生土窯居裂縫成因及治理措施探析

韓永強 ，王 鵬 ，李嘉俊 ，楊 劍

(1.西安工業(yè)大學 建筑工程學院，陜西 西安 710021；2.陜西省建筑科學研究院，陜西 西安 710082;3.中鐵城建集團北京工程有限公司，北京 100024)

生土窯居裂縫成因及治理措施探析

韓永強1，王 鵬1，李嘉俊2，楊 劍3

(1.西安工業(yè)大學 建筑工程學院，陜西 西安 710021；2.陜西省建筑科學研究院，陜西 西安 710082;3.中鐵城建集團北京工程有限公司，北京 100024)

生土窯居作為黃土地區(qū)使用廣泛的民居形式之一，承載著獨具特色的居住文化。介紹了幾種常見的窯居類型，從生土窯居的裂縫病害入手，根據裂縫發(fā)育的形態(tài)特征和出現的部位，將裂縫歸結為5種形式，并對各類裂縫的成因進行分析，提出比較可靠且簡單易行的治理措施，為這一獨特的民居建筑形式的保護提供思路。

生土窯居；裂縫；土坯；治理

1 生土窯居的特點

生土窯洞作為黃土地區(qū)極具代表性的民居形式，經過數千年的發(fā)展和演化，在該地區(qū)有著廣泛的適用性，在當地人民的生產生活中發(fā)揮了重要的作用。生土窯居之所以能存在和發(fā)展，與黃河流域的自然地理環(huán)境、地質地貌、氣候條件、經濟資源等有著十分密切的關系。

生土窯居是先民們因地制宜改造自然的產物，作為居住建筑的一種形式，它充分利用了黃土的垂直節(jié)理、建造成本低、隔音擋風效果好、冬暖夏涼、節(jié)能環(huán)保等特點，使建筑材料和建筑形式得到良性循環(huán)，符合當前追求的生態(tài)建筑和綠色建筑的人居理念，對探索節(jié)能建筑的發(fā)展有著特殊的意義。由于固有的地域局限，生土窯居也存在一些缺點，如室內空氣流通差、光線較暗、雨季潮濕等，尤其是裂縫的發(fā)展常威脅著窯洞的安全，為保障住戶的生命財產安全，有必要對裂縫成因和治理措施進行深入研究和探討。

2 生土窯居的類型和構造

實際的生產生活中，勞動人民根據自然環(huán)境、地形地貌特征和地方風土的不同，發(fā)展了靠崖式、下沉式和獨立式三大類窯洞類型[1]?？垦率礁G洞是依山傍崖、沿溝挖洞成窯，其頂部覆土深厚，窯頂大多為陡坡山地，此類窯洞的壽命一般較長，如圖1(a)所示。下沉式窯洞在黃土塬區(qū)比較常見，在塬區(qū)山坡和崖壁起伏較小，就挖地成坑，形成具有獨特風格的地下窯院，頂部覆土厚度一般為3 m～4 m，豫西陜州南部的塬區(qū)上保存著目前最完整的地坑院村落，如圖1(b)所示。獨立式窯洞一般是土基石拱或土基磚拱。它在有石材的地方多見，其耐久性好，堅固美觀，造價也相應較高，窯洞的覆土一般在1.5m左右，如圖1(c)所示。

生土窯居的結構是自撐式土拱結構體系[2]，入口處多用磚或土坯進行支護，其幾何尺寸、受力性能、構成方式蘊涵著豐富的建造經驗和智慧。組成生土窯居土拱體系的主要結構參數有:窯室跨度(拱跨)、窯洞口高度、側墻高度、拱矢、覆土厚度、窯腿寬度等。

圖1 窯洞類型及構造

3 生土窯居裂縫的形態(tài)及成因

3.1 生土窯居裂縫的形態(tài)

窯洞在營建和使用過程中，往往會出現各類原生和次生裂縫，如果任由裂縫發(fā)展，會給窯洞造成很大的安全隱患，嚴重時可能導致窯洞的整體坍塌。年久失修且存在裂縫的生土窯居常表現出不同的破壞形式和形態(tài)特征，總結各類裂縫的發(fā)育形態(tài)和表現特征，對裂縫的成因進行分析，針對性地提出防治措施，為后期裂縫的控制和治理提供依據。

生土窯居的裂縫發(fā)育形態(tài)各異，窯室內部及崖面所表現出來的裂縫大小也有所不同，其分布位置比較有代表性，主要分布在窯室內拱尖縱深線及兩邊側壁，崖面則位于窯腿及洞口上部土體，通常裂縫發(fā)育形態(tài)比較平直且方向性較強。在窯室內部，拱尖軸線方向的裂縫較常見，它是一條沿拱尖走向貫穿窯室進深的平直裂縫，有一定的方向；其次，在距洞口一定范圍內有平行于崖面的橫向裂縫，其形態(tài)一般是繞著拱圈的方向呈圓弧狀分布，有著明顯的方向性[1]。

3.2 生土窯居裂縫的成因分析

在對豫西幾個生土窯居村落進行實地走訪調查后，根據窯室裂縫走向、發(fā)育狀態(tài)，可將生土窯居的裂縫分為:縱向、橫向、豎向、縱橫交叉、拱圈錯位等5種裂縫形式，根據這5種裂縫發(fā)育形式把生土窯居產生裂縫的原因歸結如下。

3.2.1 縱向裂縫

縱向裂縫是指在窯室內垂直于崖面且沿拱尖軸線方向生長的裂縫，主要發(fā)生在拱尖附近區(qū)域，如圖2(a)所示。產生縱向裂縫的原因主要是:窯室內季節(jié)性冷暖干濕變化產生的溫度裂縫；其次因窯室開挖截面不均勻，窯拱兩側受力異常，致使拱尖受拉而產生裂縫。此類裂縫一般沿拱尖貫穿窯室整個進深，窯拱上方土體在自重作用下互相擠壓，故裂縫發(fā)育的有限。

3.2.2 橫向裂縫

橫向裂縫是窯室內平行于崖面方向沿拱圈截面發(fā)展的裂縫，多分布與窯室前端一定范圍內，如圖2(b)所示。該裂縫是崖面土體在常年干濕循環(huán)作用下，裂縫貫穿在窯室內的表現，另一方面因黃土垂直節(jié)理發(fā)育顯著，崖壁內部土體對外側土體的側壓力作用造成的[5]。此裂縫一般貫穿整個窯跨，在調研中發(fā)現，此類裂縫若不加以控制，極易發(fā)生崖面滑塌的危險。

3.2.3 豎向裂縫

豎向裂縫多呈豎向散布于拱間土體及上部覆土表面，如圖2(c)所示。該裂縫的形成與崖面土體干縮及干濕變化有關，崖面長時間與水分和空氣充分接觸，表面極易風干，干濕交替作用下，表層土不斷掉落，表面裂縫在侵蝕后逐漸加深并發(fā)展。

3.2.4 縱橫交叉裂縫

在窯室內縱橫向裂縫交接處的土體受力較脆弱，形成縱橫交叉裂縫，該區(qū)域的土體極其不穩(wěn)定，隨著時間的推移，十字交叉的裂縫會逐漸貫通，裂縫寬度會不斷變大，容易造成土體破碎，產生冒頂現象，破壞窯洞的窯體結構，因此其是縱橫向裂縫成因的綜合，如圖2(d)所示。

3.2.5 拱圈錯位裂縫

拱圈錯位裂縫是窯拱兩側斜向發(fā)展的裂縫，是拱頂變形下沉的預兆，受內部土體相互作用，縫寬不會過大。拱圈錯位裂縫是由于開挖窯洞使原有土體產生卸荷作用，兩拱肩上受力不一致而引發(fā)，其危害較大，裂縫的進一步發(fā)展將導致窯洞上方的土體垂直下落，致使窯洞坍塌，此外崖面的干縮也是其形成的誘因，如圖2(e)所示。

圖2 裂縫位置圖

4 生土窯居裂縫的治理

生土窯居在常年的干濕循環(huán)作用下，產生的裂縫易與外部貫通，自然狀態(tài)下窯拱的傳力體系被打破，裂縫的進一步發(fā)展極易引起窯室結構性損傷，危及窯室整體安全。在對窯室裂縫進行處理時，不僅要關注其使用功能的恢復，更要關注其整體穩(wěn)定性，同時治理措施應簡便易行，盡量不對洞室周圍的土體產生擾動和破壞，這是治理生土窯居裂縫的關鍵問題之一。其次應最大限度地就地取材，使之融入原有的結構中，保持生土窯居原有的風貌[3-4]。以下為實用的生土窯居裂縫治理方法，為類似的問題提供技術參考。

4.1 土坯錮窯

窯居崖壁土體易受雨水侵蝕，若不及時維護，表面裂縫會向其縱深發(fā)展，使覆土內部產生較大的位移變形，逐漸發(fā)展成貫通的橫向裂縫。土坯錮窯是治理橫向裂縫的有效方法，將裂縫以外的松動土體切掉，用預制的楔形土坯重新砌筑窯拱加固前臉，保證崖面土體的穩(wěn)定性。土坯具有一定的強度，利用拱的良好受力機理，通過改善入口處窯拱的受力結構，使上部土體荷載能夠均勻地分散傳遞至地基。

4.2 拱圈裂縫的治理

生土窯居的結構形式是自支撐土拱結構體系，拱圈錯位裂縫形成后，其兩側的土體無法正常的傳力，窯拱由于此裂縫的存在無法正常工作而失效，此時裂縫至窯脊間的土體會產生下沉而坍塌[7]。生土窯居拱圈錯位裂縫的治理方法是:利用楔形土坯和秸稈原料，利用拱的傳力原理，去除裂縫兩側的部分土體，然后填充土坯來使窯拱的傳力連續(xù)，使原來由于裂縫的存在而傳力失效的窯拱能夠重新工作。具體做法是，先將開裂的土體剔除，用楔形土坯砌筑拱圈，這樣不僅可以很好地傳遞上部土體的壓力，還可以減輕干縮和溫度應力的影響。

4.3 窯居的局部治理

生土窯居頂部常生長有部分根系發(fā)達的植物，如不注意清理，雨水過后，植物汲取雨水使土體由于含水量增加而喪失強度，長年累月作用下，窯室內土體易發(fā)生局部坍塌破壞。

窯室內的局部治理方法是采用縱橫向組合的桿件對窯拱進行有效的支撐，使窯拱上方部分土體重力，通過橫豎支撐傳遞至窯腿上，橫向支撐兩端應嵌牢，防止失穩(wěn)破壞，如圖3(a)所示。

窯腿的底部由于緊接窯院的地面，受地表水分遷移及雨水滲透影響，極易受到破壞，在調查中發(fā)現，沒有經過處理的窯腿，幾乎都遭到了不同程度的破壞。窯腿作為窯室傳力體系的重要組成，應及時做好防護措施，使其免受侵蝕，確保上部荷載能夠有效傳遞，如圖3(b)所示。窯腿部分的治理是采用置換的方法去保護，在窯腿底部一定范圍掏去部分土體，通常是50 cm～80 cm高，寬度為一磚厚，開槽不能過大，以免破壞了受力敏感的窯腿而導致其破壞，開槽后用磚把所開的槽填實，所砌的磚與其上的土體能夠緊密的接觸，從而使其能夠充分承擔上部的荷載，如圖3(c)所示。

圖3 局部治理措施

4.4 窯居結構的主動治理技術

除了上述的各種傳統(tǒng)的治理方法，現今的窯居治理技術結合了隧道超前加固理念，采用主動的預防措施代替?zhèn)鹘y(tǒng)的被動補救，使災害防患于未然。目前常用的主動治理技術有:錨固系統(tǒng)、復合土釘結構和混凝土格梁等方案，其中預應力錨桿柔性支護[6]作為一種先進技術已被應用于生土窯居的建造中，并且得到了很好的效果。這種加固方法根據裂縫的發(fā)展形態(tài)，通過錨桿承載作用改善塑性區(qū)內土體結構應力的分布，減少土拱的荷載效應和應力集中，窯室內面層增設鋼筋網片襯砌，控制塑性區(qū)的進一步發(fā)展，從而使整個系統(tǒng)渾然一體，該加固系統(tǒng)能充分發(fā)揮加固土體與支護系統(tǒng)的相互作用[8]，保證窯居的穩(wěn)定性和安全性，延長窯居的使用年限。

5 結 語

本文通過實地調查，總結了生土窯居裂縫的特征和類型，并通過分析裂縫的成因機理，生土窯居裂縫治理和災害防治的措施。為延長窯居的使用壽命，傳承和保護生土窯居獨特的建筑文化提供一些有價值的探索和思考。對研究生土建筑有一定的現實意義，有利于這一古老的傳統(tǒng)民居建筑形式的保護和推廣，但對生土窯居病害發(fā)生機理的理論分析需要進一步加強。

[1] 張延年，張瑞琴，馬建飛．生土窯洞現場調查研究[J]．建筑技術，2015，46(5)：424-428.

[2] 童麗萍，韓翠萍．傳統(tǒng)生土窯洞的土拱結構體系[J]．施工技術，2008，37(6)：113-115+118.

[3] 陳莉粉．黃土地區(qū)窯洞建筑中結構穩(wěn)定性的研究[D]．西安：西安科技大學，2012：28-29.

[4] 楊亞楠．生土住宅質量通病及預控措施研究[D]．鄭州：鄭州大學，2012：34-43.

[5] 孟龍，倪萬魁，唐麗莎,等．節(jié)理對黃土窯洞災害的影響性研究[J]．工程地質學報，2012，20(S1):102-107.

[6] 姬棟宇．新型加固措施在生土窯洞中的應用[J]．中國建設教育，2012，3(3)：82-84.

[7] 包繼宏．土坯墻承重民居加固修復技術與抗震試驗研究[D]．西安：西安建筑科技大學，2015：13-18.

[8] 柯垚垚，孫拴虎．窯洞民居形式及加固措施研究[J]．山西建筑，2015,41(35)：3-4.

Analysis on Crack Causes of Cave Dwelling and Its Control Measures

HAN Yongqiang1， WANG Peng1， LI Jiajun2， YANG Jian3

(1.Xi′an Technological University, Xi′an 710021，China；2.Shaanxi Institute of Building Research, Xi′an 710082，China；3.Beijing Engineering Company Limited of China Railway Urban Construction Group, Beijing 100024，China)

Earth-sheltered Dwelling house is one form of the residential which is widely used in loess region, so it is an important carrier of the regional living culture. Several kinds of common type of cave are introduced in the paper. After summarizing Earth-sheltered Dwelling′s advantages and shortages, it is concluded that crack is the biggest threat. According to the appearance features of the crack and the emergence of the site, it will be classified as five forms. After analyzing the causes of various types of cracks, more reliable and simple control measures are put forward. Some suggestions are provided for the protection of this unique residential building form.

earth-sheltered Dwelling; crack; adobe brick; control

2016-12-01

韓永強(1962-) ，男，陜西涇陽人，碩士，教授，主要從事巖土工程和災害治理方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.01.011

TU36

A

1674-5403(2017)01-0038-04