黄土丘陵区废弃窑洞稳定性及拆除技术研究

2018-07-03雷光宇

山西建筑 2018年14期

雷光宇

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710075)

0 引言

由于城市化进程的不断推进，农村人口老龄化程度不断加大，越来越多的村庄变成了空心村，随着时间的推移，这些空心村已经完全被遗弃和荒废，但是由于我国人多地少的矛盾依然相当严重，需要对空心村进行整治。在空心村整治过程中，尤其是在我国生态环境脆弱、水土流失严重的黄土高原地区，废弃窑洞不仅占用了大量的潜在耕地资源，同时，也存在一些潜在的地质灾害隐患，所以研究废旧窑洞的拆除技术具有很大的应用前景和现实意义。

目前关于废弃房屋拆除这方面，尤其是废弃窑洞的拆除方面，国内外研究比较少，大多的研究都是针对高层建筑的爆破拆除[1]，进行放药量以及放药位置的研究[2]，仅有的一些建筑物拆除技术方面的研究，目前主要集中在高层钢桁架、浅埋大跨度隧道、深基坑支护拆除等方面[3-5]，而关于农村低层建筑以及窑洞的相关研究，对于窑洞的结构受力分析、窑洞的变形分析、窑洞材料的研究、窑洞的地质灾害防护等都有所研究[6-10]，但是关于窑洞及农村混砖房的拆除的研究，目前几乎没有。而关于窑洞拆除施工技术的研究更少，大多都是根据经验由施工单位自行判断。往往达不到最优的工程措施。

随着计算机技术的发展，应用数值试验进行相关研究已经变得愈发广泛，也取得了一定的进展。所以，本文从数值方法进行入手，建立废弃宅基地房屋的模型，对其进行受力分析，较系统的给出了其相应的拆除顺序、拆除方式以及支护方法。

1 研究方法

空心村废弃宅窑洞拆除技术主要应用现场踏勘采样，进行室内力学参数获取，运用数值模拟的方法模拟山地丘陵区常见的废弃宅基地类型，通过大型商业分析软件ANSYS，建立废弃窑洞计算模型，应用弹塑性本构，分层分步骤对窑洞进行拆除，分析窑洞拆除过程中各个部位的力学变化，给拆除技术提供理论支撑。

本文采用D-P模型，对于D-P模型，受压时，其屈服强度大于受拉时的屈服强度。已知单轴受压时材料的屈服应力和单轴受拉时材料的屈服应力，那么内摩擦角和粘聚力可表示为：

(1)

(2)

式(1),式(2)中β和σY与受压屈服应力和受拉屈服应力的关系为：

(3)

(4)

对于DP材料，其等效应力的表达式为：

(5)

上面的屈服准则是一种经过修正的Mises屈服准则，它考虑了静水应力分量的影响，静水应力(侧限压力)越高，则屈服强度越大。

材料常数β的表达式如式(6)所示：

(6)

屈服准则的表达式如式(7)所示：

(7)

最终屈服准则的表达式如式(8)所示：

(8)

对于DP材料，当材料参数β,σY给定后，屈服面为一圆锥面，次圆锥面是六角形的摩尔—库仑屈服面的外切锥面。

2 研究过程

2.1 模型的建立

根据对陕北的窑洞进行实地考察，总结出大多数窑洞结构尺寸为：窑腿宽3 m，窑口宽3 m，覆土厚度为1.5 m，拱矢高1.5 m，侧墙高2 m，窑洞深度为6 m，并假设后面有2 m的土体。

建立相应的模型，如图1所示。

2.2 模型参数

采用英国GDS动三轴仪测定了窑洞土样的力学参数，试验系统如图2所示。试验测得的参数如表1所示。

表1 黄土的力学参数

2.3 模型受力分析

通过对窑洞三维数值模型进行受力分析，得到了窑洞不同部位的位移大小和应力大小，见图3～图6。

通过对窑洞的水平向和垂向位移进行分析，发现窑洞在未受到外部荷载时，受到土体及窑洞本身自重的影响，其窑洞顶部垂直向位移最大；水平方向，窑洞之间位移变化比较明显，且呈对称分布，主要受洞壁侧部土体侧压力影响，导致靠近左侧的位移为正值，右侧的位移为负值。窑洞结构的竖向位移最大值发生在窑洞的拱顶位置；窑洞结构的水平最大位移发生在窑洞的拱圈与侧墙交接处；窑洞结构的进深方向最大位移发生在窑洞跨中与上地面交接处。窑洞在土体自重和侧压力值共同作用的情况下位移最大发生在窑洞的拱顶位置、窑洞的拱圈与侧墙交接处和窑腿位置。

通过对窑洞应力进行分析，综合对比窑洞整体、窑壁和窑腿的应力大小，发现窑洞的最大应力值，位于窑洞的最薄弱的部位，即窑腿处；进一步可以得出，窑洞的跨度、窑腿的宽度和覆土的厚度是影响窑洞结构的主要因素，所以，在窑洞拆除过程中，需首先对以上因素进行综合判断和分析，然后再依次对窑洞各个部位进行拆除。

3 研究结果

进一步对窑洞结构进行分析，发现其他一些结构的应力都小于主要承受荷载的梁、柱的应力，因为这些主要的结构承受了窑洞结构大部分的荷载，因此，如果首先拆除这些主要结构，势必会导致其他次承重结构承受荷载能力不足而发生崩塌，因此，综合分析得到，在窑洞拆除过程中，拆除施工顺序应当遵循“先拆除简单部位、危险的部位和附件，然后拆除复杂部位、安全部位和主体结构”。结合实际情况，对受力大的窑洞部分结构以及危险区域，可以采用机械拆除，而对于受力小的薄弱部位，可以人工进行拆除。人工拆除过程中，应从上至下，逐层分段拆除，严禁垂直交叉作业，在拆除窑洞壁体时，应分段分截从上往下依次拆除，不建议使用直接推倒的办法。窑洞由于其结构的特殊性，在拆除过程中，由于荷载的突然变化，导致地应力发生改变，极易发生滑塌等次生灾害，所以，在窑洞拆除过程中，应采用机械方式进行拆除，先沿窑洞周围进行从上往下依次开挖，以便释放窑洞周围土体的应力。