韓如泉

摘要：超長(zhǎng)地下室側(cè)壁裂縫產(chǎn)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(gòu)造鋼筋、設(shè)置后澆帶、改善約束條件等 技術(shù)，在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)能有效地控制裂縫的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：地下室側(cè)墻;裂縫;混凝土收縮;溫度應(yīng)力

1 引言

地下室側(cè)壁裂縫一直是地下工程較為常見的問題，它易引起滲漏，嚴(yán) 重影響地下室的使用功能。尤其在今天，地下室側(cè)墻長(zhǎng)度愈來愈長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超出 GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表 8.1.1 中關(guān)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(chǎn)生。

2 裂縫成因及特點(diǎn)

約束條件下溫度變化以及混凝土收縮是地下室側(cè)墻產(chǎn)生裂縫的主要原 因。

在側(cè)壁澆筑的早期，因基礎(chǔ)底板已成形，其對(duì)側(cè)壁的約束作用及側(cè)壁 自身的混凝土干縮是裂縫出現(xiàn)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(cè)壁中產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而引起側(cè)壁裂縫的出現(xiàn)。

散熱不均就會(huì)產(chǎn)生溫差，溫差和約束導(dǎo)致墻體變形不協(xié)調(diào)，就產(chǎn)生溫 度應(yīng)力。地下室側(cè)墻通常遭受如下溫度作用：施工階段，混凝土澆搗產(chǎn)生 熱量，散熱不勻產(chǎn)生溫差;養(yǎng)護(hù)階段，早晚有溫差，有時(shí)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(nèi)外溫差的存在，地下室側(cè)墻深埋在地下，土體對(duì)結(jié)構(gòu)起到有益 的保溫和保濕作用，室內(nèi)外溫差影響較小。但半地下室結(jié)構(gòu)上部分的溫差 及收縮應(yīng)力較大，而土中部分溫差及收縮較小，兩者之間變形不諧調(diào)，易 產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致墻體開裂。

混凝土在硬化過程中由于化學(xué)作用、水分蒸發(fā)、碳化等原因會(huì)發(fā)生收縮變形。關(guān)于素混凝土的收縮公式，一般采用下面的指數(shù)函數(shù)表達(dá)式：

計(jì)算所得收縮變形除以混凝土的線膨脹系數(shù)，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(cè)壁裂縫絕大多數(shù)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(zhǎng)一般接近墻高，從上下兩端 到中間逐漸變細(xì)，裂縫寬度一般小于 0.3mm。中部裂縫較多，兩端較少。隨時(shí)間的推移，裂縫進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)量增多，但縫寬加大不多。

據(jù)研究，地下室側(cè)壁裂縫具有開裂有序性。中部最先出現(xiàn)第一條裂縫，墻體分成兩部分，每部分又有自己的水平應(yīng)力分布，如果應(yīng)力較大，則形 成第二批裂縫，直到最后最大水平應(yīng)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(qiáng)度不勻，裂縫產(chǎn)生部位有時(shí) 不完全位于正中部。

3 溫度應(yīng)力計(jì)算

目前，在工程應(yīng)用方面大部分都是采用近似方法進(jìn)行計(jì)算。例如，王 鐵夢(mèng)教授推導(dǎo)的墻體溫度收縮應(yīng)力基本公式：

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

此公式是以材料彈性為基礎(chǔ)，不能反映混凝土材料的非線性性能，同?時(shí)又未涉及鋼筋分布，不同的配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)滑移、約束強(qiáng)弱等。但計(jì)算必須編寫有限元程序或用大型?通用軟件，計(jì)算較為復(fù)雜。

4 裂縫控制技術(shù)

4.1 合理選擇原材料

澆注超長(zhǎng)地下室側(cè)墻的混凝土除滿足強(qiáng)度指標(biāo)外，還應(yīng)具備下列性能：低收縮率、低水化熱、適宜的塌落度和早強(qiáng)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(yīng)最大限度地控制水泥用量，對(duì)于C40、C50 混凝土，控 制在 400kg / m3?以內(nèi)，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(xì)骨料也是混凝土的重要組成部分，級(jí)配越好混凝土的抗變形能 力越好，在滿足級(jí)配、泵送要求的條件下砂率越小越好。

4.2 加強(qiáng)保溫養(yǎng)護(hù)

在相同條件下溫度變化越大，變化越劇烈，則產(chǎn)生的應(yīng)力越大。采取 蓄熱養(yǎng)護(hù)措施，使溫度變化緩慢進(jìn)行，混凝土的徐變特性可使得溫差引起 的應(yīng)力逐漸松弛，即延長(zhǎng)保溫時(shí)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(shí)灑水，推遲拆模時(shí)間，尤其是在突 遇降溫時(shí)，拆模后繼續(xù)保濕養(yǎng)護(hù)。

江都鴻益千秋地下人防車庫項(xiàng)目，在地下室施工過程中分為 A、B 兩?個(gè)標(biāo)段，兩標(biāo)段同時(shí)施工。A 標(biāo)段在施工中采取了掛草簾、定時(shí)淋水等措?施，而 B 標(biāo)段因施工區(qū)間較長(zhǎng)，在施工中未采取有效的養(yǎng)護(hù)措施。在地下?室側(cè)壁成形后約 8 天左右，在 A 標(biāo)段未出現(xiàn)明顯裂縫的情況下，B 標(biāo)段側(cè)?壁多處出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)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(yán)密的養(yǎng)護(hù)措施，對(duì)混凝土早期開裂能起到較為關(guān)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(jié)構(gòu)中建立了混凝土受壓鋼筋受拉的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。

當(dāng)外界溫度降低，混凝土收縮，結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力會(huì)釋放一部分，如果控制恰當(dāng)，可使混凝土的應(yīng)力為壓應(yīng)力或?yàn)榱恪?/p>

添加微膨脹劑的混凝土結(jié)構(gòu)不設(shè)溫度縫的極限長(zhǎng)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(rùn)。膨脹劑能否發(fā)揮作用，保濕養(yǎng)護(hù)是關(guān)鍵。

摻加纖維以改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺點(diǎn)。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€(gè)小時(shí)內(nèi)，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(jié)構(gòu); 同時(shí)減少了混凝土中的滲徑，使混凝土毛細(xì)管中的吸附水移動(dòng)和散失速度減慢，提高了混凝土的早期強(qiáng)度。

4.4 配構(gòu)造鋼筋

進(jìn)行適當(dāng)配筋。鋼筋在分擔(dān)混凝土內(nèi)應(yīng)力時(shí)，同時(shí)約束了混凝土的變形近年來國(guó)外某些試驗(yàn)表明，對(duì)于側(cè)墻這類薄壁結(jié)構(gòu)，采取“細(xì)筋密布”的措施可以提高其結(jié)構(gòu)抗裂能力。故在側(cè)壁的計(jì)算中，應(yīng)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(hù)層厚度為 50mm 的情況下，宜在保護(hù)層中設(shè)置雙向鋼筋網(wǎng)，以控制混凝土的表面開裂。

4.5 設(shè)置后澆帶

設(shè)置后澆帶是目前采用較為廣泛的處理方法。結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度是影響溫度應(yīng)力的因素之一，為了削減溫度應(yīng)力，取消伸縮縫，可把總溫差分為兩部分。

在第一部分溫差經(jīng)歷時(shí)間內(nèi)，把結(jié)構(gòu)分成許多段，每段的長(zhǎng)度盡量小一些，并與施工縫結(jié)合起來，可有效地減少溫度收縮應(yīng)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(yīng)力疊加小于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，達(dá)到不設(shè)置伸縮縫的目的。

通過計(jì)算及實(shí)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(shí)間越長(zhǎng)越好，一般不應(yīng)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(shí)應(yīng)做好施工組織設(shè)計(jì)，宜把后澆帶混凝土的澆注時(shí)間放在 1 年中氣溫比較低的時(shí)候進(jìn)行，此時(shí)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等級(jí)高些，確保潮濕養(yǎng)護(hù)。

針對(duì)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(jié)合使用，前者在兩側(cè)混凝土澆筑后 60 天封閉，后者宜根據(jù)實(shí)測(cè)沉降值并計(jì)算后期沉降差能滿足規(guī)范要求后方可進(jìn)行澆筑，比較保守的做法是待主樓主體結(jié)構(gòu)施工完成后再行封閉。

[3]陸少連.超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制技術(shù).建筑結(jié)構(gòu)，2001，（5） .

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[5]游寶坤等.超長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) UEA 無縫設(shè)計(jì)施工.建筑結(jié)構(gòu)，1998，（6）.

[6]束拉等.混凝土結(jié)構(gòu)收縮裂縫分析.建筑結(jié)構(gòu)，2000，（2） .