地下室外墻裂縫原因分析及預防措施

閆飛，池彥忠，李波

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

1 引言

隨著城鎮化的發展，城市的規模越來越大，城區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非常普遍。地下室外墻開裂是地下工程的通病，據有關文獻[1-3]可知，85%的混凝土結構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。地下室外墻出現裂縫不僅會導致地下室外墻滲水、漏水，影響地下空間的正常使用，而且裂縫的存在嚴重影響結構的耐久性，危害結構安全。在常規設計中單純依靠設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施工，地下室外墻暴露時間長，環境溫差大，地下室外墻內外溫差大，這些都使得控制裂縫的難度增加了。因此，從設計優化和施工質量提升來避免裂縫的出現尤其重要，有現實意義。

本文結合北京市某商業辦公綜合體項目，針對項目在施工過程中出現的若干地下室外墻裂縫進行分析，根據裂縫開展的走向和形態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，層高4.0 m，1 層和2 層為商業區，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，基礎均采用筏板基礎，主樓范圍內筏板厚度為1.9 m，裙房和純地庫范圍內筏板厚度均為400 mm，柱下設置下柱墩。地下室外墻的厚度為400 mm，地下室頂板與土接觸區域為250 mm，不與土接觸的室內區域為180 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 等級的抗滲混凝土，混凝土摻加10%的UEA 微膨脹劑。地下室結合地上結構的情況，在底板、地下室外墻以及頂板貫通的設置3 條橫向的伸縮后澆帶，1 條縱向的伸縮后澆帶，后澆帶設置滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[4]中12.2.3 條關于后澆帶間距的要求?？垢≡O計水位為-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

根據施工日志，該項目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間間隔約為15 d。由于種種原因，直到當年10 月28 日才開始拆出地下室頂板模板，在拆模板時發現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，且呈現明顯的上大下小的形態。

4 裂縫分析

4.1 地下室的設計計算

地下室外墻在設計中通常按墻體與基礎底板固結與頂板鉸接的單向受力構件計算，計算簡圖見圖3。因此，地下室外墻裂縫控制計算的裂縫均為水平裂縫。具體計算中將地下室外墻簡化為純彎或者壓彎構件，按GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）[5]的7.1.2 條中的裂縫寬度計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，實際設計中在滿足承載力極限狀態計算的前提下，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成本。

圖3 地下室外墻計算簡圖

根據相關文獻[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，豎向裂縫出現的占比為85%以上，水平裂縫很少出現；而本項目中，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，不容易產生混凝土收縮裂縫；另一方面，在地下室外墻設計計算中存在較大的保守量，本文主要從以下兩方面闡述設計計算中的保守量。

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計，靜止土壓力系數k0取0.5。實際上，在城市中基坑開挖過程中需要支護，支護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，其土壓力系數要遠小于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。地下室外墻外側通常為消防車道或消防撲救區域，因此，需要考慮消防車荷載。問題是設計中往往按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[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等效原理而求得的板面均布荷載。僅僅對樓板適用，對計算地下室外墻的側壓力是不適用的。根據實際等效計算及相關文獻[10]的建議值，在計算地下室外墻側向壓力時，消防車荷載取5 kN/m2為宜。

4.3 豎向裂縫分析

結合工程的現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）溫度應力導致地下室外墻開裂。7 月中旬施工時，白天高溫達到35 ℃，而到10 月底夜間氣溫已達到0 ℃。這期間一直未回填肥槽，地下室外墻處于露天環境。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算值為47.6 mm，公式計算如式（1）：

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

地下室外墻收縮變形時，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，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”。

2）UEA 微膨脹劑的影響。通常UEA 膨脹劑需要在養護條件下才能發揮作用，且其限制膨脹率在前14 d 內達到最大值。由于在地下室底板、側墻和頂板中均加入了UEA 膨脹劑，且其施工時間間隔為半月左右，因此，在施工地下室頂板時，地下室外墻的膨脹量已經達到最大，不再膨脹；而頂板在UEA膨脹劑作用下才開始持續膨脹，使得地下室外墻與頂板相連的上部區域產生拉應力，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防措施

5.1 優化設計

5.1.1 混凝土強度等級

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

5.1.2 配筋

如前文所述，地下室外墻在受力計算中主要考慮豎向配筋，對于水平配筋僅為構造，高層建筑的地下室外墻通常按JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》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，并未對水平配筋進行分析計算。建議在進行地下室外墻設計時，充分考慮溫度應力及混凝土收縮造成的收縮應力，在滿足規范對水平鋼筋最低要求的前提下，適當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，以便更好地發揮水平筋抗豎向裂縫的作用。同時，建議水平筋配置時在相同配筋率下采用“細而密”的配筋原則，盡量采用小直徑鋼筋，小間距配置。

5.1.3 結構構造

設計中應盡量避免地下室外墻的剛度突變，剛度突變必然引起應力的集中，極易產生裂縫。比如，在地下室外墻與地下室內墻垂直相交時，可按連續簡支支座計算地下室外墻在相交處的水平配筋。當地下室外墻開洞時候，應設計洞邊加強筋，防止應力集中產生的裂縫。

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，進而可以減少混凝土的收縮，減少收縮裂縫的出現。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＃蜏仞B護。控制混凝土最高的入模溫度不大于32 ℃；控制混凝土表面溫度與大氣環境溫度相差不超過25 ℃；控制混凝土構件中心點溫度與表面溫度的溫差不超過25 ℃。另外，加強混凝土的養護，對于混凝土結構初期干縮裂縫至關重要，混凝土的降溫速度應小于1.5 ℃/d。

5.2.2 振搗作業

施工時混凝土振搗必須密實；不得欠振，使內部氣體不能充分排出；也不得過振，導致混凝土出現離析及泌水現象。最合適的振搗時間為20~30 s。地下室外墻要按“分層澆筑、分層振搗”的原則進行，不應隨意留設施工縫。注重二次振搗的作用，混凝土二次振搗的時間通常為初凝時間的1/2~2/3 倍。二次振搗可以顯著提高混凝土的抗滲性和耐久性，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，建議僅在基礎底板上方300~500 mm的范圍內留設一道水平施工縫，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間不一致，變形不協調而產生裂縫。

6 結語

關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力、干縮變形、底板和頂板對地下室外墻的“套鼓效應”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）地下室外墻設計中，計算水平裂縫時荷載取值較實際情況偏大，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）從設計和施工兩方面給出了若干預防地下室外墻裂縫的應對措施，可供類似的工程借鑒。