山西某村房屋開裂變形破壞原因及防治措施

陳書平 馬洪玉 張曉堃

(中國礦大巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司，江蘇徐州 221008)

0 引言

為了減少某村化工廠的含鉻污染物對(duì)環(huán)境造成的污染，根據(jù)市、縣環(huán)保局的意見對(duì)該村化工廠的含鉻污染物進(jìn)行永久填埋處理。自填埋坑開挖施工以來，周邊房屋出現(xiàn)不同程度的裂縫，影響村民的正常生活與生產(chǎn)，部分房屋開裂較嚴(yán)重，裂縫寬度較大的房屋有坍塌的可能，對(duì)住戶的生命安全構(gòu)成威脅，部分危險(xiǎn)房屋已經(jīng)進(jìn)行了拆遷，但是村中仍有較多的民房存在開裂變形。本文通過調(diào)查村莊周邊的地質(zhì)條件，深入分析了房屋開裂變形破壞的原因并提出了有效的防治措施。

1 房屋開裂變形概況

該村東北側(cè)為填埋坑，其面積約262畝，深約80 m，邊緣最近處離房屋僅有72 m;出現(xiàn)開裂房屋范圍的東側(cè)位于煤礦礦界內(nèi)，如圖1所示，該煤礦已于2000年以前關(guān)停，現(xiàn)今沒有礦井開采活動(dòng)。村莊周邊大型的工程活動(dòng)僅有其東北側(cè)的填埋工程。

圖1 山西某村開裂房屋的位置圖

除已搬遷房屋外該村共有196戶，其中1戶出現(xiàn)嚴(yán)重交叉裂縫、上下貫通裂縫以及墻體嚴(yán)重外鼓、歪斜現(xiàn)象;5戶房屋出現(xiàn)小于5 mm的水平錯(cuò)動(dòng)及門窗嚴(yán)重變形現(xiàn)象;34戶房屋的磚柱上出現(xiàn)水平裂縫及門窗略有歪斜現(xiàn)象;其余156戶房屋的磚墻上出現(xiàn)寬度1 mm～3 mm的裂縫或無明顯變形。

此外，較多民房屋內(nèi)或院中出現(xiàn)地表裂縫而造成水泥地面或地板瓷磚開裂，或門口臺(tái)階錯(cuò)斷;部分房屋院墻發(fā)生整體扭曲或歪斜，較為嚴(yán)重者歪斜幅度可達(dá)4 cm～5 cm;墻體歪斜導(dǎo)致院墻與院門門垛相接處開裂或門垛變形。

2 房屋開裂變形原因分析

2.1 填埋工程挖方施工的影響

根據(jù)走訪調(diào)查，該村房屋整體的開裂時(shí)間順序與填埋坑開挖回填時(shí)間順序相吻合，且開裂時(shí)間較為統(tǒng)一。在離邊坡較近的區(qū)域，裂縫寬度大且連貫性強(qiáng)，地面裂縫延展方向與邊坡臨空面走向方向一致(見圖1)，而距離邊坡較遠(yuǎn)的區(qū)域裂縫寬度相對(duì)較小且連貫性較差，裂縫分布較零亂，局部房屋內(nèi)雖具有與邊坡臨空面走向相同的地裂縫，但較為分散。以上現(xiàn)象說明地面裂縫與邊坡開挖較密切相關(guān)。

填埋工程在挖方削坡施工過程中，一方面挖方卸荷形成邊坡臨空面，隨著臨空面的形成，巖土體內(nèi)水平應(yīng)力被釋放，邊坡巖土體在水平方向?qū)a(chǎn)生相應(yīng)的卸荷變形，隨著臨空面暴露的時(shí)間延長，巖土體將產(chǎn)生向基坑方向的蠕變，隨著卸荷變形和蠕變，在邊坡頂部靠近臨空面區(qū)域極易出現(xiàn)拉張裂隙，尤其是軟弱巖土層邊坡，卸荷變形和蠕變量較大，拉張裂隙相應(yīng)較發(fā)育，這種拉張裂縫的走向基本與坡體臨空面走向相一致，與該村出現(xiàn)的裂縫特征吻合。另一方面，隨著填埋坑的開挖，引起地下水的滲漏，周邊地下水位下降，在某些特定的含水層區(qū)域，可引起含水層固結(jié)變形，從而導(dǎo)致地下水位降落范圍內(nèi)地表產(chǎn)生沉降變形，誘發(fā)地表和地面建筑開裂變形。

此外，該填埋工程部分區(qū)域地下曾有過老窯開采的歷史，該區(qū)域不但受到挖方削坡影響，而且坡體內(nèi)巖土體的水平應(yīng)力釋放可能引起老采空區(qū)“活化”，從而影響場地的穩(wěn)定性。

綜上分析可知，填埋工程開挖卸荷引起的水平應(yīng)力釋放及邊坡巖土體蠕變是該村房屋及地面發(fā)生開裂變形破壞的主要原因，但填埋工程完成后，其影響將徹底消除。

2.2 地下老采空區(qū)的影響

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［1］可知，陽泉地區(qū)開采深度在100 m～140 m內(nèi)，長壁開采引起地表總的移動(dòng)延續(xù)時(shí)間為145 d～220 d，考慮到該區(qū)為穿巷開采，地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間約為長壁開采引起地表移動(dòng)時(shí)間的40%～50%，即50 d～70 d后，由穿巷開采區(qū)域引起的地表移動(dòng)變形即已結(jié)束，之后地表即進(jìn)入緩慢的殘余變形期。

本區(qū)域的房屋開裂時(shí)間多集中在2009年左右，整體上不符合采動(dòng)影響的規(guī)律。根據(jù)搜集資料，現(xiàn)場勘查及地質(zhì)調(diào)查，對(duì)地表殘余變形值進(jìn)行定量計(jì)算，評(píng)價(jià)場地地表殘余移動(dòng)變形值為:下沉0 mm ～9.5 mm、東西向殘余傾斜 －0.01 mm/m ～0.045 mm/m，南北向殘余傾斜－0.035 mm/m～0.03 mm/m，東西向殘余水平變形 －0.01 mm/m ～0.01 mm/m，南北向殘余水平變形 －0.008 mm/m ～0.006 mm/m。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［1］判別老采空區(qū)產(chǎn)生的殘余變形量不會(huì)影響房屋的安全。

通過對(duì)裂縫分布、形態(tài)的分析發(fā)現(xiàn)，距填埋坑較近區(qū)域地面裂縫走向與老采空邊界走向相同，離采空區(qū)越遠(yuǎn)，裂縫延伸性越差，與采空區(qū)相關(guān)性較為明顯。距邊坡較遠(yuǎn)區(qū)域的老穿巷開采區(qū)房屋裂縫、地裂縫發(fā)育方向雜亂，無明顯規(guī)律性，與采煤沉陷相關(guān)性較差。這主要是由于受老采空區(qū)影響范圍內(nèi)離填埋坑較近區(qū)域發(fā)生“活化”可能性較大，離填埋坑較遠(yuǎn)區(qū)域發(fā)生“活化”的可能性較小。

因此，該村房屋發(fā)生開裂變形破壞均與采動(dòng)影響沒有明顯的相關(guān)性，可能與填埋挖方削坡工程造成的老采空區(qū)“活化”有一定的關(guān)系，與地下老采空區(qū)本身沒有關(guān)系。

2.3 地基土的影響

根據(jù)走訪調(diào)查，該村房屋的地基多以填土作為持力層且填土的分布范圍及厚度變化較大;其物質(zhì)組成以礦渣為主，摻雜有大小不一的磚塊、碎石、粘性土，致使填土性質(zhì)不均，易形成差異沉降。

同一房基下填土厚度及性質(zhì)不均會(huì)大大增加房屋的不均勻沉降，極易導(dǎo)致房屋出現(xiàn)開裂。另外，由于填土在縱向上的不均勻性致使其滲透性不均，當(dāng)?shù)叵滤畼?biāo)高低于填土標(biāo)高時(shí)，在填土內(nèi)經(jīng)常存在雞窩狀的上層滯水，進(jìn)一步加大了填土地基下沉的不均勻性。

綜上分析可知，村莊內(nèi)分片分布的厚度不均、性質(zhì)不同的填土是該村房屋發(fā)生開裂變形破壞的內(nèi)因。

2.4 水文地質(zhì)條件變化的影響

填埋坑施工后，該區(qū)地下水沿巖土層界面向礦坑內(nèi)排泄，改變了地下水的滲流方向，并致使地表水水位下降。

由于該區(qū)域內(nèi)地下水位流向、標(biāo)高的變化，使得土體性質(zhì)發(fā)生了相應(yīng)的改變，地下水位降低致使土體壓縮，含水層影響范圍內(nèi)的土層不均會(huì)使得土體壓縮呈現(xiàn)出不均勻性，從而引起其上部房屋的不均勻下沉導(dǎo)致房屋不同程度的損壞。

綜上分析可知，水文地質(zhì)條件的變化是加劇該村房屋發(fā)生開裂變形破壞的誘因。

2.5 房屋質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的影響

房屋質(zhì)量比較差也是該村部分房屋發(fā)生開裂變形破壞的主要影響因素之一。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該村同一區(qū)域小范圍內(nèi)，房屋開裂的程度有很大差別，現(xiàn)場可以明顯看出房屋質(zhì)量好的、結(jié)構(gòu)強(qiáng)的、新建的開裂程度均較輕，而一些質(zhì)量較差的、年久失修的房屋普遍開裂比較嚴(yán)重。

3 建筑物損壞等級(jí)分區(qū)及防治措施

3.1 建筑物損壞等級(jí)分區(qū)

由于該村建筑物位于礦區(qū)范圍，局部可能受采空區(qū)影響，因此本次工作主要參照煤炭部門的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即國家煤炭工業(yè)局頒布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［1］。根據(jù)該規(guī)程中的磚石結(jié)構(gòu)建筑物的破壞(保護(hù))等級(jí)劃分表對(duì)該村房屋破壞等級(jí)進(jìn)行分區(qū):該村整體損壞等級(jí)較輕，大多為Ⅰ級(jí)(156戶)，僅局部區(qū)域個(gè)別房屋損壞等級(jí)達(dá)Ⅱ級(jí)(34戶)、Ⅲ級(jí)(5戶)、Ⅳ級(jí)(1戶)。

3.2 防治措施

結(jié)合上述房屋開裂變形破壞原因，提出該村房屋開裂變形破壞的防治措施如下:

1)對(duì)于受損的已建磚混結(jié)構(gòu)建筑而言，按照其損壞的分類級(jí)別，分別采用不同的處理方式，對(duì)于Ⅰ級(jí)損壞(極輕微損壞或輕微損壞)可不修或小修;對(duì)于Ⅱ級(jí)損壞(輕度損壞)的建筑物進(jìn)行小修，一般采用墻皮鏟除掉，重新進(jìn)行粉刷或墻體內(nèi)貼網(wǎng)粉刷;對(duì)于Ⅲ級(jí)損壞(中度損壞)需進(jìn)行中度維修，一般采用雙面鋼筋網(wǎng)對(duì)墻體進(jìn)行錨固固定，然后進(jìn)行粉刷處理;對(duì)Ⅳ級(jí)損壞(嚴(yán)重?fù)p壞)應(yīng)進(jìn)行大修或拆除重建，一般是對(duì)無法進(jìn)行錨固固定的墻體進(jìn)行拆除重修，無法居住的拆除重建。

2)新建建筑選址應(yīng)遠(yuǎn)離填埋坑且選擇地基土質(zhì)較好區(qū)域。并針對(duì)相應(yīng)的情況采取相應(yīng)的工程措施，如建筑物的形式力求簡潔，以矩形為宜，限制建筑物的長度，過長的建筑物應(yīng)設(shè)置沉降縫。同時(shí)加強(qiáng)基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度，以減弱采空區(qū)及地基土引起不均勻沉降的影響，建筑物上部結(jié)構(gòu)的剛度應(yīng)與基礎(chǔ)的剛度相適應(yīng)。

3)建筑物基礎(chǔ)和建筑首層、二層結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算除考慮地基持力層的工程地質(zhì)條件外，還應(yīng)考慮老采空區(qū)“活化”引起的不均勻沉降。

4)建議對(duì)相對(duì)穩(wěn)定及穩(wěn)定性差的區(qū)域場地內(nèi)的建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測，設(shè)置長期沉降監(jiān)測目標(biāo)，定期進(jìn)行沉降監(jiān)測，監(jiān)控建筑物的使用安全。

5)當(dāng)填埋坑坡體側(cè)地表變形較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)回填，并做好監(jiān)測工作，謹(jǐn)防邊坡失穩(wěn)造成人員傷亡及房屋財(cái)產(chǎn)的損失。

4 結(jié)語

1)主要綜合分析了該村房屋出現(xiàn)開裂變形破壞的原因。填埋工程開挖卸荷引起的水平應(yīng)力釋放和邊坡巖土體蠕變是房屋以及地面發(fā)生開裂變形破壞的主要原因;村莊內(nèi)分片分布的厚度不均、性質(zhì)不同的填土是房屋發(fā)生開裂變形破壞的內(nèi)因;水文地質(zhì)條件的變化是房屋發(fā)生開裂變形破壞的誘因;房屋結(jié)構(gòu)本身抗變形能力較差和年久失修也是村莊內(nèi)房屋出現(xiàn)開裂變形破壞的主要原因之一;地下老采空區(qū)與該村房屋出現(xiàn)開裂變形破壞基本無關(guān)。

2)結(jié)合房屋開裂變形破壞的原因提出了防治措施。對(duì)于Ⅰ級(jí)損壞房屋可不修或小修，對(duì)于Ⅱ級(jí)損壞房屋進(jìn)行小修，對(duì)于Ⅲ級(jí)損壞房屋需進(jìn)行中度維修，對(duì)Ⅳ級(jí)損壞房屋進(jìn)行大修或拆除重建;新建建筑選址應(yīng)遠(yuǎn)離填埋坑且選擇地基土質(zhì)較好區(qū)域;建筑物基礎(chǔ)應(yīng)考慮老采空區(qū)“活化”引起的不均勻沉降;對(duì)相對(duì)穩(wěn)定及穩(wěn)定性差的區(qū)域場地內(nèi)的建筑物應(yīng)進(jìn)行變形監(jiān)測，監(jiān)控建筑物的使用安全;填埋坑坡體側(cè)地表變形較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)回填并做好監(jiān)測工作。

［1］國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

［2］GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.