箍效應(yīng)”。

2）UEA 微膨脹劑的影響。通常UEA 膨脹劑需要在養(yǎng)護(hù)條件下才能發(fā)揮作用，且其限制膨脹率在前14 d 內(nèi)達(dá)到最大值。由于在地下室底板、側(cè)墻和頂板中均加入了UEA 膨脹劑，且其施工時(shí)間間隔為半月左右，因此，在施工地下室頂板時(shí)，地下室外墻的膨脹量已經(jīng)達(dá)到最大，不再膨脹；而頂板在UEA膨脹劑作用下才開始持續(xù)膨脹，使得地下室外墻與頂板相連的上部區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力，使地下室外墻被拉裂，這也是地下室完全開裂的主要原因；同時(shí)也解釋了為什么地下室外墻裂縫上大下小。

5 地下室外墻裂縫的預(yù)防措施

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1.1 混凝土強(qiáng)度等級

地下室外墻是受彎為主的壓彎構(gòu)件，通常所受的軸力很小。對受彎構(gòu)件來說，提高混凝土的標(biāo)號對抗彎承載力提高很少，很不經(jīng)濟(jì)。另外，高強(qiáng)度等級混凝土的干縮性更明顯，更容易產(chǎn)生收縮裂縫。因此，建議地下室外墻宜采用C25~C35 強(qiáng)度等級的混凝土[11]，同時(shí)按60 d 強(qiáng)度確定混凝土的強(qiáng)度等級。

5.1.2 配筋

如前文所述，地下室外墻在受力計(jì)算中主要考慮豎向配筋，對于水平配筋僅為構(gòu)造，高層建筑的地下室外墻通常按JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中12.2.5 條，即地下室外墻的水平配筋率不小于0.3%，且間距不大于150 mm，并未對水平配筋進(jìn)行分析計(jì)算。建議在進(jìn)行地下室外墻設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮溫度應(yīng)力及混凝土收縮造成的收縮應(yīng)力，在滿足規(guī)范對水平鋼筋最低要求的前提下，適當(dāng)提高水平筋的配筋率，且建議將鋼筋水平放在豎向鋼筋外側(cè)，以便更好地發(fā)揮水平筋抗豎向裂縫的作用。同時(shí)，建議水平筋配置時(shí)在相同配筋率下采用“細(xì)而密”的配筋原則，盡量采用小直徑鋼筋，小間距配置。

5.1.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免地下室外墻的剛度突變，剛度突變必然引起應(yīng)力的集中，極易產(chǎn)生裂縫。比如，在地下室外墻與地下室內(nèi)墻垂直相交時(shí)，可按連續(xù)簡支支座計(jì)算地下室外墻在相交處的水平配筋。當(dāng)?shù)叵率彝鈮﹂_洞時(shí)候，應(yīng)設(shè)計(jì)洞邊加強(qiáng)筋，防止應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂縫。

5.1.4 添加劑

在混凝土中添加適量的減水劑，可以活性材料（如粉煤灰）代替部分水泥，其目的是增加水泥的和易性，降低混凝土凝固過程中的水化熱，并控制水化熱釋放的速度，進(jìn)而可以減少混凝土的收縮，減少收縮裂縫的出現(xiàn)。另外，對于部分重要的工程可以考慮添加抗裂纖維，通常按照每立方米混凝土中添加0.8~1.0 kg 抗裂纖維的添加量控制。

5.2 施工措施

5.2.1 溫度控制

通?；炷翝仓┕ぬ岢蜏厝肽?，低溫養(yǎng)護(hù)?？刂苹炷磷罡叩娜肽囟炔淮笥?2 ℃；控制混凝土表面溫度與大氣環(huán)境溫度相差不超過25 ℃；控制混凝土構(gòu)件中心點(diǎn)溫度與表面溫度的溫差不超過25 ℃。另外，加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)，對于混凝土結(jié)構(gòu)初期干縮裂縫至關(guān)重要，混凝土的降溫速度應(yīng)小于1.5 ℃/d。

5.2.2 振搗作業(yè)

施工時(shí)混凝土振搗必須密實(shí)；不得欠振，使內(nèi)部氣體不能充分排出；也不得過振，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)離析及泌水現(xiàn)象。最合適的振搗時(shí)間為20~30 s。地下室外墻要按“分層澆筑、分層振搗”的原則進(jìn)行，不應(yīng)隨意留設(shè)施工縫。注重二次振搗的作用，混凝土二次振搗的時(shí)間通常為初凝時(shí)間的1/2~2/3 倍。二次振搗可以顯著提高混凝土的抗?jié)B性和耐久性，對于控制混凝土初期裂縫開展也很有作用。

5.2.3 施工次序

地下室外墻施工時(shí)，建議僅在基礎(chǔ)底板上方300~500 mm的范圍內(nèi)留設(shè)一道水平施工縫，頂板和地下室外墻建議一起澆筑，這樣可以有效地避免地下室外墻和頂部由于混凝土收縮時(shí)間不一致，變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂縫。

6 結(jié)語

關(guān)于本文中所述的超長地下室外墻裂縫開展的原因及措施概況如下：

1）地下室外墻的溫度應(yīng)力、干縮變形、底板和頂板對地下室外墻的“套鼓效應(yīng)”以及不合理的施工膨脹劑是地下室外墻豎向裂縫開展的主要原因。

2）地下室外墻設(shè)計(jì)中，計(jì)算水平裂縫時(shí)荷載取值較實(shí)際情況偏大，且地下室外墻在高度方向上通常較小，溫度變形和干縮變形較小，故而地下室外墻的水平裂縫很少見。

3）從設(shè)計(jì)和施工兩方面給出了若干預(yù)防地下室外墻裂縫的應(yīng)對措施，可供類似的工程借鑒。