生土窑居裂缝成因及治理措施探析

韩永强 ，王 鹏 ，李嘉俊 ，杨 剑

(1.西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021；2.陕西省建筑科学研究院，陕西 西安 710082;3.中铁城建集团北京工程有限公司，北京 100024)

生土窑居裂缝成因及治理措施探析

韩永强1，王 鹏1，李嘉俊2，杨 剑3

(1.西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021；2.陕西省建筑科学研究院，陕西 西安 710082;3.中铁城建集团北京工程有限公司，北京 100024)

生土窑居作为黄土地区使用广泛的民居形式之一，承载着独具特色的居住文化。介绍了几种常见的窑居类型，从生土窑居的裂缝病害入手，根据裂缝发育的形态特征和出现的部位，将裂缝归结为5种形式，并对各类裂缝的成因进行分析，提出比较可靠且简单易行的治理措施，为这一独特的民居建筑形式的保护提供思路。

生土窑居；裂缝；土坯；治理

1 生土窑居的特点

生土窑洞作为黄土地区极具代表性的民居形式，经过数千年的发展和演化，在该地区有着广泛的适用性，在当地人民的生产生活中发挥了重要的作用。生土窑居之所以能存在和发展，与黄河流域的自然地理环境、地质地貌、气候条件、经济资源等有着十分密切的关系。

生土窑居是先民们因地制宜改造自然的产物，作为居住建筑的一种形式，它充分利用了黄土的垂直节理、建造成本低、隔音挡风效果好、冬暖夏凉、节能环保等特点，使建筑材料和建筑形式得到良性循环，符合当前追求的生态建筑和绿色建筑的人居理念，对探索节能建筑的发展有着特殊的意义。由于固有的地域局限，生土窑居也存在一些缺点，如室内空气流通差、光线较暗、雨季潮湿等，尤其是裂缝的发展常威胁着窑洞的安全，为保障住户的生命财产安全，有必要对裂缝成因和治理措施进行深入研究和探讨。

2 生土窑居的类型和构造

实际的生产生活中，劳动人民根据自然环境、地形地貌特征和地方风土的不同，发展了靠崖式、下沉式和独立式三大类窑洞类型[1]。靠崖式窑洞是依山傍崖、沿沟挖洞成窑，其顶部覆土深厚，窑顶大多为陡坡山地，此类窑洞的寿命一般较长，如图1(a)所示。下沉式窑洞在黄土塬区比较常见，在塬区山坡和崖壁起伏较小，就挖地成坑，形成具有独特风格的地下窑院，顶部覆土厚度一般为3 m～4 m，豫西陕州南部的塬区上保存着目前最完整的地坑院村落，如图1(b)所示。独立式窑洞一般是土基石拱或土基砖拱。它在有石材的地方多见，其耐久性好，坚固美观，造价也相应较高，窑洞的覆土一般在1.5m左右，如图1(c)所示。

生土窑居的结构是自撑式土拱结构体系[2]，入口处多用砖或土坯进行支护，其几何尺寸、受力性能、构成方式蕴涵着丰富的建造经验和智慧。组成生土窑居土拱体系的主要结构参数有:窑室跨度(拱跨)、窑洞口高度、侧墙高度、拱矢、覆土厚度、窑腿宽度等。

图1 窑洞类型及构造

3 生土窑居裂缝的形态及成因

3.1 生土窑居裂缝的形态

窑洞在营建和使用过程中，往往会出现各类原生和次生裂缝，如果任由裂缝发展，会给窑洞造成很大的安全隐患，严重时可能导致窑洞的整体坍塌。年久失修且存在裂缝的生土窑居常表现出不同的破坏形式和形态特征，总结各类裂缝的发育形态和表现特征，对裂缝的成因进行分析，针对性地提出防治措施，为后期裂缝的控制和治理提供依据。

生土窑居的裂缝发育形态各异，窑室内部及崖面所表现出来的裂缝大小也有所不同，其分布位置比较有代表性，主要分布在窑室内拱尖纵深线及两边侧壁，崖面则位于窑腿及洞口上部土体，通常裂缝发育形态比较平直且方向性较强。在窑室内部，拱尖轴线方向的裂缝较常见，它是一条沿拱尖走向贯穿窑室进深的平直裂缝，有一定的方向；其次，在距洞口一定范围内有平行于崖面的横向裂缝，其形态一般是绕着拱圈的方向呈圆弧状分布，有着明显的方向性[1]。

3.2 生土窑居裂缝的成因分析

在对豫西几个生土窑居村落进行实地走访调查后，根据窑室裂缝走向、发育状态，可将生土窑居的裂缝分为:纵向、横向、竖向、纵横交叉、拱圈错位等5种裂缝形式，根据这5种裂缝发育形式把生土窑居产生裂缝的原因归结如下。

3.2.1 纵向裂缝

纵向裂缝是指在窑室内垂直于崖面且沿拱尖轴线方向生长的裂缝，主要发生在拱尖附近区域，如图2(a)所示。产生纵向裂缝的原因主要是:窑室内季节性冷暖干湿变化产生的温度裂缝；其次因窑室开挖截面不均匀，窑拱两侧受力异常，致使拱尖受拉而产生裂缝。此类裂缝一般沿拱尖贯穿窑室整个进深，窑拱上方土体在自重作用下互相挤压，故裂缝发育的有限。

3.2.2 横向裂缝

横向裂缝是窑室内平行于崖面方向沿拱圈截面发展的裂缝，多分布与窑室前端一定范围内，如图2(b)所示。该裂缝是崖面土体在常年干湿循环作用下，裂缝贯穿在窑室内的表现，另一方面因黄土垂直节理发育显著，崖壁内部土体对外侧土体的侧压力作用造成的[5]。此裂缝一般贯穿整个窑跨，在调研中发现，此类裂缝若不加以控制，极易发生崖面滑塌的危险。

3.2.3 竖向裂缝

竖向裂缝多呈竖向散布于拱间土体及上部覆土表面，如图2(c)所示。该裂缝的形成与崖面土体干缩及干湿变化有关，崖面长时间与水分和空气充分接触，表面极易风干，干湿交替作用下，表层土不断掉落，表面裂缝在侵蚀后逐渐加深并发展。

3.2.4 纵横交叉裂缝

在窑室内纵横向裂缝交接处的土体受力较脆弱，形成纵横交叉裂缝，该区域的土体极其不稳定，随着时间的推移，十字交叉的裂缝会逐渐贯通，裂缝宽度会不断变大，容易造成土体破碎，产生冒顶现象，破坏窑洞的窑体结构，因此其是纵横向裂缝成因的综合，如图2(d)所示。

3.2.5 拱圈错位裂缝

拱圈错位裂缝是窑拱两侧斜向发展的裂缝，是拱顶变形下沉的预兆，受内部土体相互作用，缝宽不会过大。拱圈错位裂缝是由于开挖窑洞使原有土体产生卸荷作用，两拱肩上受力不一致而引发，其危害较大，裂缝的进一步发展将导致窑洞上方的土体垂直下落，致使窑洞坍塌，此外崖面的干缩也是其形成的诱因，如图2(e)所示。

图2 裂缝位置图

4 生土窑居裂缝的治理

生土窑居在常年的干湿循环作用下，产生的裂缝易与外部贯通，自然状态下窑拱的传力体系被打破，裂缝的进一步发展极易引起窑室结构性损伤，危及窑室整体安全。在对窑室裂缝进行处理时，不仅要关注其使用功能的恢复，更要关注其整体稳定性，同时治理措施应简便易行，尽量不对洞室周围的土体产生扰动和破坏，这是治理生土窑居裂缝的关键问题之一。其次应最大限度地就地取材，使之融入原有的结构中，保持生土窑居原有的风貌[3-4]。以下为实用的生土窑居裂缝治理方法，为类似的问题提供技术参考。

4.1 土坯锢窑

窑居崖壁土体易受雨水侵蚀，若不及时维护，表面裂缝会向其纵深发展，使覆土内部产生较大的位移变形，逐渐发展成贯通的横向裂缝。土坯锢窑是治理横向裂缝的有效方法，将裂缝以外的松动土体切掉，用预制的楔形土坯重新砌筑窑拱加固前脸，保证崖面土体的稳定性。土坯具有一定的强度，利用拱的良好受力机理，通过改善入口处窑拱的受力结构，使上部土体荷载能够均匀地分散传递至地基。

4.2 拱圈裂缝的治理

生土窑居的结构形式是自支撑土拱结构体系，拱圈错位裂缝形成后，其两侧的土体无法正常的传力，窑拱由于此裂缝的存在无法正常工作而失效，此时裂缝至窑脊间的土体会产生下沉而坍塌[7]。生土窑居拱圈错位裂缝的治理方法是:利用楔形土坯和秸秆原料，利用拱的传力原理，去除裂缝两侧的部分土体，然后填充土坯来使窑拱的传力连续，使原来由于裂缝的存在而传力失效的窑拱能够重新工作。具体做法是，先将开裂的土体剔除，用楔形土坯砌筑拱圈，这样不仅可以很好地传递上部土体的压力，还可以减轻干缩和温度应力的影响。

4.3 窑居的局部治理

生土窑居顶部常生长有部分根系发达的植物，如不注意清理，雨水过后，植物汲取雨水使土体由于含水量增加而丧失强度，长年累月作用下，窑室内土体易发生局部坍塌破坏。

窑室内的局部治理方法是采用纵横向组合的杆件对窑拱进行有效的支撑，使窑拱上方部分土体重力，通过横竖支撑传递至窑腿上，横向支撑两端应嵌牢，防止失稳破坏，如图3(a)所示。

窑腿的底部由于紧接窑院的地面，受地表水分迁移及雨水渗透影响，极易受到破坏，在调查中发现，没有经过处理的窑腿，几乎都遭到了不同程度的破坏。窑腿作为窑室传力体系的重要组成，应及时做好防护措施，使其免受侵蚀，确保上部荷载能够有效传递，如图3(b)所示。窑腿部分的治理是采用置换的方法去保护，在窑腿底部一定范围掏去部分土体，通常是50 cm～80 cm高，宽度为一砖厚，开槽不能过大，以免破坏了受力敏感的窑腿而导致其破坏，开槽后用砖把所开的槽填实，所砌的砖与其上的土体能够紧密的接触，从而使其能够充分承担上部的荷载，如图3(c)所示。

图3 局部治理措施

4.4 窑居结构的主动治理技术

除了上述的各种传统的治理方法，现今的窑居治理技术结合了隧道超前加固理念，采用主动的预防措施代替传统的被动补救，使灾害防患于未然。目前常用的主动治理技术有:锚固系统、复合土钉结构和混凝土格梁等方案，其中预应力锚杆柔性支护[6]作为一种先进技术已被应用于生土窑居的建造中，并且得到了很好的效果。这种加固方法根据裂缝的发展形态，通过锚杆承载作用改善塑性区内土体结构应力的分布，减少土拱的荷载效应和应力集中，窑室内面层增设钢筋网片衬砌，控制塑性区的进一步发展，从而使整个系统浑然一体，该加固系统能充分发挥加固土体与支护系统的相互作用[8]，保证窑居的稳定性和安全性，延长窑居的使用年限。

5 结 语

本文通过实地调查，总结了生土窑居裂缝的特征和类型，并通过分析裂缝的成因机理，生土窑居裂缝治理和灾害防治的措施。为延长窑居的使用寿命，传承和保护生土窑居独特的建筑文化提供一些有价值的探索和思考。对研究生土建筑有一定的现实意义，有利于这一古老的传统民居建筑形式的保护和推广，但对生土窑居病害发生机理的理论分析需要进一步加强。

[1] 张延年，张瑞琴，马建飞．生土窑洞现场调查研究[J]．建筑技术，2015，46(5)：424-428.

[2] 童丽萍，韩翠萍．传统生土窑洞的土拱结构体系[J]．施工技术，2008，37(6)：113-115+118.

[3] 陈莉粉．黄土地区窑洞建筑中结构稳定性的研究[D]．西安：西安科技大学，2012：28-29.

[4] 杨亚楠．生土住宅质量通病及预控措施研究[D]．郑州：郑州大学，2012：34-43.

[5] 孟龙，倪万魁，唐丽莎,等．节理对黄土窑洞灾害的影响性研究[J]．工程地质学报，2012，20(S1):102-107.

[6] 姬栋宇．新型加固措施在生土窑洞中的应用[J]．中国建设教育，2012，3(3)：82-84.

[7] 包继宏．土坯墙承重民居加固修复技术与抗震试验研究[D]．西安：西安建筑科技大学，2015：13-18.

[8] 柯垚垚，孙拴虎．窑洞民居形式及加固措施研究[J]．山西建筑，2015,41(35)：3-4.

Analysis on Crack Causes of Cave Dwelling and Its Control Measures

HAN Yongqiang1， WANG Peng1， LI Jiajun2， YANG Jian3

(1.Xi′an Technological University, Xi′an 710021，China；2.Shaanxi Institute of Building Research, Xi′an 710082，China；3.Beijing Engineering Company Limited of China Railway Urban Construction Group, Beijing 100024，China)

Earth-sheltered Dwelling house is one form of the residential which is widely used in loess region, so it is an important carrier of the regional living culture. Several kinds of common type of cave are introduced in the paper. After summarizing Earth-sheltered Dwelling′s advantages and shortages, it is concluded that crack is the biggest threat. According to the appearance features of the crack and the emergence of the site, it will be classified as five forms. After analyzing the causes of various types of cracks, more reliable and simple control measures are put forward. Some suggestions are provided for the protection of this unique residential building form.

earth-sheltered Dwelling; crack; adobe brick; control

2016-12-01

韩永强(1962-) ，男，陕西泾阳人，硕士，教授，主要从事岩土工程和灾害治理方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.01.011

TU36

A

1674-5403(2017)01-0038-04