基于DSC模型的房屋开裂评估与监测分析

发布时间：2022-10-05 21:43 热度：

摘要：从岩土动力学上说，地面建筑物地基在遭受强力扰动后会出现材料变形、切屑开裂等问题，因此从事后墙体安全角度考虑需要对墙体开裂变形进行定量评估和监测，以判断出墙体体质量是否存在安全风险。基于DSC本构模型对开裂变形后力学较为精确的表述以及具体实践案例的证明有效，使得基于DSC模型的房屋开裂评估和检测逐渐在工程学中得到应用。本文笔者结合多年的建筑工程质量评估实践，以介绍学界关于岩土力学的研究为例引出了DSC概念，分析了DSC本构模型在房屋开裂评估与检测中的应用，并辅之于具体案例，具有一定的价值。

关键词：DSC模型;房屋开裂;扰动;评估与监测

随着城市基础设施建设日益向地下空间延伸，因地下岩土层扰动造成地表建筑开裂变形的问题越来越突出。目前许多城市尤其地下空间利用充分的大城市，类似地铁、地下隧道等地下工程往往需要穿越繁华的主城区，这造成地表上的连片的房屋建筑不得不面临因地基扰动造成的墙体开裂和变形等质量问题。不过，并不是所有的因为地下轨道交通工程施工导致材料开裂变形的都需要修复，实际上这也无法完成的工作，因此我们需要对开裂变形的房屋建筑材料进行合理精确的分析评估以判断是否存在质量风险，是否需要进行修复。

地表建筑开裂和变形是地下岩土层强力扰动的结果，这涉及到岩石力学概念。岩石力学概念认为，房屋建筑材料在开裂后，其受力变形情况会进入峰后区间(post-failure),而对开裂评估监测就是建基于对峰后力学的研究。在工程力学界，Willam和Warnke合作提出了反应脆性材料开裂的W-W本构关系，这是一大突破，随后美国的Desai开创了扰动状态概念(disturbed state concept)，也即是DSC，由此拉开了峰后材料力学研究的大幕。在此基础上，我国学者也就DSC模型进行了细致化研究分析，使基于DSC模型对地表房屋开裂的评估和监测技术应用日渐成熟，并在许多大型工程中得到验证。

一、DSC本构模型工作原理介绍

由于地面建筑材料存在不稳定现象而导致出现复杂的应力应变，这是房屋开裂的实质，但传统力学理论无法精准地描述出力学行为，自然也无法解决这一问题，而DSC模型则由于很好地组合了材料相对稳定状态和完全调整状态，从而精准地描述出了峰后力学行为，为房屋开裂研究打开了口子。在(机械类、热力)扰动中，房屋材料内部的微观结构从原初的相对完整状态逐渐过渡到完全调整状态，在这一转换过程中存在一个扰动函数，函数核心参数值扰动因子D是材料破坏程度的一个度量指标，经过函数计算得出的D值存在多个区间，而这些区间对应的是国家颁布的《危险房屋鉴定标准》(式一)：

(0.8 1.0) D级，危房

D (0.5 0.8) C级，房屋结构受损、开裂等

(0.2 0.5) B级，房屋局部开裂

(0.0 0.2) A级，房屋安全

由于扰动函数很好地解决了观测响应、初始响应和临界响应之间的动态关系，并以宏观测量的视角来对扰动演化进行描述，因此确保了相对完整的初始状态和完全调整状态下互相作用的两部分材料就是被观测的材料，这一材料的真实响应直接关系着扰动因子D起耦合和内插作用。

二、房屋开裂的定量评估

(一)DSC模型特征分析

DSC模型在经过模型标定、验证和参数影响分析之后，基本上得出了以下几个显著特征：一是峰前应力应变关系主要由初始参考状态决定，峰后关系则由初始参考状态(R1)和完全调整状态(FA)耦合构成，而二者之间的相互作用则有扰动函数来决定;二是R1在取非线性弹性模型时，可使DSC模型对脆弱跌落计算误差影响较大，由此说明DSC模型具有弹性-塑性硬化-塑性软化的明显特征，而当R1和FA状态均处于理想弹塑性时，DSC则为弹塑性软化模型;三是房屋材料开裂、软化等问题的解决需要事先经过应变空间转化来进行处理，而DSC模型组合R1和FA状态后，则可以实现在应力空间下描述材料的峰后力学行为，也即DSC可以利用稳定材料模型来描述不稳定材料的力学响应。而且需要指出的是，R1和FA状态的适应范围大，数值稳定性、聚敛性和延展性都容易控制，从而使DSC模型具备了强大的延展能力和广泛的适用范围。

(二)基于DSC模型的房屋开裂评估

基于DSC本构模型研究房屋开裂问题由于充分利用了DSC模型具备的超强的峰后描述能力、广泛的本构关系选取、明确物理意义的扰动函数以及稳定性、健壮性和收敛性极佳的函数数值而使得研究的优势十分明显。如在厦门机场路梧村山隧道上方房屋变形开裂安全控制中，研究人员选取某一座实验楼应用DSC模型对房屋进行计算分析，分别求出了RI和FA状态下相关参数，经过扰动函数计算得出的数值对比到(式一)区间值，发见实验楼房屋局部点开裂程度严重(D>0.8)，于是将该实验楼的开裂评估级别为定为C级，由此可以断定隧道施工对地面建筑物产生了极为负面的影响，急需进行停止施工以作维护。

三、结语

经过引入一系列函数值点和应用精确的函数计算，再加上诸多成功的实践案例，证明了DSC模型从房屋应力受力、峰前峰后力学描述来对房屋的开裂程度和过程进行评估监测，具有一定的科学性和可行性。由于DSC模型涉及到的扰动因素物理意义明确，数值稳定，从而确保了计算上的便利，避免了计算过程的繁琐，因此其也具有很强的实用性。

参考文献：

[1]易小明,张顶立,陈卫衷.基于DSC模型的房屋开裂评估与监测分析[J].岩土力学,2010(03)

[2]吴刚.工程材料的扰动状态本构模型---基于扰动状态概念的有限元数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2008(08)

[3]王德玲,葛修润.岩石的扰动状态本构模型研究[J].长江大学学报(自然版),2005(01)