超长地下室侧壁的裂缝成因分析及控制技术

韩如泉

摘要：超长地下室侧壁裂缝产生的主要原因是混凝土的收缩和温度作用。采取加微膨胀剂、抗裂纤维、配置构造钢筋、设置后浇带、改善约束条件等 技术，在一定长度范围内能有效地控制裂缝的产生。

关键词：地下室侧墙;裂缝;混凝土收缩;温度应力

1 引言

地下室侧壁裂缝一直是地下工程较为常见的问题，它易引起渗漏，严 重影响地下室的使用功能。尤其在今天，地下室侧墙长度愈来愈长，远远 超出 GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》表 8.1.1 中关于地下室墙壁伸 缩缝最大间距 30 米的要求，因此有必要采取有效措施防止裂缝的产生。

2 裂缝成因及特点

约束条件下温度变化以及混凝土收缩是地下室侧墙产生裂缝的主要原 因。

在侧壁浇筑的早期，因基础底板已成形，其对侧壁的约束作用及侧壁 自身的混凝土干缩是裂缝出现的主要原因。使用阶段，顶板在温度作用下 的膨胀或收缩，在侧壁中产生附加应力，从而引起侧壁裂缝的出现。

散热不均就会产生温差，温差和约束导致墙体变形不协调，就产生温 度应力。地下室侧墙通常遭受如下温度作用：施工阶段，混凝土浇捣产生 热量，散热不匀产生温差;养护阶段，早晚有温差，有时寒潮来临或者夏 天暴雨突降，温度变化就更剧烈;在正常使用阶段，温度变化是由于季节 温差和室内外温差的存在，地下室侧墙深埋在地下，土体对结构起到有益 的保温和保湿作用，室内外温差影响较小。但半地下室结构上部分的温差 及收缩应力较大，而土中部分温差及收缩较小，两者之间变形不谐调，易 产生应力，从而导致墙体开裂。

混凝土在硬化过程中由于化学作用、水分蒸发、碳化等原因会发生收缩变形。关于素混凝土的收缩公式，一般采用下面的指数函数表达式：

计算所得收缩变形除以混凝土的线膨胀系数，就得到混凝土收缩等效 温差，即收缩变形可换算成温度变化。

地下室侧壁裂缝绝大多数为竖向裂缝，位于墙中间部分的裂缝大致呈 竖向平行分布，在墙的两端呈倒八字形，缝长一般接近墙高，从上下两端 到中间逐渐变细，裂缝宽度一般小于 0.3mm。中部裂缝较多，两端较少。随时间的推移，裂缝进一步发展，数量增多，但缝宽加大不多。

据研究，地下室侧壁裂缝具有开裂有序性。中部最先出现第一条裂缝，墙体分成两部分，每部分又有自己的水平应力分布，如果应力较大，则形 成第二批裂缝，直到最后最大水平应力较小，裂缝稳定。这种裂缝开裂形 式称为“一再从中部开裂”。由于混凝土墙体强度不匀，裂缝产生部位有时 不完全位于正中部。

3 温度应力计算

目前，在工程应用方面大部分都是采用近似方法进行计算。例如，王 铁梦教授推导的墙体温度收缩应力基本公式：

ch—— 双曲余弦函数，这里 Cx 为基础水平阻力系数，C10 以上配筋混凝土，取（1.0～1.5） ×10-3N/㎜ 3，低强度等级混 凝土素混凝土取（6～10） ×10-2N/mm3。

此公式是以材料弹性为基础，不能反映混凝土材料的非线性性能，同 时又未涉及钢筋分布，不同的配筋率对结构裂缝的影响，有一定的局限性。

钢筋混凝土非线性有限元分析方法是研究混凝土结构温度作用规律，探索裂缝控制最有效的方法。考虑问题比较全面，如：钢筋混凝土非线性、 受拉劲化、粘结滑移、约束强弱等。但计算必须编写有限元程序或用大型 通用软件，计算较为复杂。

4 裂缝控制技术

4.1 合理选择原材料

浇注超长地下室侧墙的混凝土除满足强度指标外，还应具备下列性能：低收缩率、低水化热、适宜的塌落度和早强性。

水泥是混凝土主要组成材料之一，是水化热的来源，宜选择低热水泥 或粉煤灰水泥，应最大限度地控制水泥用量，对于C40、C50 混凝土，控 制在 400kg / m3 以内，掺加粉煤灰替代部分水泥，一般掺量为 10%～20%; 极限收缩率宜低于 0. 03%。

粗、细骨料也是混凝土的重要组成部分，级配越好混凝土的抗变形能 力越好，在满足级配、泵送要求的条件下砂率越小越好。

4.2 加强保温养护

在相同条件下温度变化越大，变化越剧烈，则产生的应力越大。采取 蓄热养护措施，使温度变化缓慢进行，混凝土的徐变特性可使得温差引起 的应力逐渐松弛，即延长保温时间控制裂缝。具体措施：采用木模板，墙 面覆盖薄膜或挂草帘、麻袋，定人定时洒水，推迟拆模时间，尤其是在突 遇降温时，拆模后继续保湿养护。

江都鸿益千秋地下人防车库项目，在地下室施工过程中分为 A、B 两 个标段，两标段同时施工。A 标段在施工中采取了挂草帘、定时淋水等措 施，而 B 标段因施工区间较长，在施工中未采取有效的养护措施。在地下 室侧壁成形后约 8 天左右，在 A 标段未出现明显裂缝的情況下，B 标段侧 壁多处出现细长竖向分布裂缝，最大缝宽约 0.2mm。由此看出，混凝土浇 筑过程中采取严密的养护措施，对混凝土早期开裂能起到较为关键的作用。

4.3 添加膨胀剂及抗裂纤维

在混凝土中掺入膨胀剂，可有效地提高混凝土的极限变形能力。混凝土膨胀，受到约束，便在结构中建立了混凝土受压钢筋受拉的预应力状态。

当外界温度降低，混凝土收缩，结构中的预应力会释放一部分，如果控制恰当，可使混凝土的应力为压应力或为零。

添加微膨胀剂的混凝土结构不设温度缝的极限长度公式如下：

但膨胀剂要在 3 至 4 天后才发挥出作用，并需要充分的湿润。膨胀剂能否发挥作用，保湿养护是关键。

掺加纤维以改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺点。目前研究较多的有耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维混凝土等。

研究表明，添加聚丙烯纤维和尼龙纤维能够有效地提高混凝土早期抗拉能力。混凝土在刚浇注的几个小时内，失水很快，混凝土在由流态向固态变化的过程中，塑性收缩变形较大，而混凝土的潜在变形能力却很小。

聚丙烯、尼龙等短切性纤维掺入混凝土后，起到了许多层筛子的作用，一方面阻止了粗骨料的下沉泌水，减少了骨料表面聚水膜的存在，从而改善了水泥浆和骨料间过渡区的微结构; 同时减少了混凝土中的渗径，使混凝土毛细管中的吸附水移动和散失速度减慢，提高了混凝土的早期强度。

4.4 配构造钢筋

进行适当配筋。钢筋在分担混凝土内应力时，同时约束了混凝土的变形近年来国外某些试验表明，对于侧墙这类薄壁结构，采取“细筋密布”的措施可以提高其结构抗裂能力。故在侧壁的计算中，应尽量避免采用大直径钢筋，最大直径不宜大于 20，且在迎水面，保护层厚度为 50mm 的情况下，宜在保护层中设置双向钢筋网，以控制混凝土的表面开裂。

4.5 设置后浇带

设置后浇带是目前采用较为广泛的處理方法。结构长度是影响温度应力的因素之一，为了削减温度应力，取消伸缩缝，可把总温差分为两部分。

在第一部分温差经历时间内，把结构分成许多段，每段的长度尽量小一些，并与施工缝结合起来，可有效地减少温度收缩应力。在施工后期，把这些段浇成整体，再继续承受第二部分温差和收缩，收缩应力叠加小于混凝土设计抗拉强度，达到不设置伸缩缝的目的。

通过计算及实践，在正常施工条件下，后浇缝的间距约为 20～30m。

后浇缝保留时间越长越好，一般不应少于 40 天，最宜 60 天，在此期间“早期温差”以及至少 30%的收缩都已完成。同时应做好施工组织设计，宜把后浇带混凝土的浇注时间放在 1 年中气温比较低的时候进行，此时各部分混凝土充分收缩。后浇缝的填充材料宜采用浇注混凝土及其他微膨胀混凝土，但要比原结构的强度等级高些，确保潮湿养护。

针对目前较为常见的大底盘地下室加上部多栋建筑的情况，如图 1 所示，将温度后浇带和沉降后浇带结合使用，前者在两侧混凝土浇筑后 60 天封闭，后者宜根据实测沉降值并计算后期沉降差能满足规范要求后方可进行浇筑，比较保守的做法是待主楼主体结构施工完成后再行封闭。

[3]陆少连.超长地下室混凝土结构裂缝控制技术.建筑结构，2001，（5） .

[4]戴建国.混凝土中非结构性裂缝分析及合成纤维控制.建筑结构，2000，（9）.

[5]游宝坤等.超长钢筋混凝土结构 UEA 无缝设计施工.建筑结构，1998，（6）.

[6]束拉等.混凝土结构收缩裂缝分析.建筑结构，2000，（2） .