陜北窯洞破壞原因探析

楊 鴻

(延安大學 建筑學院，陜西 延安 716000 )

在高寒地區，窯洞是古老的居所之一。老百姓一般都選擇窯洞居住，其優點是所需建材工匠少，工藝簡單，施工便利，更可因地制宜，就地取材，既防火防噪音，又經濟省工，冬暖夏涼，堅固耐用。就材質來講，有在老黃土層上靠山挖鑿的土窯洞、接土拱加砌一兩米進深的磚或石料做面的接口窯。隨著人們生活水平的提高，現大多是采用磚石、泥漿(或水泥砂漿)平地砌筑、頂部夯土的磚石窯，往往三孔一院，一字排開。與土窯比較，磚石窯造價較高，施工也復雜一些。一般是先打背墻，再在平地上挖1.5 m寬的巷道做地基，然后用磚石砌1.5 m高的墻，也叫做窯腿子。再挖出頂部為拱形似窯洞形狀的土坯子，也稱做窯楦，然后在土坯子上插磚石，稱飽穴。隨后灌注大量泥漿(或水泥砂漿)，直至滲透不下。到合龍口后，再漫漫挖出土坯子(稱出窯楦)，邊挖邊打幫墻邊墊土，土挖盡新窯即成。窯上方一般墊3 m左右的黏土，分層夯實，成平房的構造，既防水又保暖。如果材料強度高，施工質量好，排水及防護措施到位，且無大災，一般使用年限都在30年以上，土窯更長。如在農村看到的一些曾經住過幾代人的磚石窯和開挖達百年以上的土窯就是如此。然而，中途破壞的也比比皆是，以下就陜北地區窯洞破壞的原因以及防護措施試作分析。

1 雨水浸入造成的破壞

在2003年的9月份，黃陵洛川一帶雨季持續時間達20多天，舊石窯有90%以上損壞，主要是灰縫滲漏、幫背墻坍塌、拱圈變形和裂縫，而在一兩年內新修的磚石窯100%的坍塌廢棄。定性分析表明，舊石窯因年久失修，灰縫剝脫，石塊風化，強度降低;新窯由于黏土窯頂還未固結完畢，又沒有很好碾壓，使粘土的滲透性增大，雨水浸透窯頂和幫墻后，使土的含水量增加，抗剪強度減小［1］，土體產生局部和整體滑移，窯整體失去穩定而坍塌。另外，土體達到飽和后，使得拱圈的受力增大許多，拱圈內各點的應力達到或超過砌體的強度，拱圈產生裂縫和變形，頂部尤為嚴重。

圖1

關于拱圈內各點的應力分布，若將彈性力學理論近似用于討論如圖1所示的拱形建筑的拱頂破壞，即將實際拱頂看成長而厚壁的半圓筒形，拱的長度(為窯的進深7～9 m)遠大于拱圈半徑(窯寬度3 m的一半)。且假設其幾何形狀、受力和變形，乃至約束都具有軸對稱性，所有條件簡化后，都近似滿足彈性力學研究的軸對稱平面應變問題，也較接近于實際。因實際窯拱受土、水、積灰等自重作用，荷載應為豎直方向均布壓荷載，還有窯幫墻的反力作用，就前者來講，將豎向壓力分解成垂直于拱和與拱相切的兩個分力，圖1中的P就是垂直于拱的分力，且沿著圓筒半徑向內，叫做圍壓。就半個圓筒來看，取圖1所示的平面極坐標系，近似認為圍壓均勻對稱，與θ無關，內部所受大氣壓力可設為零，只在圍壓作用下，半圓筒內各點的應力分量和應變分量都與θ無關，僅是r的函數。若在某點r、θ處，沿環向和徑向取一如圖1所示微元體，在不計拱自重的情況下，微元體各面上的環向和徑向正應力以及切應力分量分別為［2］:

2 地震震害

地震作用是短暫的反復荷載。當遇大地震時，墻體和板劇烈搖晃，結構受到反復拉壓，一方面建筑物側移加劇，頂部側移最大，地震反應也最強烈，即所謂的“鞭梢效應”。而土不能承受拉力，再加上場地類別和場地地形的影響(如山峁、山嘴上的建筑物破壞程度比平坦開闊地帶要嚴重得多)，挑檐、女兒墻、邊上的幫墻等更易震壞。幫墻一旦坍塌，窯拱失去了支撐，結果也造成窯洞變形，兩側拱腳外傾，產生坍塌，邊窯更易損毀——圖2和圖3就是2008年的大地震造成的黃陵縣高原地帶磚窯破壞的例子。也有少數窯洞是因地基下陷，產生不均勻沉降而破壞。

圖2

圖3

因陜北地區的黃土地基浸水濕陷，或地下有砂層，在地震反復荷載作用下，砂層浸水產生液化流土現象(如公路上的翻漿現象)，使得墻體開裂，再加上地震作用產生的扭轉效應，房屋轉角處較為嚴重。

除此之外，在陜北地區由于地震和大雨、暴雨造成的水災、山體滑坡和山體垮塌、泥石流等次生災害，使窯洞被淹、損毀和成片被埋;地下挖礦造成地陷使窯洞裂縫乃至垮塌等情形也時有發生，這些都使人們的生命財產受到了極大的損失。

3 防護措施

首先是選址，開闊平坦地帶是有利地形［5］，山包、陡坡、河岸邊、滑坡、地陷、地裂和發震斷裂帶等不利地形盡量不選，非選不可時一定要分析研究。其次，要保證窯洞安全可靠，一定要做到嚴格設計(現全憑經驗，基本不進行計算)，規范施工，材料合格，強度滿足。如搞好窯頂的防水就至關重要，黏土要夯實，要定期碾壓，排水溝暢通，有條件時最好應用新型防水材料做防水層。拱圈是主要的受力構件，要保證材料強度和砌筑質量，幫墻背墻是拱的支柱，要保證有足夠的厚度和強度。還可以在拱與幫墻之間、拱與背墻之間適當加一些拉結鋼筋，增強窯洞的整體性和抗震性能。再者，大多窯洞雖為單層結構，但地基基礎的設計也同樣重要。根據當地的工程地質資料和凍結深度，選擇合適的土層為持力層，選合適的基礎形式和材料。因由于地基下沉使窯洞變形、坍塌造成人畜傷亡的例子也普遍存在。

總之，不管是采取什么結構，什么材料的建筑，也不管建筑是大是小，只要正規地、嚴格地進行設計，規范施工過程的管理，嚴把施工質量關，杜絕豆腐渣工程，即使遭遇不測，奪命的也就不會是建筑物本身了。

［1］趙明華.土力學與基礎工程［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2000.99－100.

［2］吳家龍 .彈性力學［M］.上海:同濟大學出版社，1987.8.351～356，167－178.

［3］劉雅君，薛琳娜.由壓力引起的破裂問題研究［J］.大學物理，2011，30(4):19－21.

［4］袁海慶.材料力學［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2002.15 ～16，116－117.

［5］豐定國，王社良.抗震結構設計［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2003.14－16.