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1、黄土地区建筑物墙体开裂变形成因初探 陈书平 高盛翔 朱元武 徐州中国矿大岩土工程新技术发展有限公司 摘 要： 山西省王家岭煤矿碟子沟综合服务楼自建成投入使用后, 墙体出现了不同程度的裂缝, 对建筑物的正常使用造成了严重影响。通过分析建筑物墙体出现的裂缝特征, 并结合建筑场地工程及水文地质勘察、监测等结果, 得出地下水环境发生变化导致的填土压缩、黄土湿陷是房屋开裂变形的主要原因, 提出了相应的加固治理措施。关键词： 西北黄土地区; 墙体裂缝; 湿陷性; 填土; 成因分析; 作者简介：陈书平 (1985-) , 男, 工程师, 毕业于中国矿业大学, 主要从事地质工程及岩土工程研究工作。收稿日期：2
2、017-09-19Received： 2017-09-191 概况随着我国西部大开发战略的全面实施, 在西北黄土地区进行工程项目建设亦然成为趋势1。然而由于黄土自身的湿陷性和非饱和特性, 湿陷性黄土地基变形会给地面建筑物或地下构筑物带来不同程度的影响, 严重者会造成建筑物不均匀沉降、开裂甚至倒塌等1-3。山西省王家岭煤矿碟子沟综合服务楼位于山西省乡宁矿区的西南部, 地处吕梁山脉南麓, 地形复杂, 沟壑纵横, 属强烈侵蚀的土石中山区。综合服务楼共 3层, 平面布置呈 L 型。综合服务楼自建成投入使用后, 1 层西南侧墙体出现轻微裂缝, 随着时间的推移, 综合服务楼 2、3 层西南侧墙体也出现了同
3、样的裂缝, 影响了建筑物的正常使用, 存在一定的安全隐患。通过采用对裂缝调查测绘、岩土工程勘察、地下水位监测等多种手段, 对墙体开裂变形的机理进行分析, 并根据分析结果提出了加固治理方案。2 房屋裂缝特征综合服务楼总高度 12.35 m, 主体采用框架结构, 楼体设置东西向伸缩缝, 基础形式为桩基。2.1 楼体内部裂缝特征本次裂缝调查对碟子沟综合服务楼的 43 个房间、食堂、澡堂、走廊、楼体进行了详细的调查、测绘, 各裂缝的开裂形式主要可以归纳为以下几种形式:(1) 横向水平裂缝。主要表现形式为沿梁底水平延伸, 延伸长度较长, 裂缝宽度较小, 通常小于 1 mm, 未见贯通裂缝, 横向水平裂缝
4、分布较少, 多出现在内横墙上。基本形态如图 1 (a) 所示。(2) 竖向裂缝。多出现在房屋内纵墙、外纵墙的窗角、门侧处, 长度较短且裂缝宽度多小于 1 mm。其中, 在内横墙出现的竖向裂缝延伸较长, 但分布数量较少, 如图 1 (b) 所示。图 1 综合服务楼裂隙 下载原图(3) 斜向裂缝。本次调查中斜向裂缝所占比例较大, 多出现在内、外纵墙的窗角、门角处, 其中在伸缩缝的西南侧最为明显, 且楼体内 13 楼的斜裂缝特征均相似, 倾角基本一致。2.2 楼体不均匀沉降特征分析通过本次裂缝调查测绘发现, 该楼体裂缝开裂程度整体较轻微, 裂缝宽度大部分小于 1 mm, 且从 13 层裂缝开裂程度有
5、逐渐减小的趋势, 裂缝开裂程度大的区域集中在楼体西南侧以及南北侧楼体伸缩缝相邻区域, 如图 2 所示。图 2 中黑色标识区域为裂隙开裂程度较大的区域, 裂缝多为斜向裂缝、延伸长度较长。该楼体外围与楼体结构均出现不同程度的下沉。从图 2 中可以看出, 综合服务办公楼最大下沉位于楼的西侧, 在西南侧、西北侧分别达到最大, 最大值达8.6 cm。图 2 综合服务楼下沉等值线 下载原图3 场地工程地质水文地质条件3.1 场地工程地质条件场地地层结构较为简单, 钻孔揭露深度范围内从上至下土层为以下 4 层。(1) 填土。分布厚度不均, 整体呈东侧薄、西侧厚, 南北向回填厚度较为均匀的特征。根据回填土性质
6、分为素填土、杂填土, 其中素填土主要分布于办公楼东侧区域, 由东向西逐渐尖灭, 杂填土主分布于办公楼西侧, 越向西侧回填厚度越大。杂填土多以泥岩、砂岩块为主, 粒径不均, 块体间填充物较少;素填土以粉质粘土为主, 土质松散, 力学性质较差, 该层为新近填土, 压缩模量在 6 MPa 左右, 压缩性大, 力学性质较差。(2) 黄土状土。该层为滑坡堆积土, 场地内普遍分布。根据 2009 该地区的岩土工程勘察报告可知4, 2009 年初勘期间, 探井揭露楼体下的土体存在大量裂缝, 在钻探过程中, 钻孔漏浆非常严重, 土体完整性差, 空洞发育, 土质结构疏松, 含水率低, 该土层具有较高的湿陷性。根
7、据本次勘察及水位监测结果, 该层位于地下水位以下, 含水量较高, 呈饱和状态。对该层所取试样进行湿陷性试验, 该层湿陷系数为 0.001 左右, 已不具湿陷性。(3) 黄土及古土壤层。在 2009 年初勘期间, 无地下水, 所揭露土层结构完整, 多呈硬塑状态, 中低压缩性, 具湿陷性。在本次勘察及水位监测过程中, 该层位于地下水位以下, 含水量较高, 多呈饱和状态。对该层所取试样进行湿陷性试验表明, 该层已不具湿陷性。(4) 基岩。强风化岩石, 岩性多为泥岩。3.2 场地水文地质条件场地范围内无常流地表水, 对比现场勘察情况和已有地质资料可知, 该综合楼所在区域地下水位在工业广场建成前后变化较
8、大。据 2009 年对碟子沟工业广场的勘察资料可知, 在勘察期间, 勘探孔所揭露深度范围内未见地下水, 大部分勘探孔所揭露深度已达基岩面。本次勘察所揭露地下水位较浅, 水位 813 m, 勘察区域地下土质以粉土、粉质粘土为主, 均为含水层。2016 年 27 月在办公楼周边布置 Z1、S1、S2、S3 共 4 个钻孔监测的地下水位的变化情况, 4 个检测孔布置如图 3 所示, 综合服务楼附近地下水位变化如图 4 所示。图 4 中所列数据为相对于标高 853.65 m 的水位埋深。从图 4 中可以看出, 监测期间水位有一定的变化, 地下水位最小埋深为 9.51 m, 最大埋深为 13.24 m,
9、 水位变化幅度高达 1.5 m。可以看出地下水整体呈南侧浅、北侧深, 由南向北的流动趋势。图 3 综合服务楼地下水位监测孔分布 下载原图图 4 综合服务楼附近地下水位变化 下载原图4 建筑物墙体开裂原因分析4.1 填土固结评价区域内的填土堆填时间为 20092011 年, 属新近堆积的土, 按其成分不同分为素填土和杂填土。其中, 勘探孔内所揭露的素填土土质较为均匀;杂填成分较为复杂, 局部与素填相混杂, 具有不均匀性、湿陷性、自重压密性及较大的压缩性。根据现场调查, 评价区域周边的堆填土为未经压实的填土。其范围、厚度缺乏规律性, 在服务楼地基下变化极大, 填土组成物质的复杂多样性, 使得填土中
10、孔隙大并且渗透性不均。因此, 地下水位以上的填土中经常存在有鸡窝状的上层滞水, 土质、厚度的不均性以及地下水的变化均会引起土层的不均匀变形。当填土上部或侧向建筑物向其施加荷载、造成填土的下沉变形量大于建构筑物允许的下沉量时, 填土与建构筑的交界面会产生作用于建构筑物向下的下拉荷载5。且对于具有深厚的新近填土层, 由于其自重固结引起其上部的建构筑的下拉荷载是不容忽视的。4.2 黄土湿陷根据 2009 年的勘察资料, 评价场地为自重湿陷性场地, 湿陷等级为中等-严重, 土层在上覆土自重压力下受水浸湿, 会发生显著的附加下沉, 从而引起地基土变形。据现场勘察资料可知, 湿陷性黄土在整个区域内均有分布
11、, 最大厚度可达 10.2 m, 目前已不具湿陷性。对比 2009 年与本次勘察结果可知, 稳定分布于综合服务楼下部的自重湿陷性黄土随着地下水位的改变已发生了湿陷, 目前已不具湿陷性, 而厚度不均的湿陷土层必然会引起基桩及承台的不均匀变形6, 从而导致其上部结构变形开裂。因此, 综合服务楼下的黄土湿陷是引起综合服务楼楼体开裂的主要因素之一。4.3 房屋开裂原因综合分析通过本次勘察和已有资料分析, 楼体裂缝主要是由于地下水位上升导致黄土湿陷、填土固结, 从而引起楼体下基桩的不均匀变形, 由于基桩在设计施工时未考虑到地下水的变化而采取相应的防护措施, 使得桩基在较大的下拉荷载下产生了不均匀变形,
12、从而使楼体发生开裂变形。楼体变形程度与回填土、湿陷性黄土的分布有关, 即回填土、湿陷性黄土的分布较厚区域是楼体变形较大区域。回填土、湿陷性黄土厚度变化越大, 楼体地基的不均匀变形特征就越明显。5 治理方案建议根据以上分析认为, 楼体裂缝是由于桩侧回填土、湿陷性黄土作用于基桩上不均匀的下拉荷载引起基桩不均匀变形所导致。针对楼体变形特征及地基土特点, 提出以下 2 种处理方案:(1) 注浆治理方案。主要是采用灌注水泥浆的方法对回填土及水位以上湿陷性黄土间的孔隙进行充填, 以改善填土的高压缩性、湿陷性等物理力学性质, 减小填土的固结变形量, 从而减小、消除填土作用于桩基的作用力, 以减缓、减小楼体的
13、不均匀变形量。(2) 微型钢管灌注桩加固方案。主要是针对变形量较大的桩基承台增设微型钢管桩对原有桩体进行加固, 以达到减小承台继续变形的目的。6 结论(1) 综合服务楼的房屋裂缝主要为较长的且倾角一致的斜向裂缝, 该楼基础局部发生了不均匀的沉降变形, 表现为南北向主体整体向西侧倾斜。(2) 工业广场的建设, 改变了该楼的地下水环境。地下水位的变化, 不但引起自重湿陷性黄土的湿陷下沉, 同时还加速填土的固结, 而综合服务楼地基土的不均匀性, 更加加剧了湿陷下沉和固结沉降的不均, 最终导致该楼基础变形破坏。(3) 针对楼体的变形特征及地基土特点, 提出了注浆加固和微型钢管灌注桩加固的 2 种处理方
14、案。参考文献1刘祖典.黄土力学与工程M.西安:陕西科学技术出版社, 1997. 2钱鸿缙, 王继唐, 罗宇生, 等.湿陷性黄土地基M.北京:中国建筑工业出版社, 1985. 3谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向J.岩土工程学报, 2001, 23 (1) :3-13. 4中煤西安设计工程有限公司.华晋焦煤王家岭矿井碟子沟风井工业场地岩土工程勘察报告R.2009. 5中华人民共和国行业标准编写组.湿陷性黄土地区建筑规范:GB 50025-2004S.北京:中国建筑工业出版社, 2004. 6赵景波, 岳应利, 陈云.黄土湿陷性及其成因J.地质力学学报, 1997, 3 (4) :62-68.
