河北隆尧跨地裂缝建筑物破坏特征分析

万 阳，马润勇，王林清，常 江，王志浩，孙长明，尚合欣

(长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

0 引言

华北平原地裂缝最早发现于20世纪60年代，目前已成为我国地裂缝灾害较为严重的地区之一[1-2]，尤其是21世纪以来，伴随人类工程活动以及地下资源开采利用程度的不断加剧，加速了地裂缝的活动。隆尧地裂缝是华北平原发育规模较大的地裂缝之一，目前地表可见长度约35 km，穿越多个村庄，引发了严重的地裂缝灾害，不仅给当地村民造成了很大经济损失、同时也给当地群众的生活带来巨大影响。

据野外实际调查，地裂缝活动导致多个村民屋舍不同程度受灾，部分村民因房屋严重破损甚至坍塌而被迫搬离。可见，查明地裂缝对上覆构建筑物破坏方式及规律，对工程建设中的灾害设防以及保障村民财产安全具有重要意义。为此，在结合野外调查基础上，本文利用MSC marc软件进行有限元数值分析，探究地裂缝活动对上覆建构筑物(墙体)的破坏方式及特征。

1 隆尧地裂缝发育分布特征

隆尧地裂缝属于典型的构造地裂缝，具有正断拉张、左旋错动特征[2]，平面上呈折线状线性分布，并可以分为东、西两段(图1)。其中，西段长约20 km，总体近东西向展布，从周村延伸至西店子村，途经周张庄、南小河、虎中村，在显化寺附近也有裂缝显现。

图1 隆尧地裂缝分布图Fig.1 Distribution of the ground fissure in Longyao

调查显示(表1)，该段地裂缝对村民房屋破坏十分严重，其中南小河村房屋墙体开裂张拉宽度最大可达30 cm，水平走向位错达8 cm，基础的最大相对沉降量达40 cm。西店子村房屋墙体开裂水平走向错距最大可达8 cm，张拉宽度达10 cm，通过对跨裂缝路面破坏方式及房屋墙体开裂方式可判断该段地裂缝呈左旋正断走滑运动特征。

表1 地裂缝破坏统计表Table 1 Ground fissures damage statistics

东段长约15.3 km，近北东向展布，从东店马村断续延伸至毛儿寨，途经开河村、任村、西清湾、舍落口村。从地裂缝的平面展布位置走向及几何运动特征来看，该地裂缝与其控制断层内丘-巨鹿断裂具有很好的一致性[3-4]。

剖面上，据西店子探槽开挖结果(图2)显示，该地裂缝由一条主裂缝(f1)和次级裂缝(f2)构成，次级裂缝位于主裂缝的下盘，二者近地表相距约3 m，延伸至探槽底部变为2 m。剖面上呈“y”状。其中f1近地表铅直、曲折纵向延伸，填充物以杂填土、粉土为主，剖面呈上宽下窄状，地表裂缝出露宽约30 cm，至探槽底部变窄为2 cm；f2少有填充，从地表至下倾角逐渐增大，最终斜交于f1。

图2 西店子村西探槽(Tc1)Fig.2 Trench on the west side of Xidianzi

对比裂缝两侧土层位置及东西壁对应土层的厚度可以看出，地裂缝具有正断左旋的特征，其中主裂缝的最大垂直位移量达0.5 m，水平拉张宽度10 cm，走向滑动错距达12 cm。裂缝的主体倾向为NE175°，倾角为80°，与隆尧断裂产状基本一致。从探槽剖面可以看出地层错动量随着深度的增加而增大，且下盘地层厚度大于对应上盘厚度，可见该裂缝具有同沉积断层属性，地裂缝活动与深部断层活动特征一致并具有统一的构造背景[5-6]。

2 跨地裂缝建筑物破坏形式及其力学机理

2.1 跨地裂缝建筑物破坏形式

调查结果表明，地裂缝活动导致5个村子282户村民不同程度受灾。其中，周村南有一新建房屋因地裂缝穿过，致使墙面开裂而无法正常使用；周张庄村有部分居民因房屋损毁严重而被迫搬离(图3)；南小河村受灾范围最大，地裂缝活动导致民房严重损坏者达47户。2017年3月，虎中村南产生一条新的次级裂缝，使3户民房出现不同程度损坏。位于该裂缝中段的西店子小学教学楼发生整体地面沉降及墙体裂缝，村中路基沉降。

图3 居民房屋破坏(镜向北)Fig.3 Residential housing destruction (mirror N)

在地裂缝带沿线，凡跨越地裂缝的建筑物墙体、硬化地面均发生不同程度的开裂与错位，而地裂缝带两侧的建筑物大多安然无损。可见，地裂缝带上建筑物墙体的开裂绝大多数是由地裂缝活动而引起的。

地裂缝活动作用造成房屋建筑的主要灾害有：地基下沉、基础断裂、墙体开裂、地面倾斜、门窗变形等。地裂缝引起房屋建筑的变形破坏以张拉为主(图4a、4b、4c)，伴随着地裂缝走向滑动位移量的增加，也会造成房屋的扭转和剪切破坏(图4d)。其中建筑物轴线与地裂缝走向间的夹角可以定性反映地裂缝对建筑物的破坏程度。夹角越小，破坏程度和面积愈大；夹角越大，破坏程度和面积愈小，即建筑物受损程度和面积随建筑物轴线与地裂缝走向夹角减小而显著增大。

图4 地裂缝活动引起上覆建筑物的破坏Fig.4 The destruction of the overlying building caused by the ground fissures activity

2.2 跨裂缝墙体破坏的力学机理及模式

关于地裂缝活动对上部建筑物的破坏，前人也做过大量研究，但大多数忽略了裂缝在走向上的位移量，只考虑了垂直位错与水平拉张量[7-9]，因此并不能全面反应建筑物墙体的变形破坏特征。隆尧地裂缝具有明显的正断左旋走滑特征，现结合上覆建筑物破坏形式，对跨裂缝墙体变形破坏的力学机理予以简要分析。

从地裂缝与墙体位置及几何变形特征关系来看，建筑物破坏与地裂缝三维活动密切相关[7]，即既有垂直差异沉降又有水平拉张破裂和走向上的扭动,具体表现为:沉降量>张开量>扭动量。地裂缝的垂直错动、水平拉张和扭动，导致对应位置上建筑物的地基、基础和上部结构造成拉裂，剪断等(图4)。此外，当地裂缝与建筑物相对位置不同时，也造成了其上覆结构破坏方式的差异[8]。地裂缝小角度穿越房屋时，房屋主、侧墙体均产生裂缝并贯穿整个墙角(图3)，而当地裂缝近垂直穿越房屋时，则以主墙的破裂为主。究其原因，主要是由于力学机理的不同所导致的。

从力学机理上来看，地裂缝垂直穿过基础时，其三维运动使得建筑物在垂直与水平方向上均产生附加应力与弯矩(图5a)。此外，当地裂缝与建筑物有斜角时，还会产生额外的扭矩(图5b)，建筑物抗剪强度较高，而抗拉强度较低，加之扭矩的作用，使得建筑物本身强度不足以抵抗水平拉张与扭动，加速了建筑物的破坏。同时，随着地裂缝与建筑物间夹角的减小，Nx、Mx、My会逐渐增大，加剧建筑物破坏。因此，从力学角度来看，应尽量避免建筑物与地裂缝小角度相交。

图5 地裂缝垂直穿过建筑物破坏力学模式Fig.5 Ground fissures pass vertically through the structural failure mechanics

3 有限元数值模拟

以往对于跨地裂缝建筑物破坏方式及其特征分析，大都忽略了裂缝在走向上的扭动量，从而简化成二维平面应变问题研究，同时也没有考虑房屋以不同角度跨地裂缝时，其破坏效应的差别[10]。而地裂缝活动是三维的，尽管水平扭动量相较于垂直差异沉降与水平张开破裂影响较小，但从野外实际调查结果来看，其破坏效应也不容小觑(图4d)。故此，本文所建的三维建筑物破坏力学模式同时考虑了扭动(走滑)的影响。并在数值模拟时，裂缝的垂直位移量取50 cm，走向位移取8 cm。据探槽开挖显示(图2)：隆尧地裂缝属于高角度正断层，倾角在50°～85°，故本次计算取地裂缝倾角为75°。

3.1 模型尺寸

调查显示，地裂缝发育地段旧的民居大多为砖木结构，而新建房以砖混结构为主。为了方便计算，本文采用建筑物筏板地基基础中心跨正断层，模型中地裂缝倾角为75°，地基基础为平板式筏形基础，房屋结构为砌体结构。模型的土层规模为20 m×10 m×5 m，从上至下依次为耕植土(杂填土)、粉质黏土、粉砂、黏土(图2)；基础尺寸为8.6 m×4.6 m×0.4 m埋深0.5 m，房屋尺寸为8 m×4 m×3.2 m，断裂穿越基础中心，模型示意如图6。

图6 裂缝垂直穿过基础Fig.6 Fissures vertically through the foundation

3.2 计算工况及参数选取

计算时设定断层下盘固定，上盘的沉降位移通过速率进行控制，其中垂直沉降速率为1 cm/step，走向滑动速率为0.16 cm/step。上盘下降的最大垂直位移量为50 cm，走向滑动位移为8 cm，因此计算时步长定为50step。为了更加清楚的反应断层对建筑物破坏的影响，可加大断层的错断位移来计算，将计算结果每10step分为一个阶段，最终划分为10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和50 cm五个阶段来分别进行计算与分析。

本文模拟地裂缝与墙体面间夹角α分别为30°，45°，60°，90°时穿越房屋。模拟中土体与筏板采用采用摩尔-库伦塑性(Mohr-Coulomb)模型，而墙体的开裂采用最大拉应力准则[9]，其本构关系见图7，临界开裂应力取材料的抗拉强度。参数取值分别见表2和表3。

表2 建筑物参数Table 2 Parameters of the building

表3 模型土体参数Table 3 Model parameters of soil

图7 墙体材料本构关系Fig.7 Constitutive relation of wall materialsE—弹性模量；Es—拉伸软化模量；σcr—临界开裂应力。

3.3 计算结果及分析

图8～图11中分别给出了α为30°、45°、60°、90°时，房屋的最终塑性破坏图(h表示垂直位移量，s表示水平位移量)。计算结果表明：

地裂缝穿越房屋基础时，墙体的变形破坏开始于二者相交位置，并以斜裂缝的方式向上扩展，其倾向与裂缝倾向相反。当上盘沉降5 cm时，墙体开始出现塑性变形，这与单纯的墙体(下沉2～3 mm时，墙体就会出现裂缝[9])有所差异，这是因为建筑物基础抵抗了部分地基下沉作用，降低了地基沉降的变形破坏效应，同时存在着四周墙体的共同作用，使得这一变形大大降低了。

总体来看，当地裂缝穿越房屋时，房屋的“前、后”墙体的破坏方式与破坏范围有着明显的不同。相比于前墙的变形破坏，后墙的表现出一定的滞后性。当上盘沉降5 cm时，前墙开始出现塑性变形(图12)，而当沉降量达到8 cm时，后墙才显现出塑性区(图13)。而且随着裂缝走向与房屋夹角的增大，这种滞后效应逐渐减弱。

随着地裂缝走向与房屋夹角的增大，墙体水平向的变形破坏范围逐渐变小，而竖直方向上的范围逐渐变大，越来越集中于二者相交位置，当沉降量达到50 cm时，所有后墙的塑性区都延伸到了屋顶。

图8 地裂缝以30°穿越房屋塑性应变区Fig.8 The plastic strain zone of the ground fissure passing through the house at 30 degrees

图9 地裂缝以45°穿越房屋塑性应变区Fig.9 The plastic strain zone of the ground fissure passing through the house at 45 degrees

图10 地裂缝以60°穿越房屋塑性应变区Fig.10 The plastic strain zone of the ground fissure passing through the house at 60 degrees

图11 地裂缝垂直穿越房屋塑性应变区Fig.11 Plastic strain zone when ground fissures pass through houses vertically

图12 前墙塑性区变化曲线图Fig.12 Front wall plastic zone change curve

图13 后墙塑性区变化曲线图Fig.13 Rear wall plastic zone change curve

除了前后墙明显的变形破坏以外，其左右侧墙墙趾处也出现了相应的塑性应变区。这是由于地裂缝走向上的位移产生的弯矩与地裂缝斜向穿越房屋时产生的扭矩共同作用所致，其变形破裂滞后于主墙，而且随着裂缝走向与房屋夹角的增大，侧墙的塑性区逐渐减小，这与房屋破坏的力学机理上表现出一致性。

4 结论与讨论

本文在野外实际调查的基础上，以隆尧地裂缝造成建筑物变形破坏为例，采用Msc marc软件建立三维模型，对地裂缝以不同角度穿越建筑物进行数值模拟，得到如下结论：

(1)地裂缝以不同角度穿越建筑物时，受其三维活动的影响，建筑物“前后”墙体的破坏方式与特征不同，具体表现为后墙的破坏范围大于前墙，但其变形破坏滞后于前墙。

(2)地裂缝以不同角度穿越建筑物时，除了主墙变形破坏外，侧墙墙趾处也会出现不同程度的塑性区且滞后于主墙，表现为随着二者夹角的增大，侧墙的变形破坏程度逐渐减小。

(3)随着地裂缝与建筑物夹角的增大，墙体变形破坏越来越集中于二者相交位置。

对于地裂缝活动，最好的办法是避让，但鉴于隆尧县的实际情况，在无法避让的情况下，应尽量避免建筑物与裂缝小角度相交，并且设置合适的基础与建筑结构(如筏板基础与砌体结构)[10-11]，可以有效的降低地裂缝活动造成的破坏。