陕北窑洞破坏原因探析

杨 鸿

(延安大学 建筑学院，陕西 延安 716000 )

在高寒地区，窑洞是古老的居所之一。老百姓一般都选择窑洞居住，其优点是所需建材工匠少，工艺简单，施工便利，更可因地制宜，就地取材，既防火防噪音，又经济省工，冬暖夏凉，坚固耐用。就材质来讲，有在老黄土层上靠山挖凿的土窑洞、接土拱加砌一两米进深的砖或石料做面的接口窑。随着人们生活水平的提高，现大多是采用砖石、泥浆(或水泥砂浆)平地砌筑、顶部夯土的砖石窑，往往三孔一院，一字排开。与土窑比较，砖石窑造价较高，施工也复杂一些。一般是先打背墙，再在平地上挖1.5 m宽的巷道做地基，然后用砖石砌1.5 m高的墙，也叫做窑腿子。再挖出顶部为拱形似窑洞形状的土坯子，也称做窑楦，然后在土坯子上插砖石，称饱穴。随后灌注大量泥浆(或水泥砂浆)，直至渗透不下。到合龙口后，再漫漫挖出土坯子(称出窑楦)，边挖边打帮墙边垫土，土挖尽新窑即成。窑上方一般垫3 m左右的黏土，分层夯实，成平房的构造，既防水又保暖。如果材料强度高，施工质量好，排水及防护措施到位，且无大灾，一般使用年限都在30年以上，土窑更长。如在农村看到的一些曾经住过几代人的砖石窑和开挖达百年以上的土窑就是如此。然而，中途破坏的也比比皆是，以下就陕北地区窑洞破坏的原因以及防护措施试作分析。

1 雨水浸入造成的破坏

在2003年的9月份，黄陵洛川一带雨季持续时间达20多天，旧石窑有90%以上损坏，主要是灰缝渗漏、帮背墙坍塌、拱圈变形和裂缝，而在一两年内新修的砖石窑100%的坍塌废弃。定性分析表明，旧石窑因年久失修，灰缝剥脱，石块风化，强度降低;新窑由于黏土窑顶还未固结完毕，又没有很好碾压，使粘土的渗透性增大，雨水浸透窑顶和帮墙后，使土的含水量增加，抗剪强度减小［1］，土体产生局部和整体滑移，窑整体失去稳定而坍塌。另外，土体达到饱和后，使得拱圈的受力增大许多，拱圈内各点的应力达到或超过砌体的强度，拱圈产生裂缝和变形，顶部尤为严重。

图1

关于拱圈内各点的应力分布，若将弹性力学理论近似用于讨论如图1所示的拱形建筑的拱顶破坏，即将实际拱顶看成长而厚壁的半圆筒形，拱的长度(为窑的进深7～9 m)远大于拱圈半径(窑宽度3 m的一半)。且假设其几何形状、受力和变形，乃至约束都具有轴对称性，所有条件简化后，都近似满足弹性力学研究的轴对称平面应变问题，也较接近于实际。因实际窑拱受土、水、积灰等自重作用，荷载应为竖直方向均布压荷载，还有窑帮墙的反力作用，就前者来讲，将竖向压力分解成垂直于拱和与拱相切的两个分力，图1中的P就是垂直于拱的分力，且沿着圆筒半径向内，叫做围压。就半个圆筒来看，取图1所示的平面极坐标系，近似认为围压均匀对称，与θ无关，内部所受大气压力可设为零，只在围压作用下，半圆筒内各点的应力分量和应变分量都与θ无关，仅是r的函数。若在某点r、θ处，沿环向和径向取一如图1所示微元体，在不计拱自重的情况下，微元体各面上的环向和径向正应力以及切应力分量分别为［2］:

2 地震震害

地震作用是短暂的反复荷载。当遇大地震时，墙体和板剧烈摇晃，结构受到反复拉压，一方面建筑物侧移加剧，顶部侧移最大，地震反应也最强烈，即所谓的“鞭梢效应”。而土不能承受拉力，再加上场地类别和场地地形的影响(如山峁、山嘴上的建筑物破坏程度比平坦开阔地带要严重得多)，挑檐、女儿墙、边上的帮墙等更易震坏。帮墙一旦坍塌，窑拱失去了支撑，结果也造成窑洞变形，两侧拱脚外倾，产生坍塌，边窑更易损毁——图2和图3就是2008年的大地震造成的黄陵县高原地带砖窑破坏的例子。也有少数窑洞是因地基下陷，产生不均匀沉降而破坏。

图2

图3

因陕北地区的黄土地基浸水湿陷，或地下有砂层，在地震反复荷载作用下，砂层浸水产生液化流土现象(如公路上的翻浆现象)，使得墙体开裂，再加上地震作用产生的扭转效应，房屋转角处较为严重。

除此之外，在陕北地区由于地震和大雨、暴雨造成的水灾、山体滑坡和山体垮塌、泥石流等次生灾害，使窑洞被淹、损毁和成片被埋;地下挖矿造成地陷使窑洞裂缝乃至垮塌等情形也时有发生，这些都使人们的生命财产受到了极大的损失。

3 防护措施

首先是选址，开阔平坦地带是有利地形［5］，山包、陡坡、河岸边、滑坡、地陷、地裂和发震断裂带等不利地形尽量不选，非选不可时一定要分析研究。其次，要保证窑洞安全可靠，一定要做到严格设计(现全凭经验，基本不进行计算)，规范施工，材料合格，强度满足。如搞好窑顶的防水就至关重要，黏土要夯实，要定期碾压，排水沟畅通，有条件时最好应用新型防水材料做防水层。拱圈是主要的受力构件，要保证材料强度和砌筑质量，帮墙背墙是拱的支柱，要保证有足够的厚度和强度。还可以在拱与帮墙之间、拱与背墙之间适当加一些拉结钢筋，增强窑洞的整体性和抗震性能。再者，大多窑洞虽为单层结构，但地基基础的设计也同样重要。根据当地的工程地质资料和冻结深度，选择合适的土层为持力层，选合适的基础形式和材料。因由于地基下沉使窑洞变形、坍塌造成人畜伤亡的例子也普遍存在。

总之，不管是采取什么结构，什么材料的建筑，也不管建筑是大是小，只要正规地、严格地进行设计，规范施工过程的管理，严把施工质量关，杜绝豆腐渣工程，即使遭遇不测，夺命的也就不会是建筑物本身了。

［1］赵明华.土力学与基础工程［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2000.99－100.

［2］吴家龙 .弹性力学［M］.上海:同济大学出版社，1987.8.351～356，167－178.

［3］刘雅君，薛琳娜.由压力引起的破裂问题研究［J］.大学物理，2011，30(4):19－21.

［4］袁海庆.材料力学［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2002.15 ～16，116－117.

［5］丰定国，王社良.抗震结构设计［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2003.14－16.