地下工程墻板結構的開裂機理及裂縫控制設計

王 兵 劉小泉

(1．江蘇省建筑設計研究院有限公司，江蘇南京 210019;2．常州市建筑科學研究院股份有限公司，江蘇常州 213015)

0 引言

結構混凝土的質量是決定建筑工程質量的關鍵要素，隨著城市建設的不斷發展，超高層建筑、大跨結構、異形結構、地鐵、隧道的迅速發展，地下工程的數量也越來越多。地下墻板的開裂成為了迫切需要解決的問題，而目前還沒有十分成熟有效的技術措施。

本文從微觀、細觀到宏觀對地下工程墻板結構的裂縫成因進行了實質性的分析，并提出引入BIM技術用于裂縫控制設計，在結構設計中明確材料、施工等方面的關鍵性能要求，做到裂縫控制的可控性。

1 墻板開裂機理分析

混凝土裂縫產生主要是以下幾個因素［1］:

1)由外荷載的直接應力引起的裂縫;

2)由結構的次應力引起的裂縫;

3)由變形變化引起的裂縫，即由溫度、收縮、不均勻沉降、膨脹等變形變化產生應力而引起的。

地下室混凝土的澆筑是一種大體積混凝土的施工，裂縫主要表現為以下一些特點:

1)裂縫形式主要為豎向裂縫，長度一般接近于整體墻高;

2)裂縫數量較多，沿地下室長度方向的兩端裂縫較少，墻體中部較多;

3)裂縫的寬度一般在0．2 mm左右，個別部位會達到0．5 mm以上;

4)裂縫隨時間的延長逐漸增多，但縫寬變化不大。

2 開裂因素分析

1)結構設計因素。

a．對結構約束考慮不當。在工程設計中，忽略了上部結構、基礎和地基三者之間的共同作用或對復雜結構體系、超靜定結構的約束作用考慮不夠亦或對混凝土內部自約束條件缺乏必要數據，在約束狀態下，如結構沒有變形的余地，由于各種約束的疊加會產生較大的約束應力，當疊加的約束應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土必然開裂。

b．混凝土設計標號過高。為了滿足功能用途及降低成本，結構設計師往往選擇C40以上標號混凝土，有的甚至采用C60混凝土，混凝土的收縮勢必增大，必然加劇裂縫發生、擴展。

c．對后澆帶、加強帶設計不當。結構設計人員不適當地放寬了設計條件，延長后澆帶間距，使后澆帶起不到釋放收縮應力的作用;也有部分設計人員在沒有掌握膨脹加強帶的功能及工藝的前提下，盲目采取加強帶措施，往往適得其反。

d．對構造配筋不夠重視。大量實踐證明，水平筋采取“細而密”的設計準則，對提高墻板結構的抗裂性能效果顯著。

2)組成材料方面。

收縮因素:對于墻板結構來說，造成開裂的收縮主要是塑性階段的沉降收縮和水化過程中的干燥收縮。

塑性沉降收縮是在混凝土澆筑后初凝之前，混凝土中的骨料在流變力及自重的作用下，骨料緩慢下沉，當下沉量累積到一定程度就會引起應力集中，再加上表面水分的快速蒸發散失，導致收縮過大而產生開裂。

混凝土停止養護后，置于未飽和空氣中的混凝土因失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水而發生的不可逆收縮，稱為干燥收縮變形，簡稱干縮;是混凝土收縮的主要影響因素，也是造成混凝土開裂的較為重要的原因。對于地下墻板混凝土而言，干燥收縮是非常復雜的變形過程，水泥標號及用量、用水量、試件表面暴露條件、養護條件、配筋數量等因素均會造成混凝土的干燥收縮。

近年來，高性能混凝土(HPC)與高強混凝土(HSC)被大量采用，由于水泥細度加大、混凝土坍落度加大、緩凝時間延長、粉煤灰用量加大、石子粒徑變小等因素，使得混凝土的收縮呈增加的趨勢，導致裂縫控制難度大大增加。

3)膨脹劑因素。

摻膨脹劑混凝土源于吳忠偉院士的“微膨脹補償收縮”理論，普遍認為摻8%～12%膨脹劑混凝土會產生2×10-4以上的膨脹，以補償混凝土的部分收縮，但是前提條件必須是水中養護，相比普通混凝土而言養護條件更苛刻，對于墻板構件由于是豎向構件且表面積大，濕養護很難做到，往往由于日曬、風吹導致表面快速失水，并由表及里不斷干燥，收縮加劇，摻膨脹劑反而起到了“反作用”，導致墻板更容易開裂、開裂程度更嚴重。

4)施工方面。在施工方面，多種因素會影響墻板的裂縫發展情況，主要有以下幾個方面:

a．振搗。過振——用插入式振搗器振實混凝土使混凝土流淌，振搗過度時會導致骨料下沉，造成區域骨料集中和灰漿集中，在混凝土中會容易出現大量的收縮裂縫。

漏振——振搗不密實，不夠充分時，在混凝土內部容易產生薄弱面，混凝土存在開裂的潛在隱患。

b．養護。養護條件的好壞極大地影響了地下工程墻板混凝土的開裂，由于地下工程墻板表面積較大，水分散失較快，尤其在有陽光直射、風速較大的部位，拆模前后如果不注意跟蹤養護則容易造成混凝土失水過快、過多，從而產生較多的裂縫。

c．拆模。拆模不宜過早或者過遲。過早拆模，由于過早解除約束，墻板構件表面溫度條件、濕度條件的劇烈變化也會導致收縮加大;過遲拆模，墻板構件表面已經嚴重脫水，也會加大收縮。

d．澆筑速度。在大體積混凝土澆筑過程中需控制澆筑速度，若澆筑速度太快，短時間內大量流動性混凝土則容易充滿墻板模板，造成自重瞬間過大，導致骨料下沉加劇，并形成較大側壓力，對模板等約束產生不良影響。

e．外力擾動。墻板構件混凝土在水化早期水化產物尚不夠豐富，遇有外力或周圍擾動，使得墻板混凝土產生先天損傷，引起混凝土內部的開裂。

3 基于BIM技術的墻板結構裂縫控制設計

建筑信息模型(Building Information Model，BIM)是通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，是對該工程項目相關信息的詳盡表達。它的概念是由美國Autodesk公司在2002年首次提出的，BIM技術的信息不僅是三維幾何形狀信息，還包含大量的非幾何形狀信息，如建筑構件的材料、重量、價格和進度等等。

基于BIM技術的墻板裂縫控制設計的構想，首先建立三大模塊因素，即設計模塊、施工模塊、混凝土材料模塊，把每個模塊的因素細化，將墻板構件作為一個數據單位添加如鋼筋種類、配筋率、混凝土標號、水泥用量、混凝土的收縮、澆搗工藝、養護、拆模等屬性信息，結合BIM模擬計算技術，在工程開始階段，預先對結構部位做出估算并做開裂評價標記，附加結構設計的抗裂手段及后期維護建議［2］。

3．1 設計模塊的因素

1)混凝土強度等級不大于C40。2)混凝土28 d收縮小于2×10-4。3)摻用低收縮的膨脹劑，摻用高模量的抗裂纖維。4)采用60 d，90 d齡期強度作為強度設計值。5)采用“細而密”的配筋原則，水平筋配筋率應大于0．2%(宜在0．25%左右)，水平鋼筋可選φ10 mm～φ16 mm的鋼筋，間距不大于150 mm，個別開口部和墻體連接處由于應力集中應增添附加鋼筋，水平筋宜放在受力筋外側。6)對于約束過大的部位應有相應的配筋設計措施。7)合理設置后澆帶、膨脹加強帶。

3．2 施工模塊的因素

1)澆搗。澆筑速度不宜過快，控制在25 m3/h，分層澆筑，每層不超過1．5 m，保證不過振、不漏振。

2)養護。養護應遵循以下幾個方面:在拆模前應采用各種措施保證濕養護;不得施加任何形式的側壓力或豎向荷載，絕對禁止在拆模前松動模板螺桿，拆模后應繼續持續保濕養護14 d以上，視工程進展待具備條件后及時回填土。

3)跟蹤留意氣象變化，澆筑時間宜選擇在陰濕小雨天氣，盡可能避開夏季高溫季節，在夏季也應選擇夜間澆筑。

3．3 混凝土材料模塊的因素

1)水泥優先選用42．5普通硅酸鹽水泥。2)在滿足施工工藝的前提下，盡可能縮短凝結時間。3)石子級配盡可能提高大粒徑碎石的比例，砂子細度模數在2．3以上。4)最大程度上降低泌水。5)混凝土入模擴展度450 mm±30 mm。

通過引入上述模塊和因素分析，利用BIM技術結合設計、施工和材料監測，將實現墻板結構裂縫質量問題的有效預防與控制。

4 結語

地下工程墻板結構墻體產生裂縫的原因多且復雜，既有本身的原因，也有外界因素的作用緣故，裂縫的產生很大程度上影響了地下結構工程使用的安全性，目前也是工程領域最為棘手的問題，同樣會造成設計方、施工方、材料方一些工程糾紛，從而影響工程質量及進度。本文從設計、施工、材料角度優化了裂縫控制設計，并建議在工程初期引入BIM技術，將設計、施工、材料模塊細化分析，進行全過程跟蹤設計和管理，對解決地下工程裂縫控制難題有一定的實用價值。

［1］王鐵夢．工程結構裂縫控制［M］．北京:中國建筑工業出版社，1997．

［2］劉文鵬，葉英華，沈 孛．BIM技術在混凝土結構耐久性評估中的應用［J］．建筑技術，2012(1):35-36．

［3］郭文強．談鋼筋混凝土結構裂縫及其控制［J］．山西建筑，2013，39(19):33-34．