河北隆堯跨地裂縫建筑物破壞特征分析

萬 陽，馬潤勇，王林清，常 江，王志浩，孫長明，尚合欣

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

華北平原地裂縫最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，目前已成為我國地裂縫災(zāi)害較為嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-2]，尤其是21世紀(jì)以來，伴隨人類工程活動以及地下資源開采利用程度的不斷加劇，加速了地裂縫的活動。隆堯地裂縫是華北平原發(fā)育規(guī)模較大的地裂縫之一，目前地表可見長度約35 km，穿越多個村莊，引發(fā)了嚴(yán)重的地裂縫災(zāi)害，不僅給當(dāng)?shù)卮迕裨斐闪撕艽蠼?jīng)濟(jì)損失、同時也給當(dāng)?shù)厝罕姷纳顜砭薮笥绊憽?/p>

據(jù)野外實(shí)際調(diào)查，地裂縫活動導(dǎo)致多個村民屋舍不同程度受災(zāi)，部分村民因房屋嚴(yán)重破損甚至坍塌而被迫搬離?？梢?，查明地裂縫對上覆構(gòu)建筑物破壞方式及規(guī)律，對工程建設(shè)中的災(zāi)害設(shè)防以及保障村民財產(chǎn)安全具有重要意義。為此，在結(jié)合野外調(diào)查基礎(chǔ)上，本文利用MSC marc軟件進(jìn)行有限元數(shù)值分析，探究地裂縫活動對上覆建構(gòu)筑物(墻體)的破壞方式及特征。

1 隆堯地裂縫發(fā)育分布特征

隆堯地裂縫屬于典型的構(gòu)造地裂縫，具有正斷拉張、左旋錯動特征[2]，平面上呈折線狀線性分布，并可以分為東、西兩段(圖1)。其中，西段長約20 km，總體近東西向展布，從周村延伸至西店子村，途經(jīng)周張莊、南小河、虎中村，在顯化寺附近也有裂縫顯現(xiàn)。

圖1 隆堯地裂縫分布圖Fig.1 Distribution of the ground fissure in Longyao

調(diào)查顯示(表1)，該段地裂縫對村民房屋破壞十分嚴(yán)重，其中南小河村房屋墻體開裂張拉寬度最大可達(dá)30 cm，水平走向位錯達(dá)8 cm，基礎(chǔ)的最大相對沉降量達(dá)40 cm。西店子村房屋墻體開裂水平走向錯距最大可達(dá)8 cm，張拉寬度達(dá)10 cm，通過對跨裂縫路面破壞方式及房屋墻體開裂方式可判斷該段地裂縫呈左旋正斷走滑運(yùn)動特征。

表1 地裂縫破壞統(tǒng)計表Table 1 Ground fissures damage statistics

東段長約15.3 km，近北東向展布，從東店馬村斷續(xù)延伸至毛兒寨，途經(jīng)開河村、任村、西清灣、舍落口村。從地裂縫的平面展布位置走向及幾何運(yùn)動特征來看，該地裂縫與其控制斷層內(nèi)丘-巨鹿斷裂具有很好的一致性[3-4]。

剖面上，據(jù)西店子探槽開挖結(jié)果(圖2)顯示，該地裂縫由一條主裂縫(f1)和次級裂縫(f2)構(gòu)成，次級裂縫位于主裂縫的下盤，二者近地表相距約3 m，延伸至探槽底部變?yōu)? m。剖面上呈“y”狀。其中f1近地表鉛直、曲折縱向延伸，填充物以雜填土、粉土為主，剖面呈上寬下窄狀，地表裂縫出露寬約30 cm，至探槽底部變窄為2 cm；f2少有填充，從地表至下傾角逐漸增大，最終斜交于f1。

圖2 西店子村西探槽(Tc1)Fig.2 Trench on the west side of Xidianzi

對比裂縫兩側(cè)土層位置及東西壁對應(yīng)土層的厚度可以看出，地裂縫具有正斷左旋的特征，其中主裂縫的最大垂直位移量達(dá)0.5 m，水平拉張寬度10 cm，走向滑動錯距達(dá)12 cm。裂縫的主體傾向?yàn)镹E175°，傾角為80°，與隆堯斷裂產(chǎn)狀基本一致。從探槽剖面可以看出地層錯動量隨著深度的增加而增大，且下盤地層厚度大于對應(yīng)上盤厚度，可見該裂縫具有同沉積斷層屬性，地裂縫活動與深部斷層活動特征一致并具有統(tǒng)一的構(gòu)造背景[5-6]。

2 跨地裂縫建筑物破壞形式及其力學(xué)機(jī)理

2.1 跨地裂縫建筑物破壞形式

調(diào)查結(jié)果表明，地裂縫活動導(dǎo)致5個村子282戶村民不同程度受災(zāi)。其中，周村南有一新建房屋因地裂縫穿過，致使墻面開裂而無法正常使用；周張莊村有部分居民因房屋損毀嚴(yán)重而被迫搬離(圖3)；南小河村受災(zāi)范圍最大，地裂縫活動導(dǎo)致民房嚴(yán)重?fù)p壞者達(dá)47戶。2017年3月，虎中村南產(chǎn)生一條新的次級裂縫，使3戶民房出現(xiàn)不同程度損壞。位于該裂縫中段的西店子小學(xué)教學(xué)樓發(fā)生整體地面沉降及墻體裂縫，村中路基沉降。

圖3 居民房屋破壞(鏡向北)Fig.3 Residential housing destruction (mirror N)

在地裂縫帶沿線，凡跨越地裂縫的建筑物墻體、硬化地面均發(fā)生不同程度的開裂與錯位，而地裂縫帶兩側(cè)的建筑物大多安然無損?？梢姡亓芽p帶上建筑物墻體的開裂絕大多數(shù)是由地裂縫活動而引起的。

地裂縫活動作用造成房屋建筑的主要災(zāi)害有：地基下沉、基礎(chǔ)斷裂、墻體開裂、地面傾斜、門窗變形等。地裂縫引起房屋建筑的變形破壞以張拉為主(圖4a、4b、4c)，伴隨著地裂縫走向滑動位移量的增加，也會造成房屋的扭轉(zhuǎn)和剪切破壞(圖4d)。其中建筑物軸線與地裂縫走向間的夾角可以定性反映地裂縫對建筑物的破壞程度。夾角越小，破壞程度和面積愈大；夾角越大，破壞程度和面積愈小，即建筑物受損程度和面積隨建筑物軸線與地裂縫走向夾角減小而顯著增大。

圖4 地裂縫活動引起上覆建筑物的破壞Fig.4 The destruction of the overlying building caused by the ground fissures activity

2.2 跨裂縫墻體破壞的力學(xué)機(jī)理及模式

關(guān)于地裂縫活動對上部建筑物的破壞，前人也做過大量研究，但大多數(shù)忽略了裂縫在走向上的位移量，只考慮了垂直位錯與水平拉張量[7-9]，因此并不能全面反應(yīng)建筑物墻體的變形破壞特征。隆堯地裂縫具有明顯的正斷左旋走滑特征，現(xiàn)結(jié)合上覆建筑物破壞形式，對跨裂縫墻體變形破壞的力學(xué)機(jī)理予以簡要分析。

從地裂縫與墻體位置及幾何變形特征關(guān)系來看，建筑物破壞與地裂縫三維活動密切相關(guān)[7]，即既有垂直差異沉降又有水平拉張破裂和走向上的扭動,具體表現(xiàn)為:沉降量>張開量>扭動量。地裂縫的垂直錯動、水平拉張和扭動，導(dǎo)致對應(yīng)位置上建筑物的地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)造成拉裂，剪斷等(圖4)。此外，當(dāng)?shù)亓芽p與建筑物相對位置不同時，也造成了其上覆結(jié)構(gòu)破壞方式的差異[8]。地裂縫小角度穿越房屋時，房屋主、側(cè)墻體均產(chǎn)生裂縫并貫穿整個墻角(圖3)，而當(dāng)?shù)亓芽p近垂直穿越房屋時，則以主墻的破裂為主。究其原因，主要是由于力學(xué)機(jī)理的不同所導(dǎo)致的。

從力學(xué)機(jī)理上來看，地裂縫垂直穿過基礎(chǔ)時，其三維運(yùn)動使得建筑物在垂直與水平方向上均產(chǎn)生附加應(yīng)力與彎矩(圖5a)。此外，當(dāng)?shù)亓芽p與建筑物有斜角時，還會產(chǎn)生額外的扭矩(圖5b)，建筑物抗剪強(qiáng)度較高，而抗拉強(qiáng)度較低，加之扭矩的作用，使得建筑物本身強(qiáng)度不足以抵抗水平拉張與扭動，加速了建筑物的破壞。同時，隨著地裂縫與建筑物間夾角的減小，Nx、Mx、My會逐漸增大，加劇建筑物破壞。因此，從力學(xué)角度來看，應(yīng)盡量避免建筑物與地裂縫小角度相交。

圖5 地裂縫垂直穿過建筑物破壞力學(xué)模式Fig.5 Ground fissures pass vertically through the structural failure mechanics

3 有限元數(shù)值模擬

以往對于跨地裂縫建筑物破壞方式及其特征分析，大都忽略了裂縫在走向上的扭動量，從而簡化成二維平面應(yīng)變問題研究，同時也沒有考慮房屋以不同角度跨地裂縫時，其破壞效應(yīng)的差別[10]。而地裂縫活動是三維的，盡管水平扭動量相較于垂直差異沉降與水平張開破裂影響較小，但從野外實(shí)際調(diào)查結(jié)果來看，其破壞效應(yīng)也不容小覷(圖4d)。故此，本文所建的三維建筑物破壞力學(xué)模式同時考慮了扭動(走滑)的影響。并在數(shù)值模擬時，裂縫的垂直位移量取50 cm，走向位移取8 cm。據(jù)探槽開挖顯示(圖2)：隆堯地裂縫屬于高角度正斷層，傾角在50°～85°，故本次計算取地裂縫傾角為75°。

3.1 模型尺寸

調(diào)查顯示，地裂縫發(fā)育地段舊的民居大多為磚木結(jié)構(gòu)，而新建房以磚混結(jié)構(gòu)為主。為了方便計算，本文采用建筑物筏板地基基礎(chǔ)中心跨正斷層，模型中地裂縫傾角為75°，地基基礎(chǔ)為平板式筏形基礎(chǔ)，房屋結(jié)構(gòu)為砌體結(jié)構(gòu)。模型的土層規(guī)模為20 m×10 m×5 m，從上至下依次為耕植土(雜填土)、粉質(zhì)黏土、粉砂、黏土(圖2)；基礎(chǔ)尺寸為8.6 m×4.6 m×0.4 m埋深0.5 m，房屋尺寸為8 m×4 m×3.2 m，斷裂穿越基礎(chǔ)中心，模型示意如圖6。

圖6 裂縫垂直穿過基礎(chǔ)Fig.6 Fissures vertically through the foundation

3.2 計算工況及參數(shù)選取

計算時設(shè)定斷層下盤固定，上盤的沉降位移通過速率進(jìn)行控制，其中垂直沉降速率為1 cm/step，走向滑動速率為0.16 cm/step。上盤下降的最大垂直位移量為50 cm，走向滑動位移為8 cm，因此計算時步長定為50step。為了更加清楚的反應(yīng)斷層對建筑物破壞的影響，可加大斷層的錯斷位移來計算，將計算結(jié)果每10step分為一個階段，最終劃分為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和50 cm五個階段來分別進(jìn)行計算與分析。

本文模擬地裂縫與墻體面間夾角α分別為30°，45°，60°，90°時穿越房屋。模擬中土體與筏板采用采用摩爾-庫倫塑性(Mohr-Coulomb)模型，而墻體的開裂采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則[9]，其本構(gòu)關(guān)系見圖7，臨界開裂應(yīng)力取材料的抗拉強(qiáng)度。參數(shù)取值分別見表2和表3。

表2 建筑物參數(shù)Table 2 Parameters of the building

表3 模型土體參數(shù)Table 3 Model parameters of soil

圖7 墻體材料本構(gòu)關(guān)系Fig.7 Constitutive relation of wall materialsE—彈性模量；Es—拉伸軟化模量；σcr—臨界開裂應(yīng)力。

3.3 計算結(jié)果及分析

圖8～圖11中分別給出了α為30°、45°、60°、90°時，房屋的最終塑性破壞圖(h表示垂直位移量，s表示水平位移量)。計算結(jié)果表明：

地裂縫穿越房屋基礎(chǔ)時，墻體的變形破壞開始于二者相交位置，并以斜裂縫的方式向上擴(kuò)展，其傾向與裂縫傾向相反。當(dāng)上盤沉降5 cm時，墻體開始出現(xiàn)塑性變形，這與單純的墻體(下沉2～3 mm時，墻體就會出現(xiàn)裂縫[9])有所差異，這是因?yàn)榻ㄖ锘A(chǔ)抵抗了部分地基下沉作用，降低了地基沉降的變形破壞效應(yīng)，同時存在著四周墻體的共同作用，使得這一變形大大降低了。

總體來看，當(dāng)?shù)亓芽p穿越房屋時，房屋的“前、后”墻體的破壞方式與破壞范圍有著明顯的不同。相比于前墻的變形破壞，后墻的表現(xiàn)出一定的滯后性。當(dāng)上盤沉降5 cm時，前墻開始出現(xiàn)塑性變形(圖12)，而當(dāng)沉降量達(dá)到8 cm時，后墻才顯現(xiàn)出塑性區(qū)(圖13)。而且隨著裂縫走向與房屋夾角的增大，這種滯后效應(yīng)逐漸減弱。

隨著地裂縫走向與房屋夾角的增大，墻體水平向的變形破壞范圍逐漸變小，而豎直方向上的范圍逐漸變大，越來越集中于二者相交位置，當(dāng)沉降量達(dá)到50 cm時，所有后墻的塑性區(qū)都延伸到了屋頂。

圖8 地裂縫以30°穿越房屋塑性應(yīng)變區(qū)Fig.8 The plastic strain zone of the ground fissure passing through the house at 30 degrees

圖9 地裂縫以45°穿越房屋塑性應(yīng)變區(qū)Fig.9 The plastic strain zone of the ground fissure passing through the house at 45 degrees

圖10 地裂縫以60°穿越房屋塑性應(yīng)變區(qū)Fig.10 The plastic strain zone of the ground fissure passing through the house at 60 degrees

圖11 地裂縫垂直穿越房屋塑性應(yīng)變區(qū)Fig.11 Plastic strain zone when ground fissures pass through houses vertically

圖12 前墻塑性區(qū)變化曲線圖Fig.12 Front wall plastic zone change curve

圖13 后墻塑性區(qū)變化曲線圖Fig.13 Rear wall plastic zone change curve

除了前后墻明顯的變形破壞以外，其左右側(cè)墻墻趾處也出現(xiàn)了相應(yīng)的塑性應(yīng)變區(qū)。這是由于地裂縫走向上的位移產(chǎn)生的彎矩與地裂縫斜向穿越房屋時產(chǎn)生的扭矩共同作用所致，其變形破裂滯后于主墻，而且隨著裂縫走向與房屋夾角的增大，側(cè)墻的塑性區(qū)逐漸減小，這與房屋破壞的力學(xué)機(jī)理上表現(xiàn)出一致性。

4 結(jié)論與討論

本文在野外實(shí)際調(diào)查的基礎(chǔ)上，以隆堯地裂縫造成建筑物變形破壞為例，采用Msc marc軟件建立三維模型，對地裂縫以不同角度穿越建筑物進(jìn)行數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

(1)地裂縫以不同角度穿越建筑物時，受其三維活動的影響，建筑物“前后”墻體的破壞方式與特征不同，具體表現(xiàn)為后墻的破壞范圍大于前墻，但其變形破壞滯后于前墻。

(2)地裂縫以不同角度穿越建筑物時，除了主墻變形破壞外，側(cè)墻墻趾處也會出現(xiàn)不同程度的塑性區(qū)且滯后于主墻，表現(xiàn)為隨著二者夾角的增大，側(cè)墻的變形破壞程度逐漸減小。

(3)隨著地裂縫與建筑物夾角的增大，墻體變形破壞越來越集中于二者相交位置。

對于地裂縫活動，最好的辦法是避讓，但鑒于隆堯縣的實(shí)際情況，在無法避讓的情況下，應(yīng)盡量避免建筑物與裂縫小角度相交，并且設(shè)置合適的基礎(chǔ)與建筑結(jié)構(gòu)(如筏板基礎(chǔ)與砌體結(jié)構(gòu))[10-11]，可以有效的降低地裂縫活動造成的破壞。