地裂缝对结构破坏的力学模式研究

摘要： 地裂缝是一种广泛分布在世界各地的特殊地质灾害，我国广大地区的建筑结构也深受其害，为了更好的防治地裂缝对建筑物的破坏，本文从地裂缝对建筑物结构破坏的力学模式入手，分析了地裂缝在建筑结构上产生了拉应力、剪应力和扭矩等各种内力，从而造成了建筑结构的最终破坏，由此得出建筑物产生裂缝破坏的原因，并为工程中进一步防灾减灾技术对策研究提供了一定的理论基础。

Abstract： The ground fissure， as a kind of special geological disasters， is widely distributed around the world， the building structures of the majority of our country also suffer from it. In order to better prevent and cure the disease， which caused by ground fissures on building structures， starting from the mechanics model of structure damage that lead by ground fissures， this article analyzes various internal forces， which are aroused by ground fissures on the building structures， such as the tensile stress， shear stress and torque， which lead to the ultimate destruction of the building structure. Thus， it derives the causes of cracking to buildings and provides some theoretical basis for further countermeasures researching about disaster prevention and mitigation techniques in engineering.

关键词： 地裂缝；建筑结构；破坏特征；力学模式

Key words： Ground fissure；Building Structure；Destruction Characteristics；Mechanics Model

中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）11-0043-02

0 引言

地裂缝是一种特殊的地质灾害，广泛分布在世界各地，自20世纪中期开始在我国很多城市出现，已经成为一种区域性的城市地质灾害，严重威胁着城市各类建筑物的安全，所到之处造成房屋开裂、道路变形、切断管道、机器停转、桥梁错位，已经造成了巨大的财产损失。为了减轻地裂缝对建筑物的进一步破坏，多年来广大专家、学者和科技工作者对地裂缝的形成机理、活动特征、空间展布、发展趋势、减灾途经及对策等进行了大量的研究，并取得了一批重要的研究成果[1-8]。

在地裂缝对结构破坏及防治措施的研究中，地裂缝对结构破坏的力学模式研究是基础，也是在地裂缝带上修建建筑物采取结构措施的理论依据，因而有着非常重要的意义。本文结合地裂缝对建筑物的破坏特征，对地裂缝对结构破坏的力学模式进行了系统的研究。本研究为后续专门针对地裂缝对建筑物破坏的防治措施研究打下良好的基础。

1 地裂缝引起的建筑物的破坏特征

通过对遭受地裂缝破坏的地裂缝带上建筑物的大量实地调查，发现地裂缝由于其自身的活动特性，对建筑物的破坏主要是通过地基作用于基础，再传给上部建筑，并最终使得建筑物遭到破坏。地裂缝引起建筑物破坏的特征如下：

1.1 地裂缝垂直错动时的建筑物破坏特征 地裂缝的垂直错动使得位于下降盘的建筑物随着地基及基础一起变形，地裂缝两侧地基的差异沉降导致建筑物发生不均匀沉降，在墙体上产生斜裂缝，如图1所示，这种裂缝往往倾向下降盘，缝宽较为均匀，或者呈现上宽下窄的态势，是一种最常见的裂缝类型。

1.2 伴有水平拉张的地裂缝垂直错动下建筑物的破坏特征 地裂缝在垂直错断的同时伴有水平拉张运动，这种运动方式在墙体上产生的斜裂缝在水平方向也发生了一定程度的拉张，因而使得裂缝的宽度相对单纯的剪切裂缝要宽的多，如图2所示。

这种伴有水平运动的地裂缝的垂直错断，往往对建物的破坏性更大，特别是在结构复杂、应力集中的转角及门窗处，破坏尤为严重，最终甚至导致整个建筑物的报废，应该引起特别重视。

2 地裂缝对建筑物破坏的力学模型

从以上地裂缝对建筑物破坏的特征上看，建筑物从外部形态上主要表现出为水平张开、垂直错动和前后错动，在各别受力复杂部位还出现了拉张、错动和扭转的综合。这些破坏特征，主要是拉应力、剪应力和扭矩对建筑物的作用引起的建筑物的破坏而造成的。

2.1 地裂缝垂直错动时对建筑物破坏的力学模型 坐落在地裂缝影响带上的建筑物，原本有地基支撑。但是在地裂缝活动的影响下，由于地裂缝的活动造成了建筑物局部地基发生松动甚至有脱空的现象。支撑形式的改变，引起建筑物整体受力性能发生改变，原本整体与地基接触的建筑物变成类似悬臂结构，建筑物与地基接触形式的改变导致了建筑物上产生了附加变形，进而引起附加应力。若地裂缝仅产生了垂直运动，根据建筑物与地裂缝的相交方式不同，地裂缝对建筑物破坏的力学模型如图3所示。

2.2 地裂缝垂直错动的同时伴有水平张拉时对建筑物破坏的力学模型 地裂缝的上下盘在垂直错动的同时，如果伴有水平张拉运动，建筑物除了产生附加的垂直应力及平面内和平面外的弯矩外，还将产生平行于建筑物轴向的拉力，正是由于水平拉力的存在导致了建筑物水平方向的拉裂，如果建筑物材料抗剪强度较小，就会导致建筑物沿水平方向被剪断，加速了建筑物的破坏。根据地裂缝与建筑物的相交位置不同，其力学模型如图4所示。

3 建筑物在地裂缝活动下产生裂缝破坏的原因

由以上地裂缝对建筑物破坏的力学模型分析可以看出，建筑物在地裂缝运动下产生裂缝破坏的原因不但跟建筑物材料和结构形式有关，而且跟地裂缝的运动方式有关。

在地裂缝活动下，首先引起支撑建筑物的地基发生了松动，引起了地基的局部下沉，从而改变了建筑物的支撑条件，在地裂缝经过的地方，建筑物上产生了力矩Mx。在Mx的作用下，建筑物上产生了拉应力。

一般情况下，作为墙体的脆性材料，抗拉强度不高，所以在墙体上产生了有拉应力引起的拉张裂缝。而土体本身也不是完全的匀质体，同时地裂缝的活动量也不可能完全相同，再加上地裂缝与建筑物的不同相交形式，有可能除了Mx外，还产生了与Mx垂直的My。

但一般来说，Mx大于My，且y方向的抗弯刚度大于x方向的抗弯刚度，所以建筑物首先产生的是由Mx引起的张拉裂缝，但如果My足够大，也会在y方向上产生裂缝，导致墙体前后错开。

另一方面，建筑物在自身重力的作用下，产生剪应力。当张拉裂缝出现后，位于下降盘的部分建筑物跟随地基一起发生了沉降，表现为建筑物在裂缝两边出现了错断。如果地裂缝的垂直运动同时伴随着水平扭转，则地裂缝作用在建筑物的内力将更加复杂，不但有拉、压、弯，同时还伴有扭转。

综上所述，跨地裂缝的建筑物在双向弯矩（即弯矩和扭矩）、剪力和拉力的共同作用下发生了破坏，出现了裂缝。这几种力基本上是同时出现的，但是大小却有所不同，一般来说，弯矩（Mx）大于扭矩（My），所以在建筑物上墙面裂缝宽度一般要大于裂缝的前后错断；剪力是随着地基发生不均匀沉降的出现而出现的。

Mx、My、V、F的大小与地裂缝和建筑物相交的位置、建筑物自身的重量有关，但裂缝的出现和裂缝的大小和形式，还跟建筑物本身的抗弯刚度、抗扭刚度、材料本身的强度及地基的不均匀沉降量的大小有关。所以导致裂缝出现的形式和大小的因素事多方面的。

4 结论

通过对有地裂缝引起结构破坏的现场调查、分析，并通过建立力学模型，我们可以得到以下结论：

①由于地裂缝的活动，导致地基和基础的接触形式的改变，从而引起结构内力的改变；

②地裂缝活动最终会导致结构产生不均匀的沉降；

③在地裂缝活动时，弯矩、扭矩、拉力和剪力是同时产生的；

④结构的不均匀沉降程度和地裂缝与建筑物的相对位置决定了弯矩、扭矩的大小，而建筑物两个方向的抗弯刚度和材料的强度又共同决定了导致建筑物破坏的裂缝的大小和类型；

⑤在地裂缝影响范围内修建建筑物的时候，在适当增大建筑物抗弯强度的同时还要增强抗扭的强度和刚度，并采用合适结构形式。

参考文献：

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