建筑地下室超長混凝土結構裂縫控制技術分析

張亞文

近年來，地下空間的開發利用日益受到關注。地下室建筑作為利用地下空間的主要形式也面臨一系列挑戰。其中，超長混凝土結構裂縫的出現就是地下室建筑面臨的一個主要難題。地下室特殊的空間位置和結構形式，其混凝土結構在施工和使用中承受著復雜的應力狀態。持續的溫度變化、水化熱、干燥收縮、地下水滲透及地基沉降等多種因素的共同作用，都可能導致混凝土結構出現裂縫[1]。一旦裂縫過大或分布不均勻，會影響結構的承載能力和使用壽命，可能引發滲漏、腐蝕等一系列衍生問題。本文從結構設計、材料選擇、施工控制、先進技術應用等多個層面出發，系統分析超長混凝土結構裂縫的控制技術，以期為地下室建筑的優化設計和高質量施工提供理論依據和技術支撐。

1 地下室超長混凝土結構裂縫產生的原因

1.1 結構設計

地下室超長混凝土結構裂縫的產生與結構設計等因素存在密切關聯。合理的結構布置和構件尺寸設置是控制裂縫的關鍵。由于地下室結構狹長的特性，梁、板等水平構件的跨度通常較大。當構件自身剛度不足時，在持續荷載和各種次應力的共同作用下，極易發生過大變形，從而導致開裂[2]。此外，混凝土結構內存在大量構造縫，尤其是在墻、板以及梁等構件的節點區域。受溫度梯度、不均勻約束、材料差異等相關因素的影響，這些區域常常成為裂縫的集中發生地帶。對某超大型綜合體地下結構進行分析，發現板柱節點區的最大主應力可高達4.3 MPa，而混凝土的抗拉強度通常僅為3 ～5 MPa，因此裂縫在這些薄弱部位極易產生并擴展。除了構件本身，結構整體的布置形式也會對裂縫產生重要影響。某大型地下車庫案例研究顯示，當結構采用矩形平面布置時，四角部位的應力明顯集中，最大拉應力可達4.7 MPa；而當布置形式變為曲線或不規則多邊形后，應力集中程度大幅降低，最大拉應力僅為2.8 MPa?？梢?，對超長地下結構而言，合理優化整體平面布置形式，有利于分散應力集中，從而減小裂縫產生的概率。綜上所述，在地下室超長結構設計階段，科學選擇構件截面形式、確定合理跨度、優化節點區構造措施及優化整體布置形式等，都是控制混凝土裂縫、確保結構安全的重要環節，應受到設計人員的高度重視。

1.2 混凝土材料性能

混凝土材料的性能對地下室超長結構裂縫的控制具有重要影響。根據彈性力學理論，混凝土抗拉強度低是裂縫形成的主要原因。普通混凝土的抗拉強度通常在3 ～5 MPa，而抗壓強度可達30 MPa，二者存在較大的差距[3]。當受拉區的應力超過抗拉強度時，必然會產生裂縫并迅速擴展。除強度外，混凝土的變形性能也與裂縫的形成和發展密切相關。根據試件測試，普通混凝土的抗拉應變僅為100 ～200 微應變，一旦超過這個臨界值，裂縫就會加速擴展。而在地下室結構中，由于溫度梯度、預應力損失等因素，大型梁板構件的拉應變為400 ～600 的微應變，遠超材料的抗拉極限。此外，混凝土的收縮性能也是影響裂縫的重要因素?；炷聊Y后，由于水化熱、自身重力和干燥作用，會逐漸產生體積收縮變形的現象。根據監測，某商業綜合體地下結構的最大干燥收縮變形率高達625微應變。過大的收縮變形會引起結構內部應力的重新分配，從而導致新的裂縫區域的形成?；炷敛牧线€可能存在孔隙率、離析、偏析等缺陷，這些微觀結構缺陷在一定程度上也會促進裂縫的產生和擴展。研究發現，離析和偏析會造成混凝土內部存在大量微裂縫，從而降低其抗裂性能。在外載荷作用下，這些微裂縫極易貫通并擴展，加速宏觀裂縫的形成。因此，提高混凝土的抗拉強度、增大變形能力、控制收縮量及優化微觀結構都是減小超長結構裂縫的有效途徑，只有充分認識到材料性能與裂縫之間的內在關聯，才能更好地控制地下室結構開裂問題。

1.3 施工工藝與溫度應力

施工工藝與溫度應力也是導致地下室超長混凝土結構裂縫的重要原因?；炷猎跐仓湍踢^程中水化熱會引起溫度的迅速升高，而隨后的緩慢散熱又會導致溫度逐漸降低，在溫升溫降交替作用下產生的溫度梯度是結構開裂的重要原因。以某大型地下車庫為例，當最大溫差達到35 ℃時，結構頂板中部將產生約2.2 MPa 的拉應力，而普通混凝土的抗拉強度僅為3 ～4 MPa，很容易被超限而開裂。除了溫度梯度外，澆筑工藝和施工工期也會對裂縫產生重要影響。分層澆注是大體積混凝土澆筑的主要方式，但若上下層澆筑時間間隔過長，則兩層混凝土的溫度和變形差異就會加大，從而增大結構應力和開裂風險。此外，施工工期的設置也關系重大。若大體積混凝土澆筑過于操之過急，內部的水化熱難以充分擴散，就會形成明顯的溫度梯度。反之，工期拖延又會增加干縮變形的積累，導致裂縫的形成。除了施工工藝本身，外界環境因素也會對溫度應力產生影響。如集中澆筑時的天氣狀況、季節及施工場地遮陽遮陰等。夏季高溫作業將加劇水化熱積聚，而冬季低溫施工又會引起低溫收縮裂縫，因此有必要針對性地采取適當的防范措施。

1.4 地下水及地基沉降

地下水和地基沉降是引發地下室超長混凝土結構裂縫的外部因素。地下水的滲透會直接對結構產生不利影響，而地基沉降則會間接導致結構產生附加應力，加劇裂縫的形成和發展。對于地下水的影響，首先要關注其對混凝土材料性能的侵蝕作用。地下水中含有鈣離子、鎂離子、銨根離子、氯離子、硫酸根離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子、氫氧根離子等。當建筑物長期處于地下水作用時，會對混凝土產生腐蝕性。這些離子一旦滲入混凝土內部并長期作用，將加速鋼筋銹蝕、水化產物溶解，從而導致材料強度和耐久性急劇下降[4]。以北京市某地下人防工程為例，由于地下水中氯離子含量高達1800 mg/L，經過10 a的浸泡，混凝土的抗壓強度已經降低35%，抗拉強度，降幅高達63%。當材料強度發生明顯退化時，結構的抗裂能力自然也會大幅減小。此外，地下水還會影響混凝土的收縮性能。在干濕循環作用下，混凝土內部會發生吸濕膨脹和失水收縮，這種體積效應極易誘發內部應力集中，加速開裂。除地下水外，地基沉降也是導致地下室結構開裂的原因之一。淺層地基沉降在一定程度上是不可避免的，但對于巨大的地下室結構，微小的沉降也會引發相當大的附加應力。以某超高層建筑的監測數據為例，地下五層結構發生的最大沉降差值為32 mm，而對應的結構拉應力高達7.4 MPa。

2 地下室超長混凝土結構裂縫控制關鍵技術

2.1 結構設計優化策略與抗裂構造措施的應用

在地下室超長混凝土結構設計階段，優化結構布置形式和采用合理的抗裂構造措施是控制裂縫的關鍵技術之一。通過科學的設計手段，可以有效減少結構內部的應力集中現象，提高整體的抗裂性能：第1，優化整體平面布置形式有助于分散集中應力并均衡受力。以某大型綜合體為例，不同布置形式對結構應力的影響如表1所示?？梢?，相比矩形布置，圓形和不規則多邊形布置的最大拉應力分別降低了31.9%和40.4%，應力集中系數也有顯著下降，這將大幅減小結構裂縫產生的概率。第2，在構件尺寸和形式方面，采用變截面措施也可以顯著提高抗裂能力[5]。目前，在超長結構設計中，常采用變截面箱形梁或者中部加寬的肋板等形式，以增大構件的抗彎剛度，從而減小開裂傾向。有限元分析結果顯示，對于某30 m超大跨徑箱形梁，當采用適當的變截面優化后，跨中最大拉應力將降低約25%，從5.2 降至3.9 MPa，遠低于普通混凝土的抗拉極限。第3，在節點區域設置合理的構造縫或預留縫也是控制裂縫的有效手段。由于這些區域受力環境復雜，應力集中現象明顯，極易引發裂縫的產生，因此有必要通過預先設置縫隙的方式，為潛在裂縫的形成和擴展提供一定的“緩沖空間”，從而減小其對結構整體的不利影響。

表1 不同布置形式對結構應力的影響

2.2 高性能與特殊混凝土材料的應用

應用高性能和特殊混凝土材料是控制裂縫的又一重要技術路徑。這類材料具有卓越的力學性能，可賦予結構諸多特殊功能，從而有效提高抗裂能力。高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）是目前應用最為廣泛的抗裂材料之一，HPC 以高強度、高韌性、低滲透性等優點而備受行業推崇。通過優化粉體物料組成、摻入減水劑和礦物摻合料，可使其抗壓強度提高至80 MPa，抗拉強度亦可達到約10 MPa，遠高于普通混凝土。HPC 的延性較好，在開裂后仍可通過“壓力繩”作用來傳遞拉力，因此，即便產生裂縫，其承載能力也不會驟然下降。除HPC 外，纖維增強混凝土（Fiber-Reinforced Concrete，FRC）也常被用于控制超長結構裂縫。通過摻入鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等短纖維，不僅可增強其抗拉、抗沖擊性能，而且能顯著提高延性，從而延緩裂縫的擴展。某大型綜合體工程的混凝土性能對比如表2 所示。由表可知，與普通混凝土相比，纖維混凝土不僅強度更高，抗裂韌性也更強，尤其是鋼纖維混凝土，其抗拉強度和抗裂指數分別提高了81.3%和74.5%，在抑制裂縫擴展方面具有獨特優勢。

表2 混凝土性能對比

2.3 施工階段溫度與收縮應力相關控制技術

在地下室超長混凝土結構施工階段，合理控制溫度變化和收縮應力是防治裂縫的關鍵技術之一。施工過程中的不當操作易引發劇烈的溫升溫降循環和過大的收縮變形，產生內部拉應力，進而誘發裂縫的形成。針對溫度應力的控制，最主要的做法是優化混凝土澆筑工藝和施工工期安排。大體積混凝土澆筑時，可采用分層分批次的澆筑方式，控制單次澆筑體積，減小溫升幅度。此外，還要科學安排澆筑工期，避免因操之過急導致熱量迅速積聚，同時也要防止拖延過久加劇干縮裂縫。合理的工期以10 ～15 d為宜。在施工現場，通過噴淋覆濕、遮陽棚等簡單措施，也可以有效降低混凝土的最高溫度。此外，還可采用冷卻管循環水技術、新型相變冷卻體系等先進措施，從內外兩方面對結構進行主動冷卻，抑制溫度升高。以某綜合體工程為例，利用預制埋入冷卻管和噴射冷卻劑的方式，使頂板中心溫度最高值控制在35 ℃，較傳統工藝下降了約20 ℃。除控制溫度外，減小收縮變形也是施工階段的重中之重。應合理選擇混凝土配合比，尤其是摻合料用量和外加劑用量，將干縮率控制在適當范圍。目前，我國規范限制地下室結構混凝土的最大干縮率為600 微應變，超過該值極易產生開裂。此外，施工過程中還要采取濕纜養護、隔熱遮陽、涂刷養護劑等措施減少混凝土的水分損失，以減小收縮變形。綜上，通過優化施工工藝流程、科學安排工期、采取現場主動冷卻措施及使用低收縮混凝土配合比等多種手段，可以從源頭上有效控制溫升溫降循環和收縮變形，大幅降低由此產生的內部應力水平，為地下室超長混凝土結構的無裂化施工提供技術保障。

2.4 新型智能材料與自修復技術

為有效應對地下水滲透和地基沉降等外部因素導致的超長混凝土結構裂縫問題，新型智能材料與自修復技術的應用正日益受重視。這些新興技術能主動響應外部環境變化，實現混凝土結構的自我修復和自我保護，從而最大限度地延長結構的使用壽命，提高整體性能。其中，智能自愈合水泥基復合材料是一種具有廣闊前景的抗裂新型材料。該材料通過摻入細菌或植物源蛋白等智能修復劑，并在特定條件下激活，實現裂縫的自主愈合。以細菌自愈合水泥為例，當混凝土內部產生微裂縫時，滲入的水分和氧氣將啟動菌種的代謝活動，并誘導其產生碳酸鈣晶體，繼而填充并愈合裂縫。而對地下環境而言，持續的地下水滲透會不斷為細菌提供代謝所需的水分和養分，因此自愈合效果將更加顯著。

除智能材料外，采用先進的自修復技術也是應對地下室超長結構裂縫的有力武器。一種稱為“生物礦化自修復技術”的新方法就極具潛力。該技術的核心是通過生物礦化反應（如碳酸鈣、硅酸鈣等）來填充并愈合裂縫。與細菌自愈合技術不同的是，該方法利用的是浸入裂縫中的生物礦化溶液，而非混凝土本身摻入的修復劑。這種后植入式技術的優勢在于可對已有建筑結構進行修復，具有較強的適用性。

綜上，通過應用智能自愈合水泥材料和生物礦化自修復技術等，可以有效修復由地下水滲透和地基沉降引發的裂縫，顯著提升結構的使用性能，最大限度地延長其使用壽命。

3 結語

地下室超長混凝土結構裂縫的控制是一個系統工程，需要從結構設計、材料選用、施工控制、先進技術應用等多個層面采取協同措施。合理優化結構布置形式和構件尺寸，有利于減少應力集中現象，提高整體剛度；采用高性能混凝土、纖維混凝土等新型材料，可以從根源上提升結構抗裂性能；優化施工工藝流程、控制溫度和收縮變形，是施工階段防治裂縫的關鍵技術；而智能自愈合材料和生物礦化修復技術的應用，則為解決地下環境復雜因素導致的裂縫問題提供了全新思路。