大型地下室混凝土裂缝原因和预防措施
〔提 要〕对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。 参考文献1．蒋元驹，韩素芳主编，“混凝土工程病害与修补加固”，海洋出版社，1996年7月，第一版.2．王铁梦著，“工程结构裂缝控制”，中国建筑工业出版社，1997年8月，第一版. 收稿日期 2000-03-23 地 址 深圳市南头深圳大学土木系建材室(518060) 电 话 0755-6534021The Causes and Preventing Measure of Cracking of Concr ete of Big BasementXing Feng(College of civeil engineering and architecture,Shenzhen university)Leng Faguang(Department of civil engineering,Tsinghua university) 〔Abstract〕The cracks of the big basement of a housing building of Shenzhen city were investigated,and the characteristics and causes and harmfulness were analyzed,and at the same time,the preventing measure were put forward. 〔Key words〕Basement,Concrete,Causes of cracking,Harmfulness,Preventing measure 邢 锋?(深圳大学建筑与土木工程学院) 冷发光 (清华大学土木系)