高幸, 王維玉

(1.大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，大連 116024；2.河北省建筑科學研究院有限公司, 石家莊 050021)

碹窯民居是一種上部為土坯結(jié)構(gòu)下部為夯土結(jié)構(gòu)的生土建筑，素有“冬暖夏涼神仙洞“的美稱。偏居一隅的碹窯建筑群落靜靜地矗立于冀北黃土高原之上，歷經(jīng)著千百年來的風風雨雨。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程的加速推進，大量務工人員從農(nóng)村涌入城市，常年居住在外，碹窯民居無法得到妥善維護，大量窯居發(fā)生局部破壞甚至坍塌[1]。為了傳承碹窯民居的歷史文化，保護居民的生命財產(chǎn)安全，有必要加強碹窯建筑研究，對其實施進一步加固改造。

目前，已有部分學者通過實地調(diào)研、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等手段對生土窯居的破壞模式進行深入研究。肖元飛等[2]通過現(xiàn)場調(diào)查將黃土窯洞的破壞模式概括為裂縫、窯洞冒頂和窯洞崩塌3種模式，并用數(shù)值軟件模擬了窯洞破壞的演化過程。高幸等[3]調(diào)研發(fā)現(xiàn),碹窯破壞形式主要為窯頂塌落、窯鼻與窯頂連接處破壞、窯臉前傾倒塌等，并進行了動力試驗研究。胡曉峰等[4]根據(jù)實地勘察及文獻查閱，歸納了窯居的主要破壞類型包括地基破壞、窯腿殘損、窯臉殘損、拱頂殘損及窯頂殘損等。上述成果為生土窯居的加固改造奠定了良好的研究基礎。

現(xiàn)今，針對生土結(jié)構(gòu)的研究主要從以下兩方面展開，一方面是對生土材料的改性處理，另一方是對生土結(jié)構(gòu)的加固改造。生土材料的改性方式包括物理改性和化學改性，張坤等[5]提出了以濃度為3%的糯米漿作為黏結(jié)劑，河砂作為改性添加材料制備的生土試件的力學性能得到有效提升。王毅紅等[6]提出了礫石與水泥對生土材料的改性配方，發(fā)現(xiàn)礫石含量低于8%時，摻入水泥可顯著提升材料抗壓性能。錢覺時等[7]基于石膏粉煤灰對生土材料改性處理，并進一步摻加了聚羧酸減水劑，試驗表明材料的力學性能與耐水性能顯著提高。Savary等[8]通過激光輻射的方式提升了土坯的抗壓與抗折強度，但土坯的抗彎性能未得到明顯改善。Degirmenci[9]針對生土材料抗水能力差的缺點，提出廢磷石膏改性生土的方法，提升其力學性能和抗水能力的同時可減少環(huán)境污染。許多學者針對生土結(jié)構(gòu)的加固改造研究，Bossio等[10]提出了土工格柵加固土坯墻的方法，并通過動力試驗證實該加固措施的有效性。Meybodian等[11]提出了利用當?shù)乜沙掷m(xù)的天然材料對土坯墻體進行加固補強，試驗結(jié)果表明，天然補強材料可有效改善土坯墻體的抗震性能。Banadaki等[12]提出了土坯表面采用鋼筋加固的方法，該方法不僅能有效加固既有土坯墻，還能將嚴重受損的土坯墻進一步修復。郭平功[13]研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋網(wǎng)噴射混凝土襯砌加固既有窯居可有效提升其穩(wěn)定性。胡曉峰等[4]針對黃土窯洞的相關(guān)病害提出了型鋼內(nèi)支架加固、帶鍵鋼梁+鋼拱架加固等系列支護方法。

現(xiàn)基于碹窯民居的結(jié)構(gòu)特點，針對碹窯民居的破壞形式，借鑒已有加固技術(shù)，提出了鋼筋混凝土襯砌聯(lián)合錨桿的支護方法。以數(shù)值模擬為研究手段[14-16]，對加固后碹窯的力學行為、穩(wěn)定性能及加固體系的力學機制進行全面研究。研究成果對于碹窯民居加固設計、施工具有指導性意義。

1 碹窯民居破壞形式及加固方法

碹窯民居作為黃土高原的特有產(chǎn)物，有著與“地坑窯”“靠山窯”相似的建筑特點，同時又具備了有別于“地坑窯”“靠山窯”的結(jié)構(gòu)形式。如圖1所示，現(xiàn)有碹窯建筑多為一窯三孔構(gòu)架，其中位于正中位置的窯孔為正窯，兩側(cè)窯孔為配窯，正窯與配窯之間墻體開孔作為連通。碹窯民居的承重結(jié)構(gòu)包括窯腿、窯鼻和窯頂，窯臉為非承重結(jié)構(gòu)，碹窯結(jié)構(gòu)中，窯腿、窯鼻為黃土夯筑而成，窯頂與窯臉為土坯砌筑而成。碹窯窯跨為2.8 m，矢拱高度為1.4 m，窯頂覆土厚度為0.6 m，窯腿與窯鼻高度為1.2 m，寬度分別為1.2、0.6 m。

圖1 碹窯民居示意圖

1.1 碹窯民居破壞形式

碹窯民居修筑過程無需一磚一瓦，不用一椽一梁，僅用黃土作為唯一建筑材料，但積年累月，黃土材料在人為作用及自然因素影響下強度降低，進而引起碹窯穩(wěn)定性減弱，發(fā)生局部或整體破壞。經(jīng)大量現(xiàn)場走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，碹窯破壞部位主要位于窯臉、拱頂、窯腿、窯鼻及土坯與夯土結(jié)構(gòu)接觸面。

1.1.1 窯臉部位破壞

①窯臉面層侵蝕剝落：由于窯臉常年暴露于外界環(huán)境中，在大風侵蝕、雨水沖刷、凍融交替的自然環(huán)境下，極易發(fā)生外部面層剝落；②窯臉前傾倒塌：窯臉為碹窯主體結(jié)構(gòu)建造完成后，二次砌筑而成，其整體性較強、強度較高，但與主體結(jié)構(gòu)間無有效連接，在外界擾動下易發(fā)生前傾甚至倒塌。

1.1.2 窯拱部位破壞

①拱頂縱向裂縫：拱券作為碹窯的主要傳力結(jié)構(gòu)，在重力作用下，其頂部發(fā)生下沉，拱頂下表面受拉破壞，出現(xiàn)縱向貫通裂縫甚至發(fā)生坍塌；②窯拱節(jié)理裂縫：窯頂為土坯錯落砌筑而成，受室內(nèi)溫差及人為活動影響，土坯間反復擠壓-松弛，此過程中沿相鄰土坯交縫處出現(xiàn)節(jié)理狀裂縫。

1.1.3 窯腿及窯鼻部位破壞

窯腿與窯鼻為夯土結(jié)構(gòu)，整體性好、強度高，且窯腿與窯鼻底部基礎亦為黃土夯筑而成，不易發(fā)生不均勻沉降。其破壞形式多為人類活動對內(nèi)部面層的損傷及復雜氣象條件對外部面層的剝蝕。

1.1.4 夯土與土坯結(jié)構(gòu)接觸面部位破壞

窯頂拱券結(jié)構(gòu)傳力時，對接觸面產(chǎn)生較大側(cè)向推力，接觸面所受切應力增大，產(chǎn)生較大切向形變，甚至發(fā)生屈服滑移，由此在夯土與土坯結(jié)構(gòu)臨界處出現(xiàn)貫通裂縫。

1.2 碹窯民居加固方案

參考現(xiàn)有生土民居的加固措施，結(jié)合碹窯民居破壞特點，針對碹窯民居的承重結(jié)構(gòu)，提出一種切實有效的加固方案，以提高碹窯民居的穩(wěn)定性能。

該加固方案借鑒了隧道支護常用的新奧法施工技術(shù)，通過鋼筋混凝土襯砌聯(lián)合錨桿對碹窯民居實施加固[17-18](圖2)，具體施工工藝如下。

圖2 碹窯民居加固示意圖

(1)修整碹窯民居內(nèi)部墻體面層。

(2)噴射第一層混凝土，混凝土型號為C20細石混凝土，面層厚度為40 mm。

(3)安設錨桿，包括錨桿定位、錨桿鉆孔、置入鋼筋、錨桿注漿等，錨桿為Φ10 mm螺紋鋼筋，預應力錨桿與非預應力錨桿的長度分別為700、400 mm，注漿材料宜為(0.45～0.55)∶1的水泥凈漿。

(4)綁扎鋼筋網(wǎng)、加強筋，鋼筋網(wǎng)為Φ10 mm@200，非預應力錨桿與加強筋焊接，預應力對拉錨桿兩側(cè)安裝墊板并施加預應力。

(5)噴射第二層混凝土面層至100 mm，并完成養(yǎng)護。

2 碹窯民居加固模型建立

建立圖3所示的數(shù)值模型，其中碹窯民居生土建筑材料的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型，土坯結(jié)構(gòu)與夯土結(jié)構(gòu)交界位置處設置接觸面，土坯、夯土、接觸面的材料參數(shù)如表1所示。碹窯加固體系中，襯砌采用shell結(jié)構(gòu)單元模擬，錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬，shell單元與cable單元間建立link連接，襯砌結(jié)構(gòu)與錨桿結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表2所示。為還原碹窯民居真實邊界狀態(tài)，建筑模型四周及頂部不設置約束條件，模型計算時不考慮外界荷載作用。

圖3 碹窯民居加固數(shù)值模型

表1 碹窯材料參數(shù)

表2 加固體系材料參數(shù)

3 加固碹窯民居力學行為及穩(wěn)定性分析

3.1 加固碹窯民居力學行為分析

碹窯民居應力云圖如圖4所示，對比加固前后的應力云圖可以看出，加固結(jié)構(gòu)改變了原有碹窯民居的應力分布形式與傳力機制，未加固碹窯民居應力云圖中，拱腳部位與窯鼻、窯腿上部應力連續(xù)，可見窯頂重力先由拱券結(jié)構(gòu)傳遞至拱腳進而傳遞至窯鼻、窯腿；而碹窯民居加固后，拱腳部位的應力明顯減小，較大應力出現(xiàn)于窯鼻、窯腿結(jié)構(gòu)的中、下部位，其原因為加固體系中襯砌對碹窯具有支撐作用，由于鋼筋混凝土襯砌相對于拱券結(jié)構(gòu)，其強度高、彈模小，當拱頂發(fā)生下沉時會成為首要受力構(gòu)件，為窯頂重力提供了一個新的傳力路徑，窯頂重力可沿襯砌結(jié)構(gòu)直接傳遞至窯鼻、窯腿等承重結(jié)構(gòu)，改變了原有拱券傳力的機制。

圖4 碹窯民居應力云圖

圖5為加固前后碹窯民居應變增量云圖，加固前，最大應變增量位于拱頂部位并從窯臉前側(cè)沿進深方向至窯背延展，應變增量沿拱券形成不規(guī)則的拱狀云圖，窯拱為荷載作用下的主要應變增加區(qū)域。加固后，由于襯砌結(jié)構(gòu)的支撐作用，限制碹窯拱頂下沉，拱頂應變增量顯著減小，最大應變增量位置發(fā)生后移，出現(xiàn)于無襯砌作用的窯背部位，同時，左、右窯孔的窯頂外側(cè)應變增量有所增大。

圖5 碹窯民居應變增量云圖

圖6為土坯結(jié)構(gòu)與夯土結(jié)構(gòu)接觸面的切應力云圖，可以看出，加固前后，接觸面的切應力大小與分布均發(fā)生較大變化，未加固時接觸面最大切應力為40.3 kPa，而加固后接觸面最大切應力為12.2 kPa，兩者相差約3.3 倍，加固體系有效減小了接觸面的剪切應力，防止碹窯結(jié)構(gòu)體系中較為薄弱的接觸面發(fā)生剪切滑移破壞。加固前，最大切應力位于左、右窯腿接觸面的內(nèi)側(cè)，加固后最大切應力的位置外移，居于左、右窯腿接觸面的中間部位且不連續(xù)。分析其原因為未加固時，荷載作用下的拱腳對窯腿產(chǎn)生較大的側(cè)向推力，由此窯腿接觸面內(nèi)側(cè)的切應力較大；加固后，襯砌與拱券共同承受荷載作用，拱腳的側(cè)向推力作用點由最內(nèi)側(cè)外移至窯腿接觸面的中間部位，同時在兩側(cè)錨桿的錨拉作用下，進一步減小窯腿接觸面的切應力，起到更好的防護作用。窯鼻與窯頂在混凝土襯砌及預應力對拉錨桿的約束下，產(chǎn)生較小滑移或相對滑動趨勢，窯鼻接觸面的切應力趨近于0。

圖6 接觸面切應力云圖

圖7為土坯結(jié)構(gòu)與夯土結(jié)構(gòu)接觸面的正應力云圖，碹窯加固前，最大正應力為195.6 kPa，位于獨立窯鼻接觸面，碹窯加固后，最大正應力減小為69.9 kPa，最大正應力位置從窯鼻內(nèi)側(cè)向接觸面外緣延展，位于窯腿及窯背接觸面外側(cè)。根據(jù)正應力云圖分析，加固前后正應力的分布及大小變化主要基于襯砌的支撐作用，錨桿的錨拉作用對接觸面正應力的影響有限。

圖7 接觸面正應力云圖

3.2 加固碹窯民居穩(wěn)定性分析

強度折減法是生土窯居穩(wěn)定性計算的常用方法，通過對生土材料的粘聚力與內(nèi)摩擦角等比例折減，得到生土窯居的穩(wěn)定性系數(shù)，其中黏聚力與內(nèi)摩擦角的折減公式見式(1)。強度折減法的失穩(wěn)判定標準為：①某監(jiān)測點位移值發(fā)生突變；②模型塑性區(qū)出現(xiàn)貫通；③數(shù)值計算結(jié)果不收斂。

(1)

式(1)中：Ftrial為折減系數(shù)；c為折減前黏聚力，kPa；ctrial為折減后黏聚力，kPa；φ為折減前內(nèi)摩擦角，(°)；φtrial為折減后內(nèi)摩擦角，(°)。

選取碹窯跨中部位拱頂前側(cè)位置處作為豎向位移監(jiān)測點，繪制圖8所示的位移隨強度折減系數(shù)變化曲線，可以看出，加固前、后監(jiān)測點的沉降速率均隨強度折減系數(shù)的增大開始基本不變隨后呈逐漸增大的趨勢，但后期增大趨勢存在明顯差別，加固前，強度折減系數(shù)為1.6～1.8時，豎向位移量出現(xiàn)“斷崖式”下降，而加固后，監(jiān)測點的沉降量隨強度折減系數(shù)的增大逐步增大，并未存在位移突變。加固前、后的最大強度折減系數(shù)差異巨大，加固前的最大強度折減系數(shù)為2.0，加固后的最大強度折減系數(shù)為5.6，約為加固前的2.8 倍，可見加固體系極大提升了碹窯民居的穩(wěn)定性能。

碹窯民居最大強度折減系數(shù)的位移云圖如圖9所示，可以看出，加固前、后碹窯民居的破壞位置與失穩(wěn)形態(tài)發(fā)生明顯變化。加固前，跨中窯頂部位的位移量最大，此處最先發(fā)生開裂坍塌；加固后，由于混凝土襯砌的支撐作用及錨桿的錨固作用，碹窯內(nèi)部穩(wěn)定性增加，拱頂位移量減小，破壞位置逐漸向碹窯建筑邊緣移動，最終在后側(cè)窯頂?shù)慕遣砍霈F(xiàn)最大位移并發(fā)生破壞。此破壞形態(tài)也進一步闡明了圖8中加固前拱頂監(jiān)測點發(fā)生位移突變而加固后拱頂監(jiān)測點位移有序增大的原因。

圖8 監(jiān)測點位移隨強度折減系數(shù)變化

圖9 最大強度折減系數(shù)下碹窯位移云圖

4 加固體系變形特性及力學機制

鋼筋混凝土襯砌的位移分布如圖10所示，沿中孔軸線方向左、右均勻?qū)ΨQ，中間窯孔襯砌的前側(cè)頂部位移量達到最大，約為1.31×10-2m，并沿x方向由中間向兩側(cè)，位移量逐漸減小，左、中、右三孔襯砌沿進深方向的位移值亦逐步減小，在左、右窯孔的外側(cè)后端底部位移量達到最小值，約為7.62×10-2m。

圖10 襯砌結(jié)構(gòu)位移云圖

圖11為襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩圖，可以看出，中孔襯砌的拱腳部位及橫向過道的拱頂部位具有較小的負彎矩，左、右窯孔襯砌的外側(cè)拱腳部位具有較大的負彎矩，而最大正彎矩位于左、右窯孔襯砌的拱頂及窯腿位置處。襯砌結(jié)構(gòu)施工時，應對左、右窯孔的拱頂、外側(cè)拱腳及窯腿部位的鋼筋網(wǎng)進行合理加密，以抵抗較大的彎矩荷載。

圖11 襯砌結(jié)構(gòu)彎矩云圖

從圖12中可以看出，位于碹窯外側(cè)拱腳錨桿的軸力較大，位于窯腿部位的錨桿軸力較小，其原因是荷載作用下，拱腳部位產(chǎn)生側(cè)向位移較大，錨桿為控制位移發(fā)展提供錨拉約束，進而產(chǎn)生較大軸力，由于上部土坯結(jié)構(gòu)與下部夯土結(jié)構(gòu)間的接觸面較為薄弱，切應力自上而下無法有效傳遞，致使窯腿位移量減小，錨桿錨拉作用減弱，錨桿軸力減小。碹窯兩側(cè)拱腳處錨桿軸力沿進深方向的變化規(guī)律為先增大再減小，位于最深處的錨桿軸力達到最大值；碹窯窯腿的錨桿軸力沿進深方向呈內(nèi)、外兩側(cè)較大，中間部位較小的分布趨勢。

1～8為監(jiān)測點

5 結(jié)論

研究了碹窯民居常見破壞形態(tài)，針對性地提出了鋼筋混凝土襯砌與錨桿聯(lián)合支護技術(shù)，對加固后碹窯的力學行為、穩(wěn)定性能及加固體系的力學機制進一步分析，得出以下結(jié)論。

(1)加固結(jié)構(gòu)改變了碹窯原有拱券傳力機制，當碹窯發(fā)生變形時，襯砌作為首要傳力結(jié)構(gòu)，提供了一個新的傳力路徑。

(2)加固結(jié)構(gòu)有效減小了接觸面的切向應力，應力值從40.3 kPa降低至12.2 kPa，同時改變了切應力的分布形式，最大切應力位置從接觸面內(nèi)側(cè)外移至中間部位，加固結(jié)構(gòu)對接觸面起到較好的防護作用。

(3)碹窯加固后，最大強度折減系數(shù)從2.0增加至5.6，穩(wěn)定性能顯著提升；同時，碹窯最終破壞位置及失穩(wěn)形態(tài)發(fā)生改變，由拱頂下沉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)楦G頂后側(cè)角部塌落破壞。

(4)襯砌結(jié)構(gòu)左、右兩側(cè)窯孔的拱頂及窯腿位置處正彎矩較大，拱券的拱腳位置處負彎矩較大，應對該部位鋼筋網(wǎng)進行加密處理，以抵抗較大彎矩荷載。