泉州市某礦區(qū)建筑物開裂變形原因分析及防治對策

張升鋒

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

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泉州市某礦區(qū)建筑物開裂變形原因分析及防治對策

張升鋒

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

針對泉州市某礦區(qū)地表建筑物出現(xiàn)大面積開裂變形的情況，在通過現(xiàn)場調(diào)查走訪和地質(zhì)鉆探的基礎(chǔ)上，闡述了各建筑物裂縫的形態(tài)、寬度及延伸情況等，分析了建筑物開裂的原因，并提出了相應(yīng)的防治對策，以期為今后礦區(qū)同類建筑物的修建提供一定的參考。

礦區(qū)；建筑物開裂；防治對策

0 引言

隨著我國礦產(chǎn)資源開采范圍的加大和開采深度的加深，其對礦區(qū)地表的影響越來越大，地表前期建筑物也越來越多的出現(xiàn)開裂變形和破壞現(xiàn)象，尤其是修建年代久遠、結(jié)構(gòu)整體性相對較差、基礎(chǔ)簡單的建筑物，經(jīng)常出現(xiàn)大面積的開裂變形和破壞，給礦區(qū)正常的生產(chǎn)生活造成較大影響，這一現(xiàn)象已越來越被人們所重視。本文主要通過泉州市某礦區(qū)地表建筑物出現(xiàn)的多處開裂和破壞這一工程實例，在現(xiàn)場調(diào)查走訪和地質(zhì)鉆探的基礎(chǔ)上，闡述各建筑物裂縫的形態(tài)、寬度及延伸情況等，分析其形成原因，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的防治對策，以期為今后同類礦區(qū)建筑物的修建提供一定的經(jīng)驗。

1 礦區(qū)及其主要建筑物簡介

泉州市某礦區(qū)自二十世紀五六十年代開始進行大面積的礦產(chǎn)開采，主要為煤礦和石灰礦，并在2013年度對煤礦采礦區(qū)進行了擴建，在原有生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實行接替式生產(chǎn)方式，通過增加采掘比和改變運輸方式，將生產(chǎn)規(guī)模由原來的17.8萬t/a提升到30萬t/a，設(shè)計可開采儲量為3 414kt。

本次調(diào)查礦區(qū)內(nèi)的建筑物主要有1棟4層辦公樓、1棟2層機電車間、1棟3層浴室、1棟3層職工大樓以及其他生產(chǎn)生活建筑，均建造于二十世紀八九十年代，多數(shù)采用磚混結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查走訪，自2013年10月起該礦區(qū)的多處建筑物墻體先后出現(xiàn)不同程度開裂變形，部分混凝土路面出現(xiàn)不同程度的開裂和起拱，給礦區(qū)正常的生產(chǎn)生活帶來較大影響。各建筑物基本情況表(表1)，平面位置圖(圖1)。

表1 建筑物情況一覽表

2 各建筑物及其開裂變形情況介紹

(1)機電車間

機電車間建于20世紀80年代，為二層磚混結(jié)構(gòu)，建筑平面呈矩形布置。建筑物樓面及墻體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重開裂和變形破壞情況，裂縫寬度約為30mm～100mm，延伸最長約數(shù)米，嚴重影響建筑物整體使用(圖2)。建筑物北側(cè)整體沉降明顯大于南側(cè)，導(dǎo)致建筑物中間部分墻體出現(xiàn)嚴重拉裂、錯位，多處出現(xiàn)斜向裂縫，如圖2及圖3所示。

(2)浴室

浴室建造于20世紀90年代，為三層框架結(jié)構(gòu)，目前尚未出現(xiàn)明顯變形，墻體未出現(xiàn)裂縫，如圖4所示。

(3)職工大樓

職工大樓建造于20世紀80年代，為三層磚混結(jié)構(gòu)，建筑平面呈矩形布置。墻體多處位置出現(xiàn) 45°斜向裂縫，裂縫寬度約為5mm～10mm，延伸長度約為1m～3m，如圖5所示。

(4)辦公大樓

辦公大樓建造于20世紀80年代，為四層磚混結(jié)構(gòu)，建筑平面呈矩形布置。該建筑物外墻多處出現(xiàn)45°斜向裂縫，裂縫寬約3mm～10mm，延伸長約0.5m～4m不等，如圖6所示，一層樓廊地面出現(xiàn)開裂下沉，如圖7所示。

3 建筑物開裂變形原因分析

(1)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查走訪和地質(zhì)鉆探結(jié)果，各建筑物開裂變形的原因主要有以下幾個方面：

①地基持力層因素

現(xiàn)場地質(zhì)鉆探結(jié)果顯示，除浴室地基持力層為天然石英片巖外，機電車間、職工大樓和辦公大樓的地基持力層均為人工回填的填土，成分主要為煤礦渣、煤矸石及碎石等，且厚度差別較大。深厚的填土在后期自重固結(jié)的過程中產(chǎn)生較大的差異沉降，導(dǎo)致場地內(nèi)的建筑物產(chǎn)生不均勻沉降，造成地表各建筑物不同程度的開裂變形。最為明顯的是機電車間北側(cè)填土厚度約為24m，而南側(cè)則約為7m，南北兩側(cè)填土厚度差產(chǎn)生較大的沉降差造成建筑物嚴重開裂和變形破壞，經(jīng)分析，此為最主要的原因。此外填土回填時未經(jīng)專門壓實處理，填土均勻性差，造成局部區(qū)域基礎(chǔ)持力層的承載力和強度不足。

②采礦因素

據(jù)現(xiàn)場走訪調(diào)查了解，場地內(nèi)地面以下約70m的位置存在石灰?guī)r礦，開采時采用炸藥爆破，對建筑物造成一定的震動影響。此外爆破產(chǎn)生的地震波對松散填土層造成擾動，從而產(chǎn)生較大影響，加速回填土層沉降，進而影響上部建筑物的受力和穩(wěn)定。

③建筑物自身因素

上述建筑物修建年代均較為久遠，基礎(chǔ)形式相對簡單，埋深較淺，結(jié)構(gòu)形式為磚混結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式抗變形能力較差，只要地基出現(xiàn)較小的變形，建筑物受其影響較大，就可能造成開裂變形。

(2)填土分布與裂縫形態(tài)分析

現(xiàn)場地質(zhì)鉆探結(jié)果顯示，場地內(nèi)南北向填土呈現(xiàn)“中間厚，兩側(cè)薄”的分布規(guī)律，浴室下部沒有填土，機電車間南側(cè)填土厚度約為7m，北側(cè)填土厚度約為24m，辦公樓下部填土厚度約為6m～7m，填土分布示意圖如圖8所示。

而房屋在建成后，地基一般都會下沉。如果地基沉降不均勻，沉降大的部位與沉降小的部位發(fā)生相對位移，在墻體中產(chǎn)生剪力和拉力，當這種附加內(nèi)力超過墻體本身的抗拉抗剪強度時，就會產(chǎn)生裂縫，且這些裂逢會隨地基的不均勻沉降增大而增大。根據(jù)建筑物受力分析，這種裂縫一般為斜裂縫，且裂縫走向凹陷處。這種裂縫在建筑物下部比較明顯，由下向上發(fā)展，呈“八”字，倒“八”字﹑水平、豎逢等。當長條形建筑物中部沉降過大，則在房屋二端由下往上呈“八”字形裂逢，且首先在窗角上突破；反之，當兩端沉降過大時，則形成兩端由下往上倒“八”字型裂縫，也首先在窗角上突破，也可在底層中部窗臺處突破形成由上至下豎縫；當某一端下沉過大時，則在某端形成沉降端高的斜裂縫；當縱橫墻交點處沉降過大，剛在窗臺下角形成上寬下窄的豎縫，有時還有沿窗臺下角的水平縫；當縱橫墻凹凸設(shè)計時，由于一側(cè)的不均勻沉降，還可導(dǎo)致產(chǎn)生水平推力而形成力偶，從而導(dǎo)致交接處的豎縫。

根據(jù)上述分析及裂縫形態(tài)，場地內(nèi)各建筑物墻體開裂符合地基不均勻沉降引起的裂縫特征。

(3)定量計算

①大面積均布荷載沉降計算

本次地面沉降主要考慮大面積填土的作用，未考慮上部建筑物荷載，其沉降值采用大面積均布荷載計算公式進行計算，計算公式如下：

(1)

式中：

ΔS—地基最終變形量(mm)；

n—地基變形計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

pi—表示第i層土的有效附加應(yīng)力(kPa)；

Esi—基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量(MPa)；

hi—表示第i層土層的厚度(m)。

以機電車間為例，經(jīng)計算得出其北側(cè)總沉降量為801mm，南側(cè)總沉降量為70mm。由計算結(jié)果可知，機電車間南北兩側(cè)沉降量具有明顯的差異，從而導(dǎo)致建筑物開裂變形。

②采空區(qū)頂板安全厚度計算

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，場地下部局部位置存在有采空區(qū)，其埋深約為80m～100m，采空區(qū)厚度約為1m～2m，頂板巖性以砂巖及砂質(zhì)泥巖為主。在開采過程中，矸石基本被回填在礦坑中，因此采空區(qū)基本上處于半充填狀態(tài)。

為評價采空區(qū)對礦區(qū)內(nèi)地表建筑物的影響，現(xiàn)對采空區(qū)頂板安全厚度進行估算。由于現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜，干擾因素較多，因此將該煤礦采空區(qū)頂板條件按簡支梁力學(xué)模型簡化。即將兩個采空區(qū)之間的頂板可以簡化為兩端簡支、對邊自由的簡支梁，上部受均布荷載。

以基巖埋深最深的機電車間北側(cè)為例，計算得出其頂板安全厚度分別為4.41m和4.64m，而鉆探結(jié)果顯示采空區(qū)上部基巖最小厚度均超過5m，大于頂板的安全厚度，因此可判定即使建筑物下部有采空區(qū)，對地表建筑物地基的穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全影響較小。

4 防治對策

通過上述分析，房屋開裂是由多方面原因造成，主要有地基持力層因素、采礦因素和建筑物自身因素等。建議對開裂變形嚴重的機電車間進行拆除，開裂較輕微的辦公大樓和職工大樓進行維修加固。同時新建建筑物應(yīng)做好前期地質(zhì)勘察工作，將建筑物基礎(chǔ)坐落在天然持力層上，加大建筑物基礎(chǔ)尺寸及其埋置深度，減少地基變形對建筑物的影響，且建筑物應(yīng)采用抗變形能力強的結(jié)構(gòu)形式，以保證建筑物的穩(wěn)定與安全。

5 結(jié)論

本文通過泉州市某礦區(qū)地表建筑物出現(xiàn)的大面積開裂變形這一工程實例，在現(xiàn)場調(diào)查走訪和地質(zhì)鉆探的基礎(chǔ)上，定性探討了建筑物開裂變形的原因，并對大面積填土沉降和頂板安全厚度進行了定量計算，得出了以下主要結(jié)論：

(1)該礦區(qū)四幢建筑物出現(xiàn)了不同程度的開裂變形，浴室未出現(xiàn)裂縫，職工大樓和辦公大樓輕微開裂，墻體局部位置出現(xiàn)了45°斜向小裂縫，并有一定程度的延伸，而機電車間開裂最為嚴重，樓面和墻體均出現(xiàn)了嚴重的變形破壞。

(2)造成建筑物出現(xiàn)開裂變形的原因有地基持力層因素、采礦因素和建筑物自身因素等，而地基持力層是造成建筑物開裂變形最主要的因素。

(3)定量計算結(jié)果同樣顯示厚度不同的填土產(chǎn)生的差異沉降是造成建筑物開裂變形最主要的原因，而下部可能存在的采空區(qū)對地表建筑物產(chǎn)生的影響可忽略不計。

(4)在礦區(qū)內(nèi)新建建筑物應(yīng)做好前期地質(zhì)勘察工作，將建筑物基礎(chǔ)坐落在天然持力層上，加大建筑物基礎(chǔ)尺寸及其埋置深度，減少地基變形對建筑物的影響，且建筑物應(yīng)采用抗變形能力強的結(jié)構(gòu)形式，以保證建筑物的穩(wěn)定與安全。

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Causes and Countermeasures of building cracking and deformation in mining area of Quanzhou city

ZHANGShengfeng

(Fujian Academy of Building Research， Fuzhou 350025)

In view of the numerous cracks in the houses of mining area in a coalmine in Quanzhou city, on the basis of field investigation and geological drilling, this paper expounds the shape, the width and the extension of cracks in the buildings and analyzes the reasons of the cracks. What’s more, the corresponding countermeasures are put forward in order to provide some reference for the building construction in the same kind of mining area in the future.

Mining area; Housing cracking; Countermeasures

張升鋒(1979.5- )，男，高級工程師。

E-mail:931675097@qq.com

2016-08-26

TU441+.8

A

1004-6135(2016)10-0070-04