侯建斌

(山西冶金巖土工程勘察有限公司,太原 030002)

山西是煤炭資源大省,煤炭資源開采為國家經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn),但同時(shí),大量開采煤炭所形成的開采沉陷區(qū)也對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)、農(nóng)業(yè)以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面造成了一定的危害[1]。地表建筑物開裂是開采沉陷區(qū)造成的重要危害之一。本文以晉南某開采沉陷區(qū)房屋裂縫為例,對其房屋裂縫的特征及成因進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)條件背景

1)地形地貌。房屋建設(shè)用地為黃土丘陵溝壑區(qū)“高挖低填”整平后的場地。原地貌類型包括黃土梁、峁及溝谷,建設(shè)用地所在黃土梁呈北西-南東向展布的長條形黃土峁梁,較平緩,溝谷發(fā)育,地表切割劇烈,地形較為破碎。但由于建設(shè)用地區(qū)域位于溝谷上游近分水嶺處,溝谷切割深度較小,崩塌、滑坡不發(fā)育。圖1為調(diào)查區(qū)地形地貌變遷影像。

圖1 調(diào)查區(qū)地形地貌變遷Fig.1 Topographical changes in the surveyed area

2)地層巖性。研究區(qū)位于河?xùn)|煤田的南部邊緣,區(qū)內(nèi)發(fā)育有第四系全新統(tǒng)(Q4)、中上更新統(tǒng)(Q2、Q3)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、下統(tǒng)山西組(P1s)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、中統(tǒng)本溪組(C2b)、奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f),含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組,主要可采煤層為山西組下部2號煤層與太原組下部10號煤層。

3)地質(zhì)構(gòu)造。研究區(qū)位于河?xùn)|煤田的南緣,區(qū)域構(gòu)造線總體方向?yàn)楸北睎|,地層總體走向?yàn)楸北睎|,傾向?yàn)楸蔽飨?傾角平緩(2°～8°)。區(qū)域內(nèi)較大的褶曲和斷裂構(gòu)造主要有西坡背斜,丁家灣背斜和棗樹院正斷層、干泥坪逆斷層等。

2 房屋結(jié)構(gòu)特征

房屋為磚混結(jié)構(gòu)樓房,樓板為現(xiàn)澆混凝土樓板。房屋地基持力層為第四系上更新統(tǒng)Q3黃土,基礎(chǔ)為臺階狀條形基礎(chǔ),底下有600 mm厚三七灰土墊層。房屋體前設(shè)有水泥臺階,院地面為現(xiàn)澆混凝土層。房屋的地基和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地基和基礎(chǔ)示意圖Fig.2 Illustration of foundations

3 房屋裂縫特征

受損房屋共計(jì)64戶,房屋墻體裂縫數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1所示。房屋的裂縫多種多樣,方向上有水平的、豎向的和斜向的,形態(tài)上主要有正八字形、倒八字形、緩“S”型、“Y”型、反“Y”型,少數(shù)為“X”型或半“X”型。各種裂縫長短不一、寬窄不等,窄的細(xì)如蛛絲,最寬的約1.5 cm。裂縫多出現(xiàn)在門頂、窗角、門窗間墻,有的出現(xiàn)在房屋頂層墻體和屋面、縱墻或橫墻,有的裂縫從墻腳向墻頂呈階梯延伸。

表1 房屋墻體裂縫數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of the numbers of wall cracksof buildings

4 裂縫成因分析

通過地面調(diào)查、采空鉆探、地球物理以及對房屋裂縫的調(diào)查等方式綜合分析,結(jié)果表明造成該區(qū)域房屋產(chǎn)生裂縫的原因有以下幾個(gè)方面。

4.1 煤礦開采

煤礦開采是導(dǎo)致該區(qū)域房屋裂縫的重要原因,具體又可細(xì)分為地下采空、地下水位下降、爆破震動(dòng)這三個(gè)主要因素。

1)地下采空。根據(jù)房屋所處區(qū)域礦井開采資料,該區(qū)域煤礦曾采用巷采方式對2號煤層進(jìn)行了破壞型開采,采出率高,剩余煤墩或煤柱較少,覆巖原始力學(xué)平衡遭到破壞,應(yīng)力場重新分布,巖體產(chǎn)生變形和移動(dòng),并形成冒落帶、裂隙帶及彎曲帶即所謂的“三帶”。

據(jù)區(qū)域調(diào)查資料所獲取的一般規(guī)律經(jīng)驗(yàn)可知,當(dāng)某采空區(qū)或相鄰采空區(qū)相加之總長度和總寬度均大于或等于煤層平均埋深時(shí),巖層彎曲變形帶于地表形成明顯的變形區(qū)[2-3]。即采空區(qū)范圍地表產(chǎn)生整體壓縮沉降帶,于采空區(qū)邊界地表向采空區(qū)之外地表一定范圍內(nèi)(以巖層裂縫角控制)出現(xiàn)地表裂縫帶,且裂縫帶的走向與采空區(qū)長度或?qū)挾鹊姆较蛞恢?裂縫帶之外至下沉盆地邊緣之間變形強(qiáng)度逐步減弱。

本次調(diào)查房屋所在區(qū)域處于采空沉陷區(qū)裂隙帶與下沉盆地邊緣之間,其裂縫的分布位置、形態(tài)、走向有一定的規(guī)律性,符合采空沉陷區(qū)裂隙帶至下沉盆地邊緣之間區(qū)域的房屋開裂特征。采空區(qū)地表分區(qū)及相應(yīng)位置房屋受損情況如表2所示。

表2 采空區(qū)地表分區(qū)及相應(yīng)位置房屋受損情況Table 2 House damage situation in terms of surface partition and corresponding locationsabovegoaf

2)地下水位下降。開采作業(yè)中不斷抽排地下水,引發(fā)區(qū)域內(nèi)地下水位下降,經(jīng)調(diào)查,受損房屋附近的水井有的水位降低,有的已枯竭。一方面,深部巖層中含水層受開采擾動(dòng)破壞導(dǎo)致巖層之間的水體流失甚至排空,巖層之間的有效應(yīng)力減小,上部巖體下沉變形,傳遞到地表后引發(fā)地表沉降變形；另一方面,第四系土層地下水位下降，孔隙水壓力降低,有效應(yīng)力增加,顆粒發(fā)生位移,孔隙度降低,便產(chǎn)生固結(jié)沉降,引發(fā)地表變形。建筑區(qū)域地下水位在較短時(shí)間內(nèi)不均勻下降,致使基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降,繼而導(dǎo)致房屋開裂。

3)爆破震動(dòng)。井下爆破產(chǎn)生的震動(dòng)波對地表建筑的影響相當(dāng)于地震的效果。由爆破、振動(dòng)引起的裂縫一般呈“X”形,還有水平和垂直裂縫。根據(jù)有關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)(聯(lián)邦德國DIN4150標(biāo)準(zhǔn)和瑞士SN640312標(biāo)準(zhǔn))的頻率范圍:10 Hz～80 Hz的短期振動(dòng)作用下,振動(dòng)對建筑物的影響(使建筑物不致?lián)p壞)速度限值為12 mm/s。本次調(diào)查通過物探手段檢測到振動(dòng)波參數(shù)小于該規(guī)范所限定的范圍,不會直接導(dǎo)致房屋開裂,但可能導(dǎo)致已開裂房屋的裂縫擴(kuò)大、受損加重。

4.2 地基不均勻沉降

地基不均勻沉降是房屋開裂的直接原因。造成該區(qū)域地基不均勻沉降的因素主要有兩方面,采空區(qū)地表變形和黃土不均勻沉降。一方面,房屋位于采空沉陷區(qū)裂隙帶與下沉盆地邊緣之間,地表發(fā)生不均勻的變形和沉降,其變形量超過了房屋地基允許的變形沉降范圍,導(dǎo)致地基不均勻沉降,引發(fā)房屋開裂;另一方面,房屋建設(shè)用地為黃土丘陵溝壑區(qū)“高挖低填”整平后的場地,開挖整平區(qū)域黃土的固結(jié)歷史長、沉降量小,而填方區(qū)域因?yàn)辄S土夯填而成,填土壓實(shí)度不足產(chǎn)生固結(jié)沉降、蠕變等現(xiàn)象。調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)排水渠有漏水現(xiàn)象,漏水位置路面有裂縫及陷坑,流水下滲入黃土地基,黃土遇水濕陷,導(dǎo)致填土區(qū)域地基沉降變形量更大,開挖區(qū)與填土區(qū)之間變形量差值大導(dǎo)致的地基不均勻沉降更為明顯。

根據(jù)圖3和圖4的本地累年和累月平均降雨量數(shù)據(jù)顯示,2014年是近年來降雨量較多的一年,2014年7月的持續(xù)降雨,由于排水不暢大氣降水滲入地基中,8月、9月房屋發(fā)生進(jìn)一步開裂,雖采取了措施,但成效不大。降雨入滲問題一直未解決,至2017年愈加嚴(yán)重,局部地基土有泥化現(xiàn)象,排水渠漏水位置的路面發(fā)生裂縫及陷坑。所以大氣降水和生活用水不合理排放下滲到濕陷性黃土地基中引發(fā)的不均勻沉降是房屋裂縫的誘因之一。

圖3 本地2013-2017年累年平均降雨量Fig.3 Average annual precipitation from 2013 to 2017

圖4 本地1958-2010年累年月平均降雨量與氣溫Fig.4 Average monthly precipitation and temperature from 1958 to 2010

4.3 房屋結(jié)構(gòu)

房屋建成后,均會在自重力作用下產(chǎn)生幅度不等的均勻沉降或不均勻沉降。不均勻沉降所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大于墻體的抗剪或抗拉力時(shí)，建筑物將會產(chǎn)生裂縫、傾斜甚至破壞,而裂縫的密集型、縫寬、出現(xiàn)的部位主要與房屋的結(jié)構(gòu)差異有關(guān)。

1)自然間開間和進(jìn)深寬度的差異性。房屋由于自然間大小差異,開間和進(jìn)深較大的東間和西客廳的東、西墻及前窗墻(西客廳)所受荷載較大,不均勻沉降下沉?xí)r自重力所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會增大,出現(xiàn)裂縫的比例會增高。后東間和后西間的開間進(jìn)深較小,所受荷載則會大大減小,因不均勻沉降所產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力變小使墻體出現(xiàn)裂縫的比例會大為下降。

2)門、窗等結(jié)構(gòu)弱面的特殊性。東間前門、窗墻因荷載主要分布于東、西墻而受力變小,出現(xiàn)裂縫的比例明顯小于東、西墻。少數(shù)院落前窗墻不均勻沉降較大,且窗戶、門的設(shè)置造成結(jié)構(gòu)弱面導(dǎo)致墻體抗剪能力下降,故亦會于窗框角和窗框下部出現(xiàn)裂縫。西客廳前窗墻與東、西墻均為主要承重墻,因抗剪能力大幅下降,會于窗框角、窗框下部產(chǎn)生裂縫,且裂縫比例遠(yuǎn)高于東間前窗墻。后西間后窗墻同樣因后窗的設(shè)置而使得其抗剪力大幅下降,窗框角及窗框下部出現(xiàn)裂縫。

3)各塊后墻倒八字裂縫的規(guī)律性。據(jù)本次調(diào)查,各塊均由4個(gè)院落組合而成,其后墻為統(tǒng)一砌筑,具有相對獨(dú)立性,因其兩側(cè)地基壓實(shí)度欠佳,下沉量大于中部,均于東部西斜裂,于西部東斜裂,中部裂縫則明顯減少且以垂直型為主,整體呈現(xiàn)倒八字型。

5 結(jié)束語

通對晉南某煤炭開采沉陷區(qū)內(nèi)房屋裂縫特征和成因進(jìn)行調(diào)查分析,其結(jié)果表明,地下煤炭開采所造成的地表沉陷,直接或間接地導(dǎo)致了該區(qū)域房屋開裂,同時(shí)也揭露了黃土丘陵溝壑區(qū)通過“高挖低填”造地進(jìn)行房屋建設(shè)的一些質(zhì)量問題。針對上述情況提出幾點(diǎn)建議:

1)煤礦進(jìn)行開采、爆破等作業(yè)時(shí),應(yīng)做好動(dòng)態(tài)監(jiān)測,通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析評估井下作業(yè)對地表構(gòu)筑物、道路、農(nóng)田等的影響,尤其是要正規(guī)開采,保留足夠的煤柱,減少對地下含水層的破壞。

2)工業(yè)、民用建設(shè)應(yīng)盡量避開開采沉陷影響區(qū)域,如果必須在該區(qū)域進(jìn)行建設(shè),在建設(shè)前應(yīng)做好充分的調(diào)查和論證,選擇沉降變形小、變形可控的區(qū)域,不宜選擇軟土、河道等工程性質(zhì)不良的區(qū)域,對濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)進(jìn)行地基加固,并做好防排水。

3)在采空沉陷或其它有地基不均勻沉降、變形區(qū)域進(jìn)行建設(shè)時(shí),要慎重選擇建筑結(jié)構(gòu)形式,通過增加特殊構(gòu)造、增強(qiáng)整體剛度、合理設(shè)置沉降縫等方法增強(qiáng)建筑物的安全性,并對建筑物的變形情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。