地基土含水量變化引起的建筑物裂縫分析

摘要:通過實例，介紹了四個地基土含水量變化導致的工程事故。諸事故的肇事原因都與水有關，一種是地下水被抽走，后又回灌，從而在土層內(nèi)形成塌陷;一種是潛流的強力沖刷造成地基塌陷;一種是少見的大旱使膨脹土發(fā)生干縮;一種是土壤中堿液濃度過大造成土壤濕陷。所有這些現(xiàn)象是非常少見而難以預料的，對勘察設計者具有指導意義。

關鍵詞:地基土含水量變化 裂縫 地下水 膨脹土 化學污染

中圖分類號:TD223 文獻標識碼:A文章編號:1673-8209(2009)10-0074-03

地基土含水量變化是指土層、邊坡、地下水位以及土質(zhì)、水質(zhì)等受到天然或人為的破壞或改變，通常表現(xiàn)為:地下水位突然、大幅度地升降和潛流沖蝕;場地附近后期挖方;膨脹土層的起伏變化;工程本身后期超載或附近地面超載;化學污染等等。地基土含水量變化引起建筑物不均勻沉降，從而造成工程事故的實例很多，本文僅列舉四個典型實例。

1 地下水變遷引起的建筑物裂縫分析

1.1 工程及裂縫概況

某小學有三座教學樓(平面布置見圖1)，均為三層磚混結構，條形基礎，于1979年1月動工，同年底竣工，并已安全使用了8年。1987年10月10日、11日連續(xù)兩天下大雨，14日上午，三號樓的東半部突然發(fā)生裂縫，嵌入橫墻的挑梁與墻發(fā)生錯動(圖2)，南側一處門與窗之間的墻在過梁標高處水平裂斷并略向內(nèi)傾斜，北側有一塊窗玻璃在正上課的時候被擠破。當天檢查院內(nèi)一號、二號教學樓未見裂縫，一個月之后，這二座教學樓也出現(xiàn)了裂縫，其形狀及性質(zhì)與三號樓相同。在這期間，三號樓的裂縫范圍往西發(fā)展到了該樓的西半部的南墻，之后又發(fā)展到了其北墻，而東半部的裂縫越來越嚴重。值得注意的是，裂縫初期向北傾斜的門與窗間墻看上去又扶正了?？偲饋碚f，裂縫的特點為:

(1)裂縫發(fā)生突然且發(fā)展迅速，涉及的范圍大;

(2)原來斷裂后向北傾斜的門窗間墻后來又扶正了;

(3)橫墻上的裂縫有明顯地來回水平錯動的跡象，既像遭過震害的房屋裂縫，又有點像采空區(qū)房屋的裂縫。

1.2 地基基礎與地質(zhì)環(huán)境

該工程采用天然地基，設計前未作專門的地質(zhì)勘察，開槽時發(fā)現(xiàn)東半部的砂土很松散，因此對這一部分基礎作了加深60cm和加寬10cm的處理，達到基礎埋深1.75m。

事故后進行的勘探揭示，土層分布情況見表1。

在該樓西側約50m處有一個臭水灣，1986年市政部門要將此灣進行改造、美化，便從86年6月開始，用大功率泵將灣水抽光，接著進行邊抽水邊挖深、削坡并砌筑亂石池壁，這樣一直持續(xù)到86年12月底才改造完。改造完成后，立即向灣內(nèi)注滿了水。

1.3 裂縫原因分析

裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展過程表明，該工程地基發(fā)生了劇烈的不均勻沉陷。從地質(zhì)分布情況看，該工程地基以砂類土為主，所以地基沉降應在工程完工后不久完成，假如地基中存在著未經(jīng)查明的溝坑、暗浜、墳井等局部缺陷，這么長的時間也早應該表現(xiàn)出來了，不至于安全使用8年之久。所以，該建筑物裂縫肯定是由后來的地基土含水量變化所引發(fā)的。

經(jīng)調(diào)查證實，這三座教學樓的地基確實經(jīng)歷過近距離、長時間的抽水，然后又注水和連降兩次大雨的遭遇，裂縫就是從大雨之后開始出現(xiàn)的。距教學樓50m遠的臭水灣，歷來作為集納附近區(qū)域的污水和雨水之用，積水被地下10米處的粘土層所隔，所以盡管該地區(qū)大旱十幾年，周圍地下水位已降至30米以下，但此灣中的水還是滿的，附近的砂土層中必有一片淺層的滯水存在。

勘探結果表明，本工程地基的粗砂層與臭水灣相通，臭水灣改造過程中抽水、注水所引起的地下水位的變化已經(jīng)波及到了該工程地基的主要壓縮層。當?shù)叵滤樽吆?，那部分土的計算重度?kN/m3突增為18kN/m3，并在砂層中留下了可壓縮孔隙，勢必發(fā)生自重沉實或塌陷，從而出現(xiàn)空洞，但沒有立即塌下來，是由于上部砂土的起拱作用。在連降兩天大雨后，雨水迅速滲下去，浸濕了洞頂上土層，增加了土的重量，降低了砂土的摩擦力，其拱作用被破壞而塌陷，這是極有可能的一個方面;另一種可能是，抽掉水的砂土層，因自重沉落而出現(xiàn)某種程度的空洞，當重新注水時，地下水位回升，使空洞頂上的砂土自下而上的被浸濕，重量增加而塌陷?？碧浇Y果表明，教學樓發(fā)生裂縫時，灣中回注的水確已自西向東回到了該樓地下。

裂縫發(fā)展范圍逐步擴大，遍及了整個校園的三座教學樓一事，證明了前面關于空洞逐漸塌陷的判斷。三號樓西半部的土層和東半部不同，西部含粘粒多，東部含粘粒少，這與施工時發(fā)現(xiàn)的情況一致，這正是三號樓東半部裂縫出現(xiàn)早而且嚴重的原因。

三座教學樓裂縫發(fā)展越來越嚴重，最后全部拆除了。

1.4 小結

筆者遇到的因局部滯水或地基浸濕而造成的建筑物裂縫已有數(shù)起，有的使房屋整體傾斜，有的使房屋縱向均勻彎曲，導致縱墻開裂。該例中地下水變異的情況比較特殊，既有水位下降造成干塌的可能，又有回灌時的浸塌的可能，也有地面雨水向下浸滲導致塌陷的可能。由于砂土的沉落變形是突然的，所以墻體裂縫的反應特別劇烈，特別嚴重。

2 水土流失引起的建筑物裂縫分析

2.1 工程及裂縫概況

某水庫給水工程取水廠的綜合樓、變電間和加氯間等坐落在鞋山南坡，原地形多為沖溝，六零年修建水庫時，大量廢棄的石渣被填入溝內(nèi)，后來又經(jīng)過大規(guī)模地填溝造地，在碎石上面覆蓋了一層土。該工程平面位置及原山坡地形示于圖3中。圖中北圍墻以外為上山坡，南圍墻則為水庫邊的擋土墻，高2.5米，墻頂與建筑場地平。綜合樓為二層(局部三層)，施工前已探明，其下為碎石雜填土，較深且不密實，因而進行了強夯處理，其他二項工程均為平房，未進行專門勘探，只是開槽后局部進行了換土處理。

一九八九年七月十九日一場暴雨后，變電間和加氯間的墻體都出現(xiàn)了裂縫，其中加氯間東南角和變電間西端的裂縫最為嚴重，縫寬達12mm，裂縫兩側的砌體錯位達15mm，局部毛石基礎下沉后與圈梁脫開55mm。室內(nèi)地面也多處發(fā)生裂縫，混凝土路面則有兩處沉陷而積水(如圖3中虛線所示)，此處擋土墻有一處被沖垮，潛水從缺口處流入水庫，持續(xù)了多日不停。樓前花壇扭曲變形，平臺、踏步及散水坡均出現(xiàn)了較大裂縫。但地基經(jīng)強夯處理過的綜合樓卻安然無恙。

事故后沿北圍墻及加氯間進行了補充勘探，揭示的原地形情況見圖3。

2.2 裂縫原因分析

顯然，該工程裂縫主要是由于地基不均勻沉降所致，引發(fā)沉陷的原因分析如下:

(1)本工程背靠山坡，前臨水庫，座下是原來的沖溝。大雨后北面來的徑流受到圍墻的阻擋而潛入地下，地下的碎石土是疏松的，有些地方多半是碎石，含的粘土很少，經(jīng)潛流的山洪沖刷而流失，這是導致地基沉陷的主要原因。

(2)該填土層多為碎石雜填土，壓縮性高，強度低，壓縮系數(shù)a1-2=0.686MPa-1，標貫擊數(shù)N=1.6，加之暴雨后地面排水不暢，全部滲入地下。

(3)變電間西端坐落在一個大沖溝邊緣的填土上，加氯間東南角則位于一邊坡很陡的沖溝上，事故后探明此處的雜填土深達6.4m，所以，變電間西部和加氯間東南角上裂縫最為嚴重，這兩處水土流失也最嚴重。

(4)由圖3可見，綜合樓完全坐在一個大沖溝上，經(jīng)強夯后，成為沖溝中的束水構造，使綜合樓與變電間之間的地下水道變狹，流速加大，從而加劇了沖刷作用，加重了變電間西端的地基沉降。事實證明，裂縫的范圍比原來所見的需要換土處理的范圍要大，沉陷情況之嚴重也出乎一般的意料。

2.3 處理措施

根據(jù)以上分析，對事故的處理方法，除對裂縫處的地基與基礎進行常規(guī)的加固之外，治本的措施是防止?jié)摿鞯男纬?，改善地面排水，防止地表水下滲并在上游筑截流工程。做法是:

(1)沿北圍墻用“旋噴法”設一道混凝土帷幕墻進行截流，深度達雜填土下2.0m。

(2)出現(xiàn)基礎下沉和墻體裂縫部位也采用“旋噴法”加固地基，加固深度為達到雜填土下0.5m。

(3)做好地面排水，防止大量地表水滲入地下。

3 膨脹土引起的建筑物裂縫分析

3.1 工程及裂縫概況

五十年代建成的某醫(yī)院綜合大樓，總平面為T型，正面向北。整座建筑物為二層(局部三層)，磚混結構，木屋蓋，毛石條形基礎。該工程在安全使用了30年之后，于1988年冬天，突然在西翼發(fā)生嚴重裂縫，一時眾人大驚，一位化驗人員稱，他坐椅后的山墻裂縫嘎然有聲，并以其化驗人員特有的觀測力作證說，當時他眼看著裂縫在開展。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大樓西翼走廊南側的化驗辦公室橫墻上有豎向微斜的裂縫發(fā)生，縫長約2.0m，寬約10mm余，由下而上地開裂，頂端已有分叉。同屋的地面上距走廊墻約60cm處有一道通長的東西裂縫，縫兩側明顯向下傾斜。走廊中同樣有一條東西通長裂縫，縫兩側明顯向上傾斜，說明走廊南縱墻的根部已向南翻轉。二樓全部房間內(nèi)的板條抹灰天棚與走廊墻之間綻開了一條裂縫，從天棚上面觀察，該部的天棚樑子已從墻中拔脫約30mm。另外發(fā)現(xiàn)，天棚內(nèi)有兩道硬山擱檁的構造，三角形山墻的中央各有一個寬約60cm的過人孔，孔上的側砌平券已經(jīng)被拉斷，縫寬約20mm。山墻頂端從中間裂為南北兩半。裂縫情況見圖4。所有這些說明，大樓西翼的南半部已整體向南傾斜。

3.2 裂縫原因分析

在院子里巡查發(fā)現(xiàn)，沿外墻有一道窄窄的順水溝而沒有散水坡構造，土壤呈鉛灰色，十分蓬松，猶如春天化了凍的黑土地一般。進一步查訪得知，南邊不遠的院墻挨近一個水庫，逢此大旱之年，已經(jīng)完全干涸，四周的干砌毛石護坡望去如一片石漠。由此推測建筑物裂縫或許與天氣干旱有關，懷疑大樓西翼地下有膨脹土局部存在，裂縫由膨脹土干縮所致。后經(jīng)開挖證實，大樓西半部地基確有膨脹土存在，厚度約60cm，黑色，干縮裂縫極度發(fā)育。

3.3 小結

膨脹土具有濕脹干縮的特性，其性能受含水量影響很大。該工程建在水庫邊，地基內(nèi)的膨脹土長期浸泡在水里，突然遇到大旱，含水量猛減，其干縮特性得以發(fā)揮而致安全使用了30年的建筑物開裂。

4 化學污染引起的建筑物裂縫分析

4.1 工程及裂縫概況

某印染廠是個名副其實的“百年老店”。廠區(qū)200m×300m范圍內(nèi)的新房、老房、生產(chǎn)用房、生活用房皆有裂縫，尤其近30年來所建房屋可以說無一幸免，成為業(yè)內(nèi)周知的白浪河兩岸同類土層中的特異區(qū)。

74年建的鋸齒形印染車間，76年便發(fā)現(xiàn)西端墻上有了長長的、南低北高的斜裂縫。當時未找到裂縫原因，曾疑為場地的卓越周期較長，可能受到了寧河地震的影響。

83年建的整理車間，全框架結構，施工至主體封頂時，其兩層的附屬房便整體向西傾斜了5cm。同期建的發(fā)電車間也有了裂縫。

85年建成的單身宿舍樓，四層，剛開始啟用便發(fā)生了嚴重裂縫，臨街的北縱墻上均勻布滿了八字形裂縫(圖5)，從室內(nèi)看，已與橫墻脫節(jié)，但南墻上裂縫較輕。有關方面認為是把房子建在了雜填土上，而鉆探發(fā)現(xiàn)該土層內(nèi)有三合土筑成的百年古墳，說明不是回填土。對此土層的成因曾引起激烈爭論，但未注意到污染因素。

2002年，該地盤開發(fā)為商業(yè)步行街，施工中挖了一個深約4.0m，長120m的基坑?？幽习对菑S內(nèi)的一條小街道，寬約8.0m，其下有一條加蓋的排水溝?；娱_挖之后發(fā)現(xiàn)，排水溝漏水，污水由基坑南壁上的一個小孔流入坑內(nèi)。隨著漏水量的增加，沿著排水溝出現(xiàn)了一條沉陷帶，裂縫兩側地面之間的高差最大處達11.0cm。將排水溝滲漏問題排除后，一切安然無恙。

4.2 裂縫原因分析

該廠區(qū)坐落在白浪河畔，地基土層分布情況是，頂部2.0-4.0m為新近沉積粉土，其下為中粗砂。廠區(qū)內(nèi)的房屋裂縫原因多年來一直未形成一致意見。至2002年改建商業(yè)步行街，從開挖的深基坑內(nèi)，筆者發(fā)現(xiàn)，新近沉積粉土的顏色由灰色變成了暗綠色，顯然是受到了該廠廢棄堿液的污染，而被污染的粉土中的堿結晶，對水極其敏感，有時堿結晶會使地面鼓脹，遇水則劇烈沉降。據(jù)說該廠的老車間有一個堿池曾自己往上浮，其周圍的地面比原來高出許多，不得不進行了處理。該廠廢棄堿液對地下水的污染十分明顯，迄今廠區(qū)周圍抽上來的井水是綠色的。由此可判斷，該廠區(qū)內(nèi)大片出現(xiàn)的房屋裂縫是由化學污染所致。

5 結語

以上列舉了四個建筑物裂縫實例，涵蓋了地下水變遷、水土流失、膨脹土、化學污染等地基土含水量變化的各個方面。

參考文獻

[1] 王鐵夢.工程結構裂縫控制.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.