地下室外墙裂缝原因分析及预防措施

2022-06-30闫飞池彦忠李波

工程建设与设计 2022年11期

闫飞，池彦忠，李波

（1.北京东方雨虹防水技术股份有限公司，北京 100000；2.中科建通工程技术有限公司，北京 100000）

1 引言

随着城镇化的发展，城市的规模越来越大，城区建筑中大面积地下室越来越多，高层建筑带2~3 层地下室的情况已经非常普遍。地下室外墙开裂是地下工程的通病，据有关文献[1-3]可知，85%的混凝土结构地下室外墙中存在裂缝，且地下室外墙的裂缝以竖向裂缝为主。地下室外墙出现裂缝不仅会导致地下室外墙渗水、漏水，影响地下空间的正常使用，而且裂缝的存在严重影响结构的耐久性，危害结构安全。在常规设计中单纯依靠设置伸缩后浇带很难满足控制裂缝的要求。另外，大面积地下室往往会跨季节施工，地下室外墙暴露时间长，环境温差大，地下室外墙内外温差大，这些都使得控制裂缝的难度增加了。因此，从设计优化和施工质量提升来避免裂缝的出现尤其重要，有现实意义。

本文结合北京市某商业办公综合体项目，针对项目在施工过程中出现的若干地下室外墙裂缝进行分析，根据裂缝开展的走向和形态分析了裂缝开展的原因，并提出了避免裂缝的若干建议和措施，可供类似的工程项目参考。

2 工程概况

该工程主楼高24 层，其中裙楼2 层，地下室1 层，3~24 层为办公区，层高4.0 m，1 层和2 层为商业区，层高4.8 m；地下室均为地下车库，层高为3.9 m。地下室长158.6 m，宽78.8 m，基础均采用筏板基础，主楼范围内筏板厚度为1.9 m，裙房和纯地库范围内筏板厚度均为400 mm，柱下设置下柱墩。地下室外墙的厚度为400 mm，地下室顶板与土接触区域为250 mm，不与土接触的室内区域为180 mm。地下室外墙的厚度地下室底板，外墙及与土接触的顶板均采用P6 等级的抗渗混凝土，混凝土掺加10%的UEA 微膨胀剂。地下室结合地上结构的情况，在底板、地下室外墙以及顶板贯通的设置3 条横向的伸缩后浇带，1 条纵向的伸缩后浇带，后浇带设置满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[4]中12.2.3 条关于后浇带间距的要求。抗浮设计水位为-1.5 m。地下室轮廓及地上主楼和裙房的范围见图1。

3 地下室外墙裂缝开展情况

根据施工日志，该项目6 月28 日完成地下室底板的施工，7 月14 日完成了地下室外墙的施工，8 月1 日完成了地下室顶板的施工。地下室底板、外墙和顶板分期浇筑时间间隔约为15 d。由于种种原因，直到当年10 月28 日才开始拆出地下室顶板模板，在拆模板时发现地下室外墙存在大面积开裂的情况，裂缝宽度肉眼可见。地下室外墙的裂缝示意图如图2所示。

图2 某跨内地下室外墙裂缝示意图

地下室外墙的特征如下：地下室外墙内外均分布着大量裂缝，且分布比较均匀，每跨约有2~4 条不等，根据裂缝仪测量，裂缝宽度为0.15~1.2 mm 不等，约2/3 的裂缝自上而下贯通，且呈现明显的上大下小的形态。

4 裂缝分析

4.1 地下室的设计计算

地下室外墙在设计中通常按墙体与基础底板固结与顶板铰接的单向受力构件计算，计算简图见图3。因此，地下室外墙裂缝控制计算的裂缝均为水平裂缝。具体计算中将地下室外墙简化为纯弯或者压弯构件，按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）[5]的7.1.2 条中的裂缝宽度计算公式核算裂缝宽度，裂缝宽度通常限值为0.2 mm。为了满足裂缝宽度的限值要求，保证混凝土耐久性，实际设计中在满足承载力极限状态计算的前提下，需要大幅度增加地下室外墙中竖向钢筋的用量，增加地下室工程的造价成本。

图3 地下室外墙计算简图

根据相关文献[6-7]可知，不管是在施工阶段还是在使用阶段，地下室外墙裂缝开展多为竖向裂缝，竖向裂缝出现的占比为85%以上，水平裂缝很少出现；而本项目中，地下室外墙裂缝几乎100%为竖向裂缝。

4.2 水平裂缝少见的原因

地下室外墙水平裂缝少见，主要是两方面原因：一方面是地下室外墙在高度方向上通常距离较短，2 层地下室外墙的高度一般不超过8.0 m，由于高度小，不容易产生混凝土收缩裂缝；另一方面，在地下室外墙设计计算中存在较大的保守量，本文主要从以下两方面阐述设计计算中的保守量。

一是土压力取值偏大。目前，地下室外墙普遍采用静止土压力设计，静止土压力系数k0取0.5。实际上，在城市中基坑开挖过程中需要支护，支护桩与地下室外墙间距通常较小，因此，地下室外墙所受的土压力为有限土压力，如图4 所示，其土压力系数要远小于0.5，一般可取0.33[8]。

图4 有限土压力示意图

二是地面附加荷载取值偏大。地下室外墙外侧通常为消防车道或消防扑救区域，因此，需要考虑消防车荷载。问题是设计中往往按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[9]中的表5.1.1 取消防车荷载为20 kN/m2, 表中的荷载值是根据消防车的轮距和轮压，按地下室顶板在轮压作用下荷载效应等效原理而求得的板面均布荷载。仅仅对楼板适用，对计算地下室外墙的侧压力是不适用的。根据实际等效计算及相关文献[10]的建议值，在计算地下室外墙侧向压力时，消防车荷载取5 kN/m2为宜。

4.3 竖向裂缝分析

结合工程的现状及裂缝开展的特征，对地下室外墙开裂的原因分析如下：

1）温度应力导致地下室外墙开裂。7 月中旬施工时，白天高温达到35 ℃，而到10 月底夜间气温已达到0 ℃。这期间一直未回填肥槽，地下室外墙处于露天环境。假如按30 ℃的温差考虑，地下室外墙的长度为158.6 m，长度方向地下室外墙的收缩量计算值为47.6 mm，公式计算如式（1）：

式中，ΔL 为温度变形引起的结构变形量，mm；L0为结构的纵向长度，mm；T1、T0为前后的温度值，℃；α 为混凝土材料的线膨胀系数，取1.0×10-5/℃。

地下室外墙收缩变形时，顶板、底板由于温度变化引起的变形与地下室外墙不一致，尤其是地下室底板，由于处于室内，受温差影响要小很多，且地下室顶板和底板厚度较大，对地下室外墙有很强的约束作用，使得地下室外墙不能自由变形，因此，地下室外墙很容易形成收缩裂缝。通常将底板和顶板对地下室外墙的约束作用称为“套箍效应”。

2）UEA 微膨胀剂的影响。通常UEA 膨胀剂需要在养护条件下才能发挥作用，且其限制膨胀率在前14 d 内达到最大值。由于在地下室底板、侧墙和顶板中均加入了UEA 膨胀剂，且其施工时间间隔为半月左右，因此，在施工地下室顶板时，地下室外墙的膨胀量已经达到最大，不再膨胀；而顶板在UEA膨胀剂作用下才开始持续膨胀，使得地下室外墙与顶板相连的上部区域产生拉应力，使地下室外墙被拉裂，这也是地下室完全开裂的主要原因；同时也解释了为什么地下室外墙裂缝上大下小。

5 地下室外墙裂缝的预防措施

5.1 优化设计

5.1.1 混凝土强度等级

地下室外墙是受弯为主的压弯构件，通常所受的轴力很小。对受弯构件来说，提高混凝土的标号对抗弯承载力提高很少，很不经济。另外，高强度等级混凝土的干缩性更明显，更容易产生收缩裂缝。因此，建议地下室外墙宜采用C25~C35 强度等级的混凝土[11]，同时按60 d 强度确定混凝土的强度等级。

5.1.2 配筋

如前文所述，地下室外墙在受力计算中主要考虑竖向配筋，对于水平配筋仅为构造，高层建筑的地下室外墙通常按JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中12.2.5 条，即地下室外墙的水平配筋率不小于0.3%，且间距不大于150 mm，并未对水平配筋进行分析计算。建议在进行地下室外墙设计时，充分考虑温度应力及混凝土收缩造成的收缩应力，在满足规范对水平钢筋最低要求的前提下，适当提高水平筋的配筋率，且建议将钢筋水平放在竖向钢筋外侧，以便更好地发挥水平筋抗竖向裂缝的作用。同时，建议水平筋配置时在相同配筋率下采用“细而密”的配筋原则，尽量采用小直径钢筋，小间距配置。

5.1.3 结构构造

设计中应尽量避免地下室外墙的刚度突变，刚度突变必然引起应力的集中，极易产生裂缝。比如，在地下室外墙与地下室内墙垂直相交时，可按连续简支支座计算地下室外墙在相交处的水平配筋。当地下室外墙开洞时候，应设计洞边加强筋，防止应力集中产生的裂缝。

5.1.4 添加剂

在混凝土中添加适量的减水剂，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，降低混凝土凝固过程中的水化热，并控制水化热释放的速度，进而可以减少混凝土的收缩，减少收缩裂缝的出现。另外，对于部分重要的工程可以考虑添加抗裂纤维，通常按照每立方米混凝土中添加0.8~1.0 kg 抗裂纤维的添加量控制。

5.2 施工措施

5.2.1 温度控制

通常混凝土浇筑施工提倡低温入模，低温养护。控制混凝土最高的入模温度不大于32 ℃；控制混凝土表面温度与大气环境温度相差不超过25 ℃；控制混凝土构件中心点温度与表面温度的温差不超过25 ℃。另外，加强混凝土的养护，对于混凝土结构初期干缩裂缝至关重要，混凝土的降温速度应小于1.5 ℃/d。

5.2.2 振捣作业

施工时混凝土振捣必须密实；不得欠振，使内部气体不能充分排出；也不得过振，导致混凝土出现离析及泌水现象。最合适的振捣时间为20~30 s。地下室外墙要按“分层浇筑、分层振捣”的原则进行，不应随意留设施工缝。注重二次振捣的作用，混凝土二次振捣的时间通常为初凝时间的1/2~2/3 倍。二次振捣可以显著提高混凝土的抗渗性和耐久性，对于控制混凝土初期裂缝开展也很有作用。

5.2.3 施工次序

地下室外墙施工时，建议仅在基础底板上方300~500 mm的范围内留设一道水平施工缝，顶板和地下室外墙建议一起浇筑，这样可以有效地避免地下室外墙和顶部由于混凝土收缩时间不一致，变形不协调而产生裂缝。