地基土含水量变化引起的建筑物裂缝分析.doc

地基土含水量变化引起的建筑物裂缝分析 摘要:通过实例,介绍了四个地基土含水量变化导致的工程事故。诸事故的肇事原因都与水有关,一种是地下水被抽走,后又回灌,从而在土层内形成塌陷;一种是潜流的强力冲刷造成地基塌陷;一种是少见的大旱使膨胀土发生干缩;一种是土壤中碱液浓度过大造成土壤湿陷。所有这些现象是非常少见而难以预料的,对勘察设计者具有指导意义。 关键词:地基土含水量变化 裂缝 地下水 膨胀土 化学污染 地基土含水量变化是指土层、边坡、地下水位以及土质、水质等受到天然或人为的破坏或改变,通常表现为:地下水位突然、大幅度地升降和潜流冲蚀;场地附近后期挖方;膨胀土层的起伏变化;工程本身后期超载或附近地面超载;化学污染等等。地基土含水量变化引起建筑物不均匀沉降,从而造成工程事故的实例很多,本文仅列举四个典型实例。 1 地下水变迁引起的建筑物裂缝分析 1.1 工程及裂缝概况 某小学有三座教学楼(平面布置见图1),均为三层砖混结构,条形基础,于1979年1月动工,同年底竣工,并已安全使用了8年。1987年10月10日、11日连续两天下大雨,14日上午,三号楼的东半部突然发生裂缝,嵌入横墙的挑梁与墙发生错动(图2),南侧一处门与窗之间的墙在过梁标高处水平裂断并略向内倾斜,北侧有一块窗玻璃在正上课的时候被挤破。当天检查院内一号、二号教学楼未见裂缝,一个月之后,这二座教学楼也出现了裂缝,其形状及性质与三号楼相同。在这期间,三号楼的裂缝范围往西发展到了该楼的西半部的南墙,之后又发展到了其北墙,而东半部的裂缝越来越严重。值得注意的是,裂缝初期向北倾斜的门与窗间墙看上去又扶正了。总起来说,裂缝的特点为: (1)裂缝发生突然且发展迅速,涉及的范围大; (2)原来断裂后向北倾斜的门窗间墙后来又扶正了; (3)横墙上的裂缝有明显地来回水平错动的迹象,既像遭过震害的房屋裂缝,又有点像采空区房屋的裂缝。 1.2 地基基础与地质环境 该工程采用天然地基,设计前未作专门的地质勘察,开槽时发现东半部的砂土很松散,因此对这一部分基础作了加深60cm和加宽10cm的处理,达到基础埋深1.75m。 事故后进行的勘探揭示,土层分布情况见表1。 在该楼西侧约50m处有一个臭水湾,1986年市政部门要将此湾进行改造、美化,便从86年6月开始,用大功率泵将湾水抽光,接着进行边抽水边挖深、削坡并砌筑乱石池壁,这样一直持续到86年12月底才改造完。改造完成后,立即向湾内注满了水。 1.3 裂缝原因分析 裂缝的出现及发展过程表明,该工程地基发生了剧烈的不均匀沉陷。从地质分布情况看,该工程地基以砂类土为主,所以地基沉降应在工程完工后不久完成,假如地基中存在着未经查明的沟坑、暗浜、坟井等局部缺陷,这么长的时间也早应该表现出来了,不至于安全使用8年之久。所以,该建筑物裂缝肯定是由后来的地基土含水量变化所引发的。 经调查证实,这三座教学楼的地基确实经历过近距离、长时间的抽水,然后又注水和连降两次大雨的遭遇,裂缝就是从大雨之后开始出现的。距教学楼50m远的臭水湾,历来作为集纳附近区域的污水和雨水之用,积水被地下10米处的粘土层所隔,所以尽管该地区大旱十几年,周围地下水位已降至30米以下,但此湾中的水还是满的,附近的砂土层中必有一片浅层的滞水存在。 勘探结果表明,本工程地基的粗砂层与臭水湾相通,臭水湾改造过程中抽水、注水所引起的地下水位的变化已经波及到了该工程地基的主要压缩层。当地下水抽走后,那部分土的计算重度由8kN/m3突增为18kN/m3,并在砂层中留下了可压缩孔隙,势必发生自重沉实或塌陷,从而出现空洞,但没有立即塌下来,是由于上部砂土的起拱作用。在连降两天大雨后,雨水迅速渗下去,浸湿了洞顶上土层,增加了土的重量,降低了砂土的摩擦力,其拱作用被破坏而塌陷,这是极有可能的一个方面;另一种可能是,抽掉水的砂土层,因自重沉落而出现某种程度的空洞,当重新注水时,地下水位回升,使空洞顶上的砂土自下而上的被浸湿,重量增加而塌陷。勘探结果表明,教学楼发生裂缝时,湾中回注的水确已自西向东回到了该楼地下。 裂缝发展范围逐步扩大,遍及了整个校园的三座教学楼一事,证明了前面关于空洞逐渐塌陷的判断。三号楼西半部的土层和东半部不同,西部含粘粒多,东部含粘粒少,这与施工时发现的情况一致,这正是三号楼东半部裂缝出现早而且严重的原因。 三座教学楼裂缝发展越来越严重,最后全部拆除了。 1.4 小结 笔者遇到的因局部滞水或地基浸湿而造成的建筑物裂缝已有数起,有的使房屋整体倾斜,有的使房屋纵向均匀弯曲,导致纵墙开裂。该例中地下水变异的情况比较特殊,既有水位下降造成干塌的可能,又有回灌时的浸塌的可能,也有地面雨水向下浸渗导致塌陷的可能。由于砂土的沉落变形是突然的,所以墙体裂缝的反应特别剧烈,特别严重。 2 水土流失引起的建筑物裂缝分析 2.1 工程及裂缝概况 某水库给水工程取水厂的综合楼、变电间和加氯间等坐落在鞋山南坡,原地形多为冲沟,六零年修建水库时,大量废弃的石渣被填入沟内,后来又经过大规模地填沟造地,在碎石上面覆盖了一层土。该工程平面位置及原山坡地形示于图3中。图中北围墙以外为上山坡,南围墙则为水库边的挡土墙,高2.5米,墙顶与建筑场地平。综合楼为二层(局部三层),施工前已探明,其下为碎石杂填土,较深且不密实,因而进行了强夯处理,其他二项工程均为平房,未进行专门勘探,只是开槽后局部进行了换土处理。 一九八九年七月十九日一场暴雨后,变电间和加氯间的墙体都出现了裂缝,其中加氯间东南角和变电间西端的裂缝最为严重,缝宽达12mm,裂缝两侧的砌体错位达15mm,局部毛石基础下沉后与圈梁脱开55mm。室内地面也多处发生裂缝,混凝土路面则有两处沉陷而积水(如图3中虚线所示),此处挡土墙有一处被冲垮,潜水从缺口处流入水库,持续了多日不停。楼前花坛扭曲变形,平台、踏步及散水坡均出现了较大裂缝。但地基经强夯处理过的综合楼却安然无恙。 事故后沿北围墙及加氯间进行了补充勘探,揭示的原地形情况见图3。 2.2 裂缝原因分析 显然,该工程裂缝主要是由于地基不均匀沉降所致,引发沉陷的原因分析如下: (1)本工程背靠山坡,前临水库,座下是原来的冲沟。大雨后北面来的径流受到围墙的阻挡而潜入地下,地下的碎石土是疏松的,有些地方多半是碎石,含的粘土很少,经潜流的山洪冲刷而流失,这是导致地基沉陷的主要原因。 (2)该填土层多为碎石杂填土,压缩性高,强度低,压缩系数a1-2=0.686MPa-1,标贯击数N=1.6,加之暴雨后地面排水不畅,全部渗入地下。 (3)变电间西端坐落在一个大冲沟边缘的填土上,加氯间东南角则位于一边坡很陡的冲沟上,事故后探明此处的杂填土深达6.4m,所以,变电间西部和加氯间东南角上裂缝最为严重,这两处水土流失也最严重。 (4)由图3可见,综合楼完全坐在一个大冲沟上,经强夯后,成为冲沟中的束水构造,使综合楼与变电间之间的地下水道变狭,流速加大,从而加剧了冲刷作用,加重了变电间西端的地基沉降。事实证明,裂缝的范围比原来所见的需要换土处理的范围要大,沉陷情况之严重也出乎一般的意料。 2.3 处理措施 根据以上分析,对事故的处理方法,除对裂缝处的地基与基础进行常规的加固之外,治本的措施是防止潜流的形成,改善地面排水,防止地表水下渗并在上游筑截流工程。做法是: (1)沿北围墙用“旋喷法”设一道混凝土帷幕墙进行截流,深度达杂填土下2.0m。 (2)出现基础下沉和墙体裂缝部位也采用“旋喷法”加固地基,加固深度为达到杂填土下0.5m。 (3)做好地面排水,防止大量地表水渗入地下。 3 膨胀土引起的建筑物裂缝分析 3.1 工程及裂缝概况 五十年代建成的某医院综合大楼,总平面为T型,正面向北。整座建筑物为二层(局部三层),砖混结构,木屋盖,毛石条形基础。该工程在安全使用了30年之后,于1988年冬天,突然在西翼发生严重裂缝,一时众人大惊,一位化验人员称,他坐椅后的山墙裂缝嘎然有声,并以其化验人员特有的观测力作证说,当时他眼看着裂缝在开展。现场调查发现,大楼西翼走廊南侧的化验办公室横墙上有竖向微斜的裂缝发生,缝长约2.0m,宽约10mm余,由下而上地开裂,顶端已有分叉。同屋的地面上距走廊墙约60cm处有一道通长的东西裂缝,缝两侧明显向下倾斜。走廊中同样有一条东西通长裂缝,缝两侧明显向上倾斜,说明走廊南纵墙的根部已向南翻转。二楼全部房间内的板条抹灰天棚与走廊墙之间绽开了一条裂缝,从天棚上面观察,该部的天棚樑子已从墙中拔脱约30mm。另外发现,天棚内有两道硬山搁檩的构造,三角形山墙的中央各有一个宽约60cm的过人孔,孔上的侧砌平券已经被拉断,缝宽约20mm。山墙顶端从中间裂为南北两半。裂缝情况见图4。所有这些说明,大楼西翼的南半部已整体向南倾斜。 3.2 裂缝原因分析 在院子里巡查发现,沿外墙有一道窄窄的顺水沟而没有散水坡构造,土壤呈铅灰色,十分蓬松,犹如春天化了冻的黑土地一般。进一步查访得知,南边不远的院墙挨近一个水库,逢此大旱之年,已经完全干涸,四周的干砌毛石护坡望去如一片石漠。由此推测建筑物裂缝或许与天气干旱有关,怀疑大楼西翼地下有膨胀土局部存在,裂缝由膨胀土干缩所致。后经开挖证实,大楼西半部地基确有膨胀土存在,厚度约60cm,黑色,干缩裂缝极度发育。 3.3 小结 膨胀土具有湿胀干缩的特性,其性能受含水量影响很大。该工程建在水库边,地基内的膨胀土长期浸泡在水里,突然遇到大旱,含水量猛减,其干缩特性得以发挥而致安全使用了30年的建筑物开裂。 4 化学污染引起的建筑物裂缝分析 4.1 工程及裂缝概况 某印染厂是个名副其实的“百年老店”。厂区200m300m范围内的新房、老房、生产用房、生活用房皆有裂缝,尤其近30年来所建房屋可以说无一幸免,成为业内周知的白浪河两岸同类土层中的特异区。 74年建的锯齿形印染车间,76年便发现西端墙上有了长长的、南低北高的斜裂缝。当时未找到裂缝原因,曾疑为场地的卓越周期较长,可能受到了宁河地震的影响。 83年建的整理车间,全框架结构,施工至主体封顶时,其两层的附属房便整体向西倾斜了5cm。同期建的发电车间也有了裂缝。 85年建成的单身宿舍楼,四层,刚开始启用便发生了严重裂缝,临街的北纵墙上均匀布满了八字形裂缝(图5),从室内看,已与横墙脱节,但南墙上裂缝较轻。有关方面认为是把房子建在了杂填土上,而钻探发现该土层内有三合土筑成的百年古坟,说明不是回填土。对此土层的成因曾引起激烈争论,但未注意到污染因素。 2002年,该地盘开发为商业步行街,施工中挖了一个深约4.0m,长120m的基坑。坑南岸原是厂内的一条小街道,宽约8.0m,其下有一条加盖的排水沟。基坑开挖之后发现,排水沟漏水,污水由基坑南壁上的一个小孔流入坑内。随着漏水量的增加,沿着排水沟出现了一条沉陷带,裂缝两侧地面之间的高差最大处达11.0cm。将排水沟渗漏问题排除后,一切安然无恙。 4.2 裂缝原因分析 该厂区坐落在白浪河畔,地基土层分布情况是,顶部2.0-4.0m为新近沉积粉土,其下为中粗砂。厂区内的房屋裂缝原因多年来一直未形成一致意见。至2002年改建商业步行街,从开挖的深基坑内,笔者发现,新近沉积粉土的颜色由灰色变成了暗绿色,显然是受到了该厂废弃碱液的污染