大型地下室混凝土裂缝原因和预防措施

　　深圳市某住宅楼附属的大型地下室混凝土裂缝情况进行了调查；分析了该地下室混凝土裂缝的特征、产生的原因和可能的危害性，并提出了预防这种混凝土裂缝的措施和建议。
　　1　工程概况

　　深圳市某住宅钢筋混凝土工程主体由三栋塔楼和二层地库组成，地下室的第一层为设备层，第二层为地下车库。工程总建筑面积8万多m2，其中地下室总面积约为16000m2，本工程为建筑一类工程，工程建筑耐久等级为一级。塔楼采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，塔楼间的地下室采用现浇钢筋混凝土框架结构，基础采用人工挖孔桩，地下室底板厚500mm，地下室外墙厚400mm。

　　本工程混凝土强度等级为：墙柱C35～C45，梁板C30～C40，其余部位C10～C20。混凝土保护层厚度为15mm～35mm。

    2　裂缝调查

    2.1　调查内容

　　(1)裂缝情况：包括裂缝位置、长度、宽度、深度、性质及发展情况等。

　　(2)设计、施工情况:包括裂缝相应位置的结构构造、混凝土强度等级、施工工艺及养护情况。

    2.2　调查方法和手段

    2.2.1　调查方法

　　裂缝调查采用普查与典型调查相结合的方法。对于裂缝比较集中的地下室D轴线附近的裂缝分布情况进行普查(D轴线为塔楼和地下室交界处)，对裂缝深度进行抽查，并对比较典型的裂缝的发展情况进行跟踪调查。

    2.2.2　调查手段

　　本次调查采用的设备和工具主要有以下几种：

　　(1)裂缝位置　主要根据设计图，借助于钢尺、相机等进行检查调查，并绘制裂缝分布图。

　　(2)裂缝宽度　使用塞尺、刻度放大镜进行测量。

　　(3)裂缝长度　用钢尺和皮尺测量。

　　(4)裂缝深度　按照规范要求用超声波仪测量超声波发送和响应时间，经过计算得到裂缝深度。

    2.3　裂缝调查

    2.3.1　地下室裂缝情况
　　
    (1)裂缝部位、长度和宽度

　　对地下室负一层和负二层沿D轴线附近的裂缝进行了初步调查，负一层的裂缝情况见表1，负二层的裂缝情况见表2。
　　表1　　　　　　　地下室负一层裂缝统计
部位 顶板裂缝数
(条) 裂缝宽度
b(mm) 裂缝数
(条) 占顶板总裂
缝数(%) 占负一层总
裂缝数(%)
顶板 80 b≤0.1 55 68.75 55.6
0.1＜b≤0.2 20 25 20.2
0.2＜b≤0.3 3 3.75 3.03
b＞0.3 2 2.5 2.02
部位 墙面裂缝数
(条) 裂缝宽度
b(mm) 裂缝数
(条) 占墙面总裂
缝数(%) 占负一层总
裂缝数(%)
墙面 19 b≤0.1 4 21.1 4.04
0.1＜b≤0.2 8 42.1 8.08
0.2＜b≤0.3 4 21.1 4.04
b＞0.3 3 15.8 3.03
部位 负一层裂
缝数(条) 裂缝宽度
b(mm) 裂缝数
(条) 占负一层总裂缝数(%)
地下室
负一层
汇　总 99 b≤0.1 59 59.6
0.1＜b≤0.2 28 28.3
0.2＜b≤0.3 7 7.07
b＞0.3 5 5.05
　　表2　　　　　　　地下室负二层裂缝统计
部位 顶板裂缝数
(条) 裂缝宽度
b(mm) 裂缝数
(条) 占顶板总裂
缝数(%) 占负二层总
裂缝数(%)
顶板 33 b≤0.1 10 30.3 22.2
0.1＜b≤0.2 17 51.5 37.8
0.2＜b≤0.3 5 15.2 11.1
b＞0.3 1 3.03 2.2
部位 墙面裂缝数
(条) 裂缝宽度
b(mm) 裂缝数
(条) 占墙面总裂
缝数(%) 占负二层总
裂缝数(%)
墙面 12 b≤0.1 5 41.7 11.1
0.1＜b≤0.2 5 41.7 11.1
0.2＜b≤0.3 2 16.7 4.4
b＞0.3 0 0 0
部位 负二层裂
缝数(条) 裂缝宽度
b(mm) 裂缝数
(条) 占负二层总裂缝数(%)
地下室
负二层
汇　总 45 b≤0.1 15 33.3
0.1＜b≤0.2 22 48.9
0.2＜b≤0.3 7 15.6
b＞0.3 1 2.2
　　表3　　　　　　　地下室裂缝深度抽查结果
裂缝编号 73 74 75 11 12
测点 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
裂缝深度(cm) 5.1 6.7 9.3 8.3 7.9 4.8 7.6 8.1 7.5 6.4 8.0 6.9 7.9 7.3 7.1 7.0 6.5 6.3 5.9 6.0 8.1 6.8 5.9 6.9 8.2
平均深度(cm) 7.5 6.9 7.4 6.3 7.2

　　(2)裂缝深度

　　对地下室部分裂缝的深度进行了抽查，抽查结果见表3所示。

    2.3.2　跟踪调查

　　对地下室混凝土的部分裂缝的宽度进行了跟踪调查，调查结果表明：地下室的少量裂缝在继续发展，不过发展趋势不大；在地下室顶板和墙面分别有少量新的裂缝产生。

    2.4　裂缝特征分析

　　调查发现地下室的裂缝主要集中于D轴线附近，并且地下室的裂缝具有以下特点：
　　(1)顶板裂缝大多数与跨度方向呈45℃左右的斜角，个别裂缝穿过两块以上的板。
　　(2)顶板呈斜角的裂缝多数相互平行，且集中于D轴线附近板的一角。
　　(3)顶板的裂缝大多数集中于塔楼和地下室交界的D轴线两侧。
　　(4)墙面裂缝多数垂直地面且相互平行，宽度自下而上逐渐变窄。
　　(5)地下室部分裂缝相交呈八字形。

    3　裂缝原因研究

    3.1　混凝土裂缝的类型和产生原因

　　混凝土的裂缝按产生的时间可分为硬化前裂缝、硬化过程裂缝和完全硬化后裂缝。按引起裂缝产生的原因把混凝土裂缝分为二大类〔1〕〔2〕：

　　第一大类，由第一类外荷载引起的裂缝，包括按照常规计算的主要应力引起的"荷载裂缝"，以及由结构次应力引起的"荷载次应力裂缝"，二者通称为结构性裂缝、受力裂缝。

　　第二大类，由第二类荷载即变形变化引起的裂缝，包括温度、湿度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素引起的裂缝，也称非结构性裂缝。

　　上述两类裂缝的区别是：前者从外荷载的作用、结构内力的形成，直至裂缝的出现与扩展，似乎都在同一时间瞬时发生并一次完成，是个"一次"过程。而变形荷载的作用，从环境的变化，变形的产生，到约束应力的形成，裂缝的出现与扩展等都不是在同一时间瞬时完成的，它有一个"时间过程"，称之为"传递过程"，是一个多次产生和发展的过程。

    3.2　裂缝原因分析

　　根据调查结果分析，以及对地下室裂缝的初步跟踪调查，地下室有些裂缝有进一步发展趋势，且有新的裂缝产生，裂缝的产生表现为"时间过程"，呈现由变形变化引起的裂缝特点，估计地下室裂缝由变形变化引起为主。根据地下室的裂缝特点，分析其原因有以下几方面：

　　(1)材料原因

　　根据搅拌站提供的原材料实际计量数据看，其用水量波动较大，可能导致混凝土质量波动也较大。

　　(2)施工原因

　　根据在现场对施工过程的观察、对现场混凝土的检查和对施工人员的访问，发现有几个问题：一是混凝土的蜂窝麻面，二是混凝土的养护，三是拆模时间。蜂窝麻面反映混凝土立模和振捣方面存在不足，而养护不好则对混凝土整体质量影响特别显著，直接影响混凝土的抗裂能力。在混凝土产生足够强度以前，过早拆模以及在混凝土施工面上过早从事其它准备工序，会破坏混凝土结构，降低承载力，导致裂缝的产生。

　　另外，根据施工单位编制的《施工组织设计》，由于地下室二层与地下室一层D轴线落差处，地下室二层外墙与塔楼地下一层底板相连。而地下一层底板与地下二层外墙施工存在60天技术间歇时间，为使主楼节省60天工期，将地下二层外墙与地下一层底板结构一起施工。这样使原来的结构刚度和结构构件的约束情况有所变化，在地基差异沉降变形和荷载影响下，就可能导致D轴墙和地下室楼板产生裂缝。

　　(3)结构设计原因

　　D轴线位置为人防和塔楼的交界处，塔楼部分为一层地下室，人防部分为两 层地下室，故D轴线两侧所受荷载及两侧结构的刚度或柔性有显著差异，使其变形差异较大，由于超静定结构的强约束作用，从而导致裂缝的产生。

　　(4)基础沉降原因

　　塔楼和地下室的东西方向和南北方向的地质情况均有差异，其中东西方向的荷载和结构刚度基本相同，南北方向的荷载和结构刚度差异较大。在不同的静荷载和施工荷载作用下，因其沉降位移不同，以及D轴线附近相邻沉降差异而导致裂缝的产生，D轴线附近的墙体垂直裂缝和八字形裂缝说明了这一点。

　　(5)环境原因

　　由跟踪调查情况看，地下室个别裂缝宽度还有所发展，而且有新的裂缝产生，但原有裂缝也在闭合或者宽度变小，跟踪调查时正值寒潮期间，因此，新的裂缝和裂缝的发展由温度变化引起的可能性较大，但塔楼的荷载还在增大，地基的沉降尚不稳定，故地基沉降仍然是其原因之一。

    4　裂缝危害性分析

　　裂缝危害性主要按照有关规范允许的最大裂缝宽度来进行分析。

    4.1　裂缝控制标准

　　从国内外试验资料分析，混凝土结构物裂缝宽度一般应该控制在表4所示的范围内。

　　表4　　　　混凝土结构物裂缝宽度控制范围
序号 结构物使用环境 允许的裂缝宽度(mm)
1 无侵蚀介质、无抗渗要求 0.3
2 轻微侵蚀、无抗渗要求 0.2
3 严重侵蚀、有抗渗要求 0.1

　　我国规范规定钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度见表5，美国的规定见表6所示。

　　表5　　　　钢筋混凝土结构构件最大裂缝宽度允许值
序号 结构物使用环境 最大裂缝宽度
允许值(mm)
1 屋架、托架的受拉构件
烟囱、用以贮存松散体的筒仓
处于液体压力下而无专门保护措施的构件 0.2
2 处于正常条件下的构件 0.3

　　表6　　　美国混凝土学会224委员会对裂缝宽度的限值
序号 结构物使用环境 最大裂缝宽度允许值(mm)
1 干燥环境，有保护层 0.4
2 潮湿空气，土壤中 0.3
3 冻结环境(加防冻剂) 0.18
4 海水环境 0.15
5 贮水构筑物 0.1

　　根据上述我国有关标准及美国有关标准，将上述分类的混凝土裂缝定性为：
　　(1)宽度小于标准规定值者属于无害、可修复的裂缝；
　　(2)宽度超过规定值者，一般需要由设计、施工、监理、业主等有关方面共同商定处理方案。
　　(3)活裂缝需要进一步观察，待其基本稳定后，才能确定处理方案。
　　根据本工程实际所处环境和用途，裂缝宽度的允许值取0.3mm为宜。

    4.2　裂缝危害性分析

　　从地下室混凝土裂缝调查结果可见，地下室负一层共抽查裂缝99条(见表1)，其中顶板80条，墙面19条。超过上述规定值的裂缝有5条，占地下室负一层总裂缝数的5.05％，其中顶板2条，墙面3条。其余裂缝宽度均在允许范围之内。顶板的裂缝较多，占81％，墙面裂缝只占19％。

　　地下室负二层共抽查裂缝45条(见表2)。其中顶板33条，墙面12条。裂缝宽度超过规定值者l条(顶板部位)，占2.2％。与负一层一样，顶板的裂缝数较多，占73％，墙面裂缝次之，占27％。根据裂缝调查结果、建筑物重要性、使用功能和裂缝控制标准看，地下室裂缝目前对结构的安全性影响还不大，但由于少量裂缝有轻微的进一步发展趋势，而且裂缝数量多，因此现有的裂缝会影响结构的使用功能和外观，应该按照规范或设计要求对裂缝进行相应的处理。

    5　预防裂缝的措施和建议

　  (1)搅拌站应该加强原材料质量检测和控制，特别是砂石含水量和含泥量的检测和控制，以确保混凝土本身的质量稳定；进一步优化混凝土配比，提高混凝土抗裂能力；对一些必要的试验检测工作应予加强，如混凝土收缩试验等。

　　(2)施工单位应该重视施工质量和加强质量管理，特别是要重视混凝土振捣、养护工作，保证模板的牢固，钢筋保护层的准确等；作好日常的施工记录，包括养护记录、施工异常情况处理记录、施工日志、质量检查日志。严格按照设计图纸进行施工，特别是要保证钢筋位置和数量，否则会造成严重后果。

　　(3)设计单位在进行结构设计时，应该主动征求其他单位和技术人员的意见，特别是征求施工单位、科研单位的意见；征求材料研究人员、质检人员的意见，以保证所设计的工程既安全、又便于施工。设计单位应该对地下室重要构件的承载力进行验算，以便及早发现设计不足之处；对地基沉降情况进行验算，以便采取对策。

    6　结　论

　　根据现场调查结果、理论分析，得出以下初步结论：
　　(1)地下室的裂缝由变形变化引起为主因，特别是沉降变形引起的可能性较大。
　　(2)地下室新发现的裂缝由温度变化和沉降变形共同引起的可能性较大。
　　(3)从目前情况看，地下室现有裂缝对本工程的安全还没有太大的危害，暂时不需要特别加固处理。