同　霄，彭建兵,2，喬建偉，王飛永

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

?

不同傾角地裂縫作用下房屋建筑物破壞過程的數(shù)值分析*

同霄1，彭建兵1,2，喬建偉1，王飛永1

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

摘要:我國的地裂縫分布十分廣泛。在快速發(fā)展的城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，地裂縫嚴(yán)重影響著國家建設(shè)和人居安全。根據(jù)大量的地裂縫災(zāi)害調(diào)查，在廣袤的農(nóng)村，地裂縫的主要危害在于其引起的房屋建筑物的破壞。地裂縫的運(yùn)動過程是緩慢的，成災(zāi)過程是漸進(jìn)的，隨著時間的推移，房屋建筑物的破壞程度逐漸加大?；陬w粒流數(shù)值計(jì)算方法，對不同傾角地裂縫作用下房屋建筑物破壞過程進(jìn)行了細(xì)觀數(shù)值分析，這為總結(jié)地裂縫對建筑物的成災(zāi)機(jī)理提供了數(shù)值基礎(chǔ)，也為工程的災(zāi)害預(yù)防提供了新的參考。

關(guān)鍵詞:地裂縫；房屋建筑物；破壞過程；成災(zāi)機(jī)理；顆粒流；數(shù)值分析

地裂縫是一種典型的緩慢變形地質(zhì)災(zāi)害，其致災(zāi)的根本原因在于裂縫形成并到達(dá)或接近地表后，在構(gòu)造蠕滑、地下水抽取及地表水潛蝕等作用下，上下盤相對運(yùn)動而在地表形成的差異形變或不均勻沉降[1-4]。一旦建筑物跨于地裂縫之上，或處于地裂縫兩側(cè)上下盤的差異形變帶內(nèi)時，由此產(chǎn)生的附加內(nèi)力和變形就會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞甚至完全損毀[5-8]。

自1960年以來，我國很多地方，尤其是大華北地區(qū)，相繼發(fā)生數(shù)以千計(jì)的地裂縫，危及到眾多城鄉(xiāng)建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因地裂縫對建筑物破壞所造成的損失已達(dá)數(shù)十億元[9]。以汾渭盆地為例，除了西安、咸陽、大同、太原、臨汾、運(yùn)城等一線二線城市，在廣袤的農(nóng)村也發(fā)育有大量的地裂縫，與農(nóng)民生活息息相關(guān)的正是地裂縫作用下農(nóng)村自建房屋建筑物的安全使用問題、防治避讓等問題。這些問題嚴(yán)重制約著農(nóng)村城鎮(zhèn)化的進(jìn)行，同時也嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉa(chǎn)和生活。

地裂縫帶上的建筑物災(zāi)害受地裂縫產(chǎn)狀和運(yùn)動特征等因素的控制，建筑物本身的體型，采用的地基處理方式，基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)的形式，以及地裂縫通過的部位對建筑物的變形及破壞特征都有一定的影響[10-12]。本文基于顆粒流數(shù)值計(jì)算方法，探討了不同產(chǎn)狀中不同傾角地裂縫對房屋建筑物的破壞過程。

1房屋建筑物的破壞特征

地裂縫作用造成房屋建筑物破壞主要有墻體開裂、門窗變形和地面開裂。圖1~圖3為課題組于2013年7月在山西省運(yùn)城市夏縣進(jìn)行地裂縫災(zāi)害調(diào)查時拍攝到的房屋建筑物的破壞照片。

圖1　墻體開裂

圖2　門窗變形

圖3　地面開裂

圖1是山西省運(yùn)城市夏縣禹王鄉(xiāng)西董村的房屋破壞照片。該房屋新建不久，因位于地裂縫帶上，導(dǎo)致房屋出現(xiàn)了不均勻沉降，墻體上產(chǎn)生了倒八字形裂縫，裂縫穿過窗戶，使窗戶嚴(yán)重變形。圖2是山西省運(yùn)城市夏縣裴介鎮(zhèn)大呂村的房屋門窗破壞照片。圖3是山西省運(yùn)城市夏縣禹王鄉(xiāng)禹王村小學(xué)地面開裂，地裂縫從該小學(xué)教學(xué)樓前的空地斜穿而過，地裂縫兩側(cè)地面產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致水泥地面開裂，嚴(yán)重影響了學(xué)校日常的教學(xué)工作且埋下安全隱患。

2顆粒流方法

本文數(shù)值分析采用PFC2D計(jì)算軟件。PFC2D (Particle Flow Code 2 Dimensions)程序是顆粒流數(shù)值程序之意，是由美國Itasca Consulting Group Inc開發(fā)的數(shù)值軟件，利用顯式差分算法和離散元理論開發(fā)的微/細(xì)觀力學(xué)程序，它是從介質(zhì)的基本粒子結(jié)構(gòu)的角度考慮介質(zhì)的基本力學(xué)特性，并認(rèn)為給定介質(zhì)在不同應(yīng)力條件下的基本特性主要取決于粒子之間接觸狀態(tài)的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發(fā)展問題，以及顆粒的流動(大位移)問題。目前該軟件在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于各研究領(lǐng)域[13]。顆粒流數(shù)值計(jì)算軟件，有三個顯著的優(yōu)點(diǎn)。①它有潛在的高效率。因?yàn)閳A形物體間的接觸探測比角狀物體間的更簡單。②對可以模擬的位移大小實(shí)質(zhì)上沒有限制。③由于它們是由黏結(jié)的粒子組成，塊體可以破裂。綜合這些因素，采用顆粒流軟件計(jì)算地裂縫活動下建筑物變形破壞是合理的。

3數(shù)值分析

3.1建模思路

根據(jù)地裂縫災(zāi)害調(diào)查時對村民的詢問得知，現(xiàn)在農(nóng)村自建房，一般墻體采用的是砌體結(jié)構(gòu)，又稱磚石結(jié)構(gòu)。砌體的抗壓強(qiáng)度較高而抗拉強(qiáng)度很低，因此，砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要承受軸心或小偏心壓力，而很少受拉或受彎。一般地基采用無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)，是由磚、三合土、灰土、毛石、混凝土等材料組成的墻下條形基礎(chǔ)。這類基礎(chǔ)的材料抗壓強(qiáng)度較高，但抗拉和抗彎能力較低，容易被拉裂，屬于淺基礎(chǔ)類型。本文數(shù)值計(jì)算采用的模型幾何示意圖如圖4所示。土體尺寸為10 m×5 m，地基為條形基礎(chǔ)，尺寸為8 m×0.5 m，建筑物墻體為磚墻，尺寸為5 m×3 m。

圖4　房屋建筑物的幾何示意圖

在PFC2D中，顆粒組成的各種物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)是由顆粒間的接觸模型來決定的，接觸模型分為剛度模型、滑動模型、黏結(jié)模型。剛度模型是接觸力和相對位移之間的彈性關(guān)系；滑動模型是在法向力和切向力之間建立的兩個接觸球體相對運(yùn)動的關(guān)系；黏結(jié)模型限定了法向力和切向力的合力的最大值。剛度模型分為兩種：線性模型和Hertz-Mindlin模型?；瑒幽Ｐ褪莾蓚€接觸實(shí)體的內(nèi)在特性，采用限制剪切力的方式，在張拉時無法向強(qiáng)度，并允許滑動。該模型總是激活的，除非設(shè)置了接觸黏結(jié)?；瑒幽Ｐ筒捎媚Σ料禂?shù)來定義。摩擦系數(shù)采用兩個接觸實(shí)體中最小的那個摩擦系數(shù)。黏結(jié)模型主要有兩種：接觸黏結(jié)模型、平行黏結(jié)模型。接觸黏結(jié)模型是點(diǎn)接觸，可以得到一個力；平行黏結(jié)模型是有限尺寸(圓形或矩形截面)上的平行粘結(jié)，可以得到一個力和一個力矩。兩種模型可以同時激活。本文數(shù)值計(jì)算中選取的是線性模型和接觸黏結(jié)模型。對于顆粒本身而言，有兩個需要確定的參數(shù)：顆粒半徑/m和顆粒的密度/(kg·m-3)。顆粒的半徑越小，和實(shí)際物質(zhì)的尺寸越接近，計(jì)算結(jié)果越真實(shí)，但是由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的限制，采用較小的顆粒半徑建立的模型運(yùn)算耗時巨大，本文通過多次試算，當(dāng)半徑為0.025 m時，既能保證運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能在較短的時間內(nèi)計(jì)算得到結(jié)果；三種不同材料的顆粒密度通過土工試驗(yàn)確定得到。在接觸黏結(jié)模型中，有四個參數(shù)需要確定：法向剛度kn/(N·m-1)、切向剛度ks/(N·m-1)、法向黏結(jié)強(qiáng)度n_bond/N和切向黏結(jié)強(qiáng)度s_bond/N。顆粒的剛度分為法向和切向，剛度是指材料在受力時抵抗彈性變形的能力，是材料彈性變形難易程度的表征。通過材料的彈性模量可計(jì)算得到材料的剛度[14]，在確定了剛度參數(shù)后，對于強(qiáng)度參數(shù)的確定，在顆粒流中稱為標(biāo)定。一般采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)對比擬合的方法來確定強(qiáng)度參數(shù)。不斷嘗試調(diào)整n_bond和s_bond的取值，當(dāng)數(shù)值計(jì)算模擬的曲線和試驗(yàn)曲線吻合為止。本文通過標(biāo)定得到的黃土黏結(jié)強(qiáng)度參數(shù)，鋼筋混凝土攪拌樁的黏結(jié)強(qiáng)度為2.0×105/N[15]，采用強(qiáng)度等比縮小的方法確定墻體和基礎(chǔ)的黏結(jié)強(qiáng)度，數(shù)值計(jì)算的取值如表1所示。

為了模擬地裂縫運(yùn)動情況，分別在土體模型的兩端施加X方向水平位移約束，以實(shí)現(xiàn)模擬在水平向相對靜止的土體，在地裂縫下盤底部施加Y方向即豎直向位移約束作為不動盤，而在地裂縫上盤施加強(qiáng)制位移來控制和模擬地裂縫上盤的下降過程和垂直位移量。在土體中設(shè)置一條地裂縫，傾角分別為30°、60°、90°，地裂縫左側(cè)為下盤，右側(cè)為上盤。開始模擬試驗(yàn)后，上盤每天勻速下降3 cm，下降過程在1 h中完成，穩(wěn)定23 h后，再進(jìn)行下一次下降。下降過程為10 d，共下降30 cm，下降結(jié)束后繼續(xù)計(jì)算直到建筑物不發(fā)生變化為止，觀察墻體的破壞過程，三種不同傾角的地裂縫數(shù)值模型如圖5所示。

3.2結(jié)果分析

圖6是三種工況的計(jì)算結(jié)果匯總，其中a~c

為地裂縫傾角為30°時上盤沉降量分別為3 cm、15 cm和30 cm的模型接觸圖。d~f為地裂縫傾角為60°時上盤沉降量分別為3 cm、15 cm和30 cm的模型接觸圖。h~j為地裂縫傾角為90°時上盤沉降量分別為3 cm、15 cm和30 cm的模型接觸圖。隨著地裂縫的不斷運(yùn)動，試驗(yàn)第1 d結(jié)束后，沉降為3 cm，三種工況下墻體都發(fā)生了傾斜，地基在上盤土體這一側(cè)發(fā)生了脫空，三種工況下墻體和地基都沒有發(fā)生破壞。試驗(yàn)第5 d結(jié)束后，沉降為15 cm，90°地裂縫的墻體右下角發(fā)生破裂，三種工況下墻體傾斜加劇，地基脫空程度變大。實(shí)驗(yàn)第10d結(jié)束后，沉降為30cm，90°地裂縫的地基中部由于抗彎抗拉強(qiáng)度低，發(fā)生了拉張破壞，90°地裂縫的墻體右側(cè)的裂口不斷張開，破壞嚴(yán)重。60°地裂縫的墻體中部發(fā)生破壞。30°地裂縫的墻體中部也出現(xiàn)較小的裂紋。

通過數(shù)值計(jì)算可以看出，對于無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)這類以脆性變形為主的基礎(chǔ)，隨著地裂縫的運(yùn)動，由于地裂縫兩側(cè)的土體發(fā)生不均勻沉降，地基首先發(fā)生傾斜，進(jìn)一步發(fā)生彎曲，當(dāng)沉降量越來越大時，地基在上覆建筑物荷載和自身重力的作用下發(fā)生破壞。破壞主要以張拉破壞為主。砌體結(jié)構(gòu)的墻體隨著沉降量的增加，首先發(fā)生傾斜，當(dāng)傾斜達(dá)到一定角度時，墻體在底部產(chǎn)生拉張破裂，破裂會隨著沉降的發(fā)生而越來越嚴(yán)重，延伸至墻體頂端或向著墻體內(nèi)部發(fā)展。

在三種工況中，傾角90°的墻體和地基破壞程度最為嚴(yán)重，傾角30°的墻體和地基破壞程度最輕。這是由于地裂縫兩側(cè)的土體是不均勻沉降，在地裂縫兩側(cè)的土體相對運(yùn)動的過程中，地裂縫作為接觸面，會產(chǎn)生摩擦力，摩擦力會減弱上盤的下降趨勢，同時摩擦力也減弱了下盤相對的上升趨勢。正是因?yàn)檫@個摩擦力的存在，一般在地表監(jiān)測地裂縫活動速率為0.1 cm/年至10 cm/年，而實(shí)際下部斷層的活動速率要大于地表監(jiān)測的數(shù)據(jù)。在開挖的探槽剖面中可以看出，地表處的位錯小，而下部的位錯較大，這也是由于接觸面的摩擦力造成的。對于不同傾角的地裂縫，傾角越大，接觸面越小，受摩擦力的影響越小，在相同的沉降速度下，地表沉降量越大，地裂縫兩側(cè)土體不均勻沉降越大，建筑物的破壞程度越嚴(yán)重。反之，傾角越小，接觸面越大，受摩擦力的影響越大，在相同的沉降速度下，地表沉降量越小，地裂縫兩側(cè)土體不均勻沉降越小，建筑物的破壞程度越輕微。圖7是三種工況地面不均勻沉降的對比圖，可以清楚地看出90°地裂縫的地面不均勻沉降最大，30°地裂縫的地面不均勻沉降最小。所以在沉降速度一致，建筑物強(qiáng)度相同的情況下，地裂縫傾角越大，對建筑物的破壞程度越大。

表1　數(shù)值計(jì)算參數(shù)

圖5　傾角分別分30°、60°、90°的三種地裂縫數(shù)值模型

圖6　地裂縫作用下房屋建筑物的破壞過程

圖7　三種工況地面不均勻沉降對比

圖8為假設(shè)地裂縫停止運(yùn)動，繼續(xù)計(jì)算直到建筑物不發(fā)生變化為止，墻體和地基的破壞形態(tài)。對比圖6可以看出，傾角30°的建筑物沒有發(fā)生明顯變化。傾角60°的地基在上盤的部位發(fā)生拉張斷裂，墻體中部的裂縫水平延伸，并且產(chǎn)生了兩條近平行的裂縫。傾角90°的地基在上盤的部位也發(fā)生拉張斷裂，墻體右側(cè)的裂縫一條垂直向上部延伸，一條水平向墻體內(nèi)部延伸，這兩條裂縫呈90°分布。雖然地裂縫停止運(yùn)動，但是地基和墻體已經(jīng)發(fā)生了傾斜、彎曲、甚至細(xì)小的破裂，這些變形會隨著時間的增加而加劇，所以當(dāng)?shù)亓芽p減慢運(yùn)動或者停止運(yùn)動后，未破壞的建筑物仍然可能在未來的時間內(nèi)發(fā)生破壞。

圖8　三種工況建筑物的最終破壞形態(tài)

4結(jié)論

本文在地裂縫災(zāi)害調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用顆粒流對不同傾角的地裂縫對建筑物的破壞過程進(jìn)行了數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

(1)由于地裂縫上、下盤相對位錯而導(dǎo)致地裂縫帶內(nèi)土體不均勻沉降，這是造成建筑物的破壞的主要原因。

(2)一般農(nóng)村采用無筋擴(kuò)展的墻下條形基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)亓芽p帶通過建筑物時，隨著地裂縫的運(yùn)動，地基首先發(fā)生彎曲，進(jìn)一步發(fā)生拉張破壞。

(3)一般農(nóng)村采用砌體結(jié)構(gòu)的墻體，當(dāng)?shù)亓芽p帶通過建筑物時，隨著地裂縫的運(yùn)動，墻體發(fā)生傾斜，然后在墻體底部產(chǎn)生拉張裂紋，裂紋會擴(kuò)大并延伸。

(4)傾角為30°、60°、90°的三種工況下，傾角為90°的地裂縫對建筑物的破壞程度嚴(yán)重，傾角為30°的地裂縫對建筑物的破壞程度輕微。

(5)農(nóng)村采用的砌體結(jié)構(gòu)和無筋擴(kuò)展的墻下條形基礎(chǔ)的材料抗壓強(qiáng)度高，而抗拉、抗剪強(qiáng)度較低，即剛性材料。在地裂縫的運(yùn)動過程中建筑物易發(fā)生彎曲、傾斜、拉張破壞，為了避免這一情況的發(fā)生，基底寬度要大于上部墻寬，且為了保證基礎(chǔ)不被拉張破壞，基礎(chǔ)必須具有相應(yīng)的高度?；蛘咴诮?jīng)濟(jì)條件允許的情況下，可采用非剛性材料或柔性材料，即鋼筋混凝土基礎(chǔ)，從而保證房屋建筑物長期、安全的使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭建兵,張勤,黃強(qiáng)兵,等. 西安地裂縫災(zāi)害[M]. 北京:科學(xué)出版社,2012.

[2]王景明. 地裂縫及其災(zāi)害的理論與應(yīng)用[M]. 西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2000.

[3]彭建兵,張俊,蘇生瑞,等. 渭河盆地活動斷裂與地質(zhì)災(zāi)害[M]. 西安:西北大學(xué)出版社.1992.

[4]孫曉涵,彭建兵. 清徐縣地裂縫活動與地下水開采定量關(guān)系[J]. 災(zāi)害學(xué),2015,30(4):107-112.

[5]王景明,王春梅,劉科.地裂縫及其災(zāi)害研究的新進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2001,16(3):303-313.

[6]趙其華,王蘭生.構(gòu)造重力擴(kuò)展機(jī)制的地質(zhì)力學(xué)模擬研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),1995,3(1):21-27.

[7]盧全中,彭建兵,范文,等.陜西三原雙槐樹地裂縫的發(fā)育特征[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2007, 15 (4):458-462.

[8]李永善,李金正,武旭東,等. 西安地裂縫[M]. 北京:地震出版社,1986.

[9]彭建兵.中國活動構(gòu)造與環(huán)境災(zāi)害研究中的若干重大問題[J].工程地質(zhì)報(bào),2006,14(1):5- 12.

[10]張家明. 西安地裂縫研究[M]. 西安:西北大學(xué)出版社,1990.

[11]劉玉潔,聶忠權(quán),張駿,等. 斷裂錯動引起上覆土體的破裂效應(yīng)研究[J].公路交通科技, 2005, 22(9):78-80.

[12]黃強(qiáng)兵,彭建兵,閆金凱,等. 地裂縫活動對土體應(yīng)力與變形影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2009,30(4) : 903-908.

[13]Itasca Consulting Group. PFC2D user’s manual (version3.1)[R]. Itasca Consulting Group Inc., Minneapolis ,2004.

[14]McGuire W and R H Gallagher. Matrix structural analysis[M]. New York: John Wiley & Sons, 1979:87.

[15]賈敏才,王磊,周健. 基坑開挖變形的顆粒流數(shù)值模擬[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2009, 37(5): 612-617.

TheNumericalAnalysisoftheBuildingFailureProcessundertheActionofDifferentAngleGroundFissures

Tong Xiao1, Peng Jianbing1, 2, Qiao Jianwei1and Wang Feiyong1

(1.CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China;2.KeyLaboratoryofWesternMineralResourcesandGeologicalEngineeringofMinistryofEducation,Xi’an710054,China)

Abstract:The distribution of ground fissures in our country is very extensive. In the process of rapid urbanization, the ground fissure seriously affected the national habitat construction and safety. According to a lot of ground fissure disaster investigation, in the vast rural areas, the main hazards of ground fissure is due to the destruction of the houses and buildings. The motion process of ground fissure is slow, the disaster process is gradual, with the passage of time, and damage degree of buildings is gradually increasing. Based on particle flow numerical calculation method, we analyze the failure process of buildings under different angle ground fissures, which provides a numerical evidence to summarize the mechanism of ground fissures on buildings, and also a new reference for engineering disaster prevention.

Key words:ground fissure; building; failure process; disaster mechanism; particle flow code; numerical analysis

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.02.008

中圖分類號：X43;U57.2;TU311.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)02-0037-06

基金項(xiàng)目：國土資源大調(diào)查項(xiàng)目(1212011120067)

作者簡介：同霄(1987-)，男，陜西三原人，博士研究生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害方面的科研工作. E-mail:tong@chd.edu.cn通訊作者：彭建兵(1953-),男，湖北麻城人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事工程地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害研究.E-mail:dicexy_1@chd.edu.cn

*收稿日期：2015-09-18修回日期：2015-11-14

同霄，彭建兵，喬建偉，等. 不同傾角地裂縫作用下房屋建筑物破壞過程的數(shù)值分析[J].災(zāi)害學(xué), 2016,31(2):37-41,46.[Tong Xiao, Peng Jianbing, Qiao Jianwei,et al. The Numerical Analysis of the Building Failure Process under the Action of Different Angle Ground Fissures[J].Journal of Catastrophology, 2016,31(2)：37-41,46.]