黃土丘陵區(qū)廢棄窯洞穩(wěn)定性及拆除技術(shù)研究

雷 光 宇

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

0 引言

由于城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，農(nóng)村人口老齡化程度不斷加大，越來越多的村莊變成了空心村，隨著時(shí)間的推移，這些空心村已經(jīng)完全被遺棄和荒廢，但是由于我國人多地少的矛盾依然相當(dāng)嚴(yán)重，需要對空心村進(jìn)行整治。在空心村整治過程中，尤其是在我國生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)，廢棄窯洞不僅占用了大量的潛在耕地資源，同時(shí)，也存在一些潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患，所以研究廢舊窯洞的拆除技術(shù)具有很大的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。

目前關(guān)于廢棄房屋拆除這方面，尤其是廢棄窯洞的拆除方面，國內(nèi)外研究比較少，大多的研究都是針對高層建筑的爆破拆除[1]，進(jìn)行放藥量以及放藥位置的研究[2]，僅有的一些建筑物拆除技術(shù)方面的研究，目前主要集中在高層鋼桁架、淺埋大跨度隧道、深基坑支護(hù)拆除等方面[3-5]，而關(guān)于農(nóng)村低層建筑以及窯洞的相關(guān)研究，對于窯洞的結(jié)構(gòu)受力分析、窯洞的變形分析、窯洞材料的研究、窯洞的地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)等都有所研究[6-10]，但是關(guān)于窯洞及農(nóng)村混磚房的拆除的研究，目前幾乎沒有。而關(guān)于窯洞拆除施工技術(shù)的研究更少，大多都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)由施工單位自行判斷。往往達(dá)不到最優(yōu)的工程措施。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)研究已經(jīng)變得愈發(fā)廣泛，也取得了一定的進(jìn)展。所以，本文從數(shù)值方法進(jìn)行入手，建立廢棄宅基地房屋的模型，對其進(jìn)行受力分析，較系統(tǒng)的給出了其相應(yīng)的拆除順序、拆除方式以及支護(hù)方法。

1 研究方法

空心村廢棄宅窯洞拆除技術(shù)主要應(yīng)用現(xiàn)場踏勘采樣，進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)參數(shù)獲取，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法模擬山地丘陵區(qū)常見的廢棄宅基地類型，通過大型商業(yè)分析軟件ANSYS，建立廢棄窯洞計(jì)算模型，應(yīng)用彈塑性本構(gòu)，分層分步驟對窯洞進(jìn)行拆除，分析窯洞拆除過程中各個(gè)部位的力學(xué)變化，給拆除技術(shù)提供理論支撐。

本文采用D-P模型，對于D-P模型，受壓時(shí)，其屈服強(qiáng)度大于受拉時(shí)的屈服強(qiáng)度。已知單軸受壓時(shí)材料的屈服應(yīng)力和單軸受拉時(shí)材料的屈服應(yīng)力，那么內(nèi)摩擦角和粘聚力可表示為：

(1)

(2)

式(1),式(2)中β和σY與受壓屈服應(yīng)力和受拉屈服應(yīng)力的關(guān)系為：

(3)

(4)

對于DP材料，其等效應(yīng)力的表達(dá)式為：

(5)

上面的屈服準(zhǔn)則是一種經(jīng)過修正的Mises屈服準(zhǔn)則，它考慮了靜水應(yīng)力分量的影響，靜水應(yīng)力(側(cè)限壓力)越高，則屈服強(qiáng)度越大。

材料常數(shù)β的表達(dá)式如式(6)所示：

(6)

屈服準(zhǔn)則的表達(dá)式如式(7)所示：

(7)

最終屈服準(zhǔn)則的表達(dá)式如式(8)所示：

(8)

對于DP材料，當(dāng)材料參數(shù)β,σY給定后，屈服面為一圓錐面，次圓錐面是六角形的摩爾—庫侖屈服面的外切錐面。

2 研究過程

2.1 模型的建立

根據(jù)對陜北的窯洞進(jìn)行實(shí)地考察，總結(jié)出大多數(shù)窯洞結(jié)構(gòu)尺寸為：窯腿寬3 m，窯口寬3 m，覆土厚度為1.5 m，拱矢高1.5 m，側(cè)墻高2 m，窯洞深度為6 m，并假設(shè)后面有2 m的土體。

建立相應(yīng)的模型，如圖1所示。

2.2 模型參數(shù)

采用英國GDS動三軸儀測定了窯洞土樣的力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。試驗(yàn)測得的參數(shù)如表1所示。

表1 黃土的力學(xué)參數(shù)

2.3 模型受力分析

通過對窯洞三維數(shù)值模型進(jìn)行受力分析，得到了窯洞不同部位的位移大小和應(yīng)力大小，見圖3～圖6。

通過對窯洞的水平向和垂向位移進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)窯洞在未受到外部荷載時(shí)，受到土體及窯洞本身自重的影響，其窯洞頂部垂直向位移最大；水平方向，窯洞之間位移變化比較明顯，且呈對稱分布，主要受洞壁側(cè)部土體側(cè)壓力影響，導(dǎo)致靠近左側(cè)的位移為正值，右側(cè)的位移為負(fù)值。窯洞結(jié)構(gòu)的豎向位移最大值發(fā)生在窯洞的拱頂位置；窯洞結(jié)構(gòu)的水平最大位移發(fā)生在窯洞的拱圈與側(cè)墻交接處；窯洞結(jié)構(gòu)的進(jìn)深方向最大位移發(fā)生在窯洞跨中與上地面交接處。窯洞在土體自重和側(cè)壓力值共同作用的情況下位移最大發(fā)生在窯洞的拱頂位置、窯洞的拱圈與側(cè)墻交接處和窯腿位置。

通過對窯洞應(yīng)力進(jìn)行分析，綜合對比窯洞整體、窯壁和窯腿的應(yīng)力大小，發(fā)現(xiàn)窯洞的最大應(yīng)力值，位于窯洞的最薄弱的部位，即窯腿處；進(jìn)一步可以得出，窯洞的跨度、窯腿的寬度和覆土的厚度是影響窯洞結(jié)構(gòu)的主要因素，所以，在窯洞拆除過程中，需首先對以上因素進(jìn)行綜合判斷和分析，然后再依次對窯洞各個(gè)部位進(jìn)行拆除。

3 研究結(jié)果

進(jìn)一步對窯洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其他一些結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都小于主要承受荷載的梁、柱的應(yīng)力，因?yàn)檫@些主要的結(jié)構(gòu)承受了窯洞結(jié)構(gòu)大部分的荷載，因此，如果首先拆除這些主要結(jié)構(gòu)，勢必會導(dǎo)致其他次承重結(jié)構(gòu)承受荷載能力不足而發(fā)生崩塌，因此，綜合分析得到，在窯洞拆除過程中，拆除施工順序應(yīng)當(dāng)遵循“先拆除簡單部位、危險(xiǎn)的部位和附件，然后拆除復(fù)雜部位、安全部位和主體結(jié)構(gòu)”。結(jié)合實(shí)際情況，對受力大的窯洞部分結(jié)構(gòu)以及危險(xiǎn)區(qū)域，可以采用機(jī)械拆除，而對于受力小的薄弱部位，可以人工進(jìn)行拆除。人工拆除過程中，應(yīng)從上至下，逐層分段拆除，嚴(yán)禁垂直交叉作業(yè)，在拆除窯洞壁體時(shí)，應(yīng)分段分截從上往下依次拆除，不建議使用直接推倒的辦法。窯洞由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在拆除過程中，由于荷載的突然變化，導(dǎo)致地應(yīng)力發(fā)生改變，極易發(fā)生滑塌等次生災(zāi)害，所以，在窯洞拆除過程中，應(yīng)采用機(jī)械方式進(jìn)行拆除，先沿窯洞周圍進(jìn)行從上往下依次開挖，以便釋放窯洞周圍土體的應(yīng)力。

4 結(jié)語

本文通過對廢棄窯洞進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到了窯洞不同結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)：

1)窯洞的最大應(yīng)力值，位于窯洞的最薄弱的部位，即窯腿處；影響窯體結(jié)構(gòu)的主要因素依次為窯洞的跨度、窯腿的寬度和覆土的厚度。

2)窯洞在拆除過程中，拆除施工順序應(yīng)當(dāng)遵循“先拆除簡單部位、危險(xiǎn)的部位和附件，然后拆除復(fù)雜部位、安全部位和主體結(jié)構(gòu)”。

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