泉州市某矿区建筑物开裂变形原因分析及防治对策

张升锋

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)



泉州市某矿区建筑物开裂变形原因分析及防治对策

张升锋

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

针对泉州市某矿区地表建筑物出现大面积开裂变形的情况，在通过现场调查走访和地质钻探的基础上，阐述了各建筑物裂缝的形态、宽度及延伸情况等，分析了建筑物开裂的原因，并提出了相应的防治对策，以期为今后矿区同类建筑物的修建提供一定的参考。

矿区；建筑物开裂；防治对策

0 引言

随着我国矿产资源开采范围的加大和开采深度的加深，其对矿区地表的影响越来越大，地表前期建筑物也越来越多的出现开裂变形和破坏现象，尤其是修建年代久远、结构整体性相对较差、基础简单的建筑物，经常出现大面积的开裂变形和破坏，给矿区正常的生产生活造成较大影响，这一现象已越来越被人们所重视。本文主要通过泉州市某矿区地表建筑物出现的多处开裂和破坏这一工程实例，在现场调查走访和地质钻探的基础上，阐述各建筑物裂缝的形态、宽度及延伸情况等，分析其形成原因，在此基础上提出相应的防治对策，以期为今后同类矿区建筑物的修建提供一定的经验。

1 矿区及其主要建筑物简介

泉州市某矿区自二十世纪五六十年代开始进行大面积的矿产开采，主要为煤矿和石灰矿，并在2013年度对煤矿采矿区进行了扩建，在原有生产系统的基础上，实行接替式生产方式，通过增加采掘比和改变运输方式，将生产规模由原来的17.8万t/a提升到30万t/a，设计可开采储量为3 414kt。

本次调查矿区内的建筑物主要有1栋4层办公楼、1栋2层机电车间、1栋3层浴室、1栋3层职工大楼以及其他生产生活建筑，均建造于二十世纪八九十年代，多数采用砖混结构。根据现场调查走访，自2013年10月起该矿区的多处建筑物墙体先后出现不同程度开裂变形，部分混凝土路面出现不同程度的开裂和起拱，给矿区正常的生产生活带来较大影响。各建筑物基本情况表(表1)，平面位置图(图1)。

表1 建筑物情况一览表

2 各建筑物及其开裂变形情况介绍

(1)机电车间

机电车间建于20世纪80年代，为二层砖混结构，建筑平面呈矩形布置。建筑物楼面及墙体结构出现严重开裂和变形破坏情况，裂缝宽度约为30mm～100mm，延伸最长约数米，严重影响建筑物整体使用(图2)。建筑物北侧整体沉降明显大于南侧，导致建筑物中间部分墙体出现严重拉裂、错位，多处出现斜向裂缝，如图2及图3所示。

(2)浴室

浴室建造于20世纪90年代，为三层框架结构，目前尚未出现明显变形，墙体未出现裂缝，如图4所示。

(3)职工大楼

职工大楼建造于20世纪80年代，为三层砖混结构，建筑平面呈矩形布置。墙体多处位置出现 45°斜向裂缝，裂缝宽度约为5mm～10mm，延伸长度约为1m～3m，如图5所示。

(4)办公大楼

办公大楼建造于20世纪80年代，为四层砖混结构，建筑平面呈矩形布置。该建筑物外墙多处出现45°斜向裂缝，裂缝宽约3mm～10mm，延伸长约0.5m～4m不等，如图6所示，一层楼廊地面出现开裂下沉，如图7所示。

3 建筑物开裂变形原因分析

(1)定性分析

根据现场调查走访和地质钻探结果，各建筑物开裂变形的原因主要有以下几个方面：

①地基持力层因素

现场地质钻探结果显示，除浴室地基持力层为天然石英片岩外，机电车间、职工大楼和办公大楼的地基持力层均为人工回填的填土，成分主要为煤矿渣、煤矸石及碎石等，且厚度差别较大。深厚的填土在后期自重固结的过程中产生较大的差异沉降，导致场地内的建筑物产生不均匀沉降，造成地表各建筑物不同程度的开裂变形。最为明显的是机电车间北侧填土厚度约为24m，而南侧则约为7m，南北两侧填土厚度差产生较大的沉降差造成建筑物严重开裂和变形破坏，经分析，此为最主要的原因。此外填土回填时未经专门压实处理，填土均匀性差，造成局部区域基础持力层的承载力和强度不足。

②采矿因素

据现场走访调查了解，场地内地面以下约70m的位置存在石灰岩矿，开采时采用炸药爆破，对建筑物造成一定的震动影响。此外爆破产生的地震波对松散填土层造成扰动，从而产生较大影响，加速回填土层沉降，进而影响上部建筑物的受力和稳定。

③建筑物自身因素

上述建筑物修建年代均较为久远，基础形式相对简单，埋深较浅，结构形式为砖混结构，这种结构形式抗变形能力较差，只要地基出现较小的变形，建筑物受其影响较大，就可能造成开裂变形。

(2)填土分布与裂缝形态分析

现场地质钻探结果显示，场地内南北向填土呈现“中间厚，两侧薄”的分布规律，浴室下部没有填土，机电车间南侧填土厚度约为7m，北侧填土厚度约为24m，办公楼下部填土厚度约为6m～7m，填土分布示意图如图8所示。

而房屋在建成后，地基一般都会下沉。如果地基沉降不均匀，沉降大的部位与沉降小的部位发生相对位移，在墙体中产生剪力和拉力，当这种附加内力超过墙体本身的抗拉抗剪强度时，就会产生裂缝，且这些裂逢会随地基的不均匀沉降增大而增大。根据建筑物受力分析，这种裂缝一般为斜裂缝，且裂缝走向凹陷处。这种裂缝在建筑物下部比较明显，由下向上发展，呈“八”字，倒“八”字﹑水平、竖逢等。当长条形建筑物中部沉降过大，则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，当两端沉降过大时，则形成两端由下往上倒“八”字型裂缝，也首先在窗角上突破，也可在底层中部窗台处突破形成由上至下竖缝；当某一端下沉过大时，则在某端形成沉降端高的斜裂缝；当纵横墙交点处沉降过大，刚在窗台下角形成上宽下窄的竖缝，有时还有沿窗台下角的水平缝；当纵横墙凹凸设计时，由于一侧的不均匀沉降，还可导致产生水平推力而形成力偶，从而导致交接处的竖缝。

根据上述分析及裂缝形态，场地内各建筑物墙体开裂符合地基不均匀沉降引起的裂缝特征。

(3)定量计算

①大面积均布荷载沉降计算

本次地面沉降主要考虑大面积填土的作用，未考虑上部建筑物荷载，其沉降值采用大面积均布荷载计算公式进行计算，计算公式如下：

(1)

式中：

ΔS—地基最终变形量(mm)；

n—地基变形计算深度范围内所划分的土层数；

pi—表示第i层土的有效附加应力(kPa)；

Esi—基础底面下第i层土的压缩模量(MPa)；

hi—表示第i层土层的厚度(m)。

以机电车间为例，经计算得出其北侧总沉降量为801mm，南侧总沉降量为70mm。由计算结果可知，机电车间南北两侧沉降量具有明显的差异，从而导致建筑物开裂变形。

②采空区顶板安全厚度计算

据现场调查，场地下部局部位置存在有采空区，其埋深约为80m～100m，采空区厚度约为1m～2m，顶板岩性以砂岩及砂质泥岩为主。在开采过程中，矸石基本被回填在矿坑中，因此采空区基本上处于半充填状态。

为评价采空区对矿区内地表建筑物的影响，现对采空区顶板安全厚度进行估算。由于现场地质条件复杂，干扰因素较多，因此将该煤矿采空区顶板条件按简支梁力学模型简化。即将两个采空区之间的顶板可以简化为两端简支、对边自由的简支梁，上部受均布荷载。

以基岩埋深最深的机电车间北侧为例，计算得出其顶板安全厚度分别为4.41m和4.64m，而钻探结果显示采空区上部基岩最小厚度均超过5m，大于顶板的安全厚度，因此可判定即使建筑物下部有采空区，对地表建筑物地基的稳定和结构安全影响较小。

4 防治对策

通过上述分析，房屋开裂是由多方面原因造成，主要有地基持力层因素、采矿因素和建筑物自身因素等。建议对开裂变形严重的机电车间进行拆除，开裂较轻微的办公大楼和职工大楼进行维修加固。同时新建建筑物应做好前期地质勘察工作，将建筑物基础坐落在天然持力层上，加大建筑物基础尺寸及其埋置深度，减少地基变形对建筑物的影响，且建筑物应采用抗变形能力强的结构形式，以保证建筑物的稳定与安全。

5 结论

本文通过泉州市某矿区地表建筑物出现的大面积开裂变形这一工程实例，在现场调查走访和地质钻探的基础上，定性探讨了建筑物开裂变形的原因，并对大面积填土沉降和顶板安全厚度进行了定量计算，得出了以下主要结论：

(1)该矿区四幢建筑物出现了不同程度的开裂变形，浴室未出现裂缝，职工大楼和办公大楼轻微开裂，墙体局部位置出现了45°斜向小裂缝，并有一定程度的延伸，而机电车间开裂最为严重，楼面和墙体均出现了严重的变形破坏。

(2)造成建筑物出现开裂变形的原因有地基持力层因素、采矿因素和建筑物自身因素等，而地基持力层是造成建筑物开裂变形最主要的因素。

(3)定量计算结果同样显示厚度不同的填土产生的差异沉降是造成建筑物开裂变形最主要的原因，而下部可能存在的采空区对地表建筑物产生的影响可忽略不计。

(4)在矿区内新建建筑物应做好前期地质勘察工作，将建筑物基础坐落在天然持力层上，加大建筑物基础尺寸及其埋置深度，减少地基变形对建筑物的影响，且建筑物应采用抗变形能力强的结构形式，以保证建筑物的稳定与安全。

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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

张升锋(1979.5- )，男，高级工程师。

E-mail:931675097@qq.com

2016-08-26

TU441+.8

A

1004-6135(2016)10-0070-04