甘肃民间黄土窑洞的调查
一、前言
由于地下工程的计算目前还没有完整可靠的理论，实测技术也尚未广泛应用。因此，在解决某工程的黄土洞室问题时，我们遵循毛主席的教导，从调查研究入手，以成功的实践经验为出发点，采取了工程地质比较法。这个方法，就是以黄土窑洞所处的工程地质条件与拟建场地的工程地质条件作周密的比较，从而预测拟建黄土洞室的建设情况。为此，我们对场地附近的黄土窑洞进行了调查，挖掘民间长期建设和使用窑洞的经验，为社会主义建设服务。我们先后***观测了150个黄土窑洞，其中对114个做了较详细的调查。
二、工程地质
（一）地貌
本区从大地貌来看是位于六盘山以西的黄土丘陵区，相对高差在50～150m 之间。从小地貌来说主要是以梁的形态出现，且与大小河流组成了若干个河谷盆地。一般可划分为两个地貌单元，即黄土梁区和河谷平原区。前者地形较平缓，坡度一般在15°～25°之间，有随盆地边缘到盆地中心而变缓的趋势，只有在冲沟的两侧才有垂直的陡壁。后者呈平坦的河谷平原，在两个阶地的接触处有直立的陡坎。在冲沟的两侧和阶地的接触处，常为民间黄土窑洞的所在地。
（二）地层
1）在黄土梁区分布着同一个成因类型和同一个层位的风积——坡积新黄土。按照工程地质特征，新黄土自上而下可分为3层：
A.新黄土上层：淡黄色，大孔、虫孔和植物根孔非常显著，质地均匀，结构松散，粉土质，含有蜗牛化石及其碎片，抗水蚀力很低，常形成溶洞。当地老乡称之为“砂白土”。本层随黄土梁的坡度变化而变化。在其下部一般有明显的2～3m的坡积层次，层理的坡度一般在100～20°之间。它是黄土梁上最年轻的沉积，都裸露在地表。厚度一般在7～10m之间。
本层虽然土质最差，但都覆盖在地表，所以仍有少数的窑洞分布其中。不过它的跨度一般都较小。洞内有时具有各式各样的细小裂缝。
B.新黄土中层：褐黄色，具大孔、虫孔和植物根孔，质地较均匀，结构较密实，节理较发育，抗水蚀力较强，不易形成溶洞。含有白色结晶状的钙质等物质。在本层的上部，这些物质分布更多，且在植物根孔和虫孔中具有明显的淋漓特征。当地老乡称之为“鸡粪土”。在本层的下部，颜色变浅，呈淡黄色，垂直节理发育，钙质含量减少，其下有明显的坡积薄层层次，在层理间常有白色的钙质沉积物。本层亦随黄土的坡度变化而变化。总厚度一般在6～13m之间。
本层的土质较新黄土上层好，且常有陡壁出露，故其中的窑洞分布较多。但本层中的节理常助长了洞内裂纹的发展。
C.新黄土下层：深黄色，大孔极少，结构密实，含有黑色的物质，节理非常发育。本层下部常夹有薄层的砂和小砾石的夹层和透镜体。出露厚度一般在5～12m 之间。
本层的土质较新黄土上层、新黄土中层及冲积黄土都要好，但深埋在地下，出露少，故分布其中的窑洞不多。本层中特别发育的节理，成为窑洞破裂的主要因素。
2）在河谷平原上分布着冲积成因的黄土。其特征为灰黄色，具大孔、虫孔和植物根孔，结构较密实，岩性多变化，层理明显，含有粘土薄层及灰黑色的土壤层。在其下部有砂、卵石的夹层和透镜体。厚度一般在8～15m 之间。
本层的土质比新黄土下层要差，但较新黄土上层和新黄土中层要好。且其有古河床的陡坎。再加上居民用水的方便，所以其中分布的窑洞最多。沿层面下落土片土块，是在本层窑洞中常见的现象。
（三）颗粒成分和物理力学性质
1.颗粒成分
黄土的颗粒成分如表1所示。新黄土的3层在颗粒成分上是极其相近的。只有冲积黄土粘土减少，砂土加大。
表1 黄土的颗粒成分
2.物理性质
黄土的物理性质如表2所示。新黄土的3层及冲积黄土在密度、液限、塑限等指标上是基本相似的。但在含水量、孔隙比、容重等指标上就互不相同。从密实程度来看，新黄土下层最密实，新黄土中层次之，冲积黄土再次之，新黄土上层最松散。从含水量来看，新黄土中层最多，新黄土上层次之，冲积黄土再次之，新黄土下层最少。
表2 黄土的物理性质
3.力学性质
黄土的力学性质如表3所示。新黄土的3层及冲积黄土在力学性质上与在主要物理性质上一样，是有差异的。以压缩性和湿陷性方面尤为清楚。其数量特征为新黄土下层小，新黄土中层居中，新黄土上层和冲积黄土大。但在作为目前评价洞室的计算指标——凝聚力和内摩擦角方面就表现得不太明显。这也说明了单凭指标的评价方法是片面的，不能反映客观情况。
表3 黄土的力学性质
（四）水文地质条件
在黄土梁区，根据民井的观测，在靠近盆地的中心地带，地下水的埋藏深度一般在8～12m 之间。属于大气补给的黄土层中的潜水，它在盆地中心的冲沟两侧常成下降泉泄出，汇成细小而缓慢的水流。水量甚小。在盆地边缘地带，于25m的深度内，未发现地下水。
在河谷平原区，冲积层中的含水层，水量通常也不丰富，仅能供居民饮用。
（五）物理地质现象
本区的物理地质现象非常发育。尤其是在黄土梁区。其主要特点如下：
黄土喀斯特现象很齐全，有碟形地、陷穴、黄土桥等。在场区内就发现有3个碟形地，其中有一个碟形地，直径达18m，深度达1.5m。其他的陷穴、暗沟、黄土桥等，在冲沟的两侧和阶地的接触处，一般都可以见到。
黄土冲沟通常较小，沟壁直立，但高度不大，一般在8～25m 之间。黄土冲沟的分布宽度一般也较小。
黄土滑塌现象在冲沟两侧和阶地接触处是比较普遍的。如在盆地中部的主冲沟的两壁，潜水出露的面上，常成许多阶梯状的滑坡。滑坡的速度也是可观的，如1965年4月4日的一次雨雪后，在场地一侧的冲沟边缘见到一个新旧痕迹达15cm的滑坡现象。在阶地的陡坎和冲沟的主壁下，也常遇到许多崩塌物质。由于冲沟不大，阶地陡坎不高，因此，不论是滑坡，还是崩塌，就其规模而言，一般来说是不大的。
三、黄土窑洞的选址
（一）一般的选择
黄土窑洞根据使用可分为居住用的、养牲畜用的、磨坊用的和贮存物资用的几种。
居住用的窑洞位置绝大部分都分布在黄土梁和阶地的阳坡，也就是在黄土梁和阶地的南侧或东侧。其他几种窑洞也大部分如此。选择在阳坡的好处是阳光好、日照长、温暖、干燥和风沙小等。
（二）地貌上的选择
黄土窑洞的分布是随地貌单元不同而不同的。在黄土梁区一般都分布在梁的坡脚下及其冲沟的两侧。在河谷平原区多在二级阶地的陡坎处。这是老乡为了减少土方工作量，而选择了天然陡壁。但这里又常出现滑塌、陷穴等不良的物理地质理象，因此，老乡在这里又要选择较好的地段，而尽量避开不良的物理地质现象。尽管如此，仍有一些窑洞因选择不当而遭受这些现象的破坏。
（三）地质上的选择
黄土窑洞在地质上的选择，从表4中可以较清楚地看出：
1）黄土窑洞的几何特征是随着黄土的构造、土质条件的不同而各异的。
2）新开挖的黄土窑洞，如果按照表4中的几何尺寸，一般是站得住的。
3）以打洞来说，新黄土下层最好，其次是冲积黄土，再次是新黄土中层，最差是新黄土上层。
表4 黄土窑洞几何特征与黄土地层的关系
这些规律的出现，反映了老乡对建设黄土窑洞积累了丰富的经验。他们在决定窑洞的跨度、高度等几何尺寸时，总是结合着使用要求，谨慎地考虑了地质条件。
四、黄土窑洞的断面形状及洞口的处理
（一）断面的形状
断面的高宽绝大多数是不等的。其情况见表5。一般地说，跨度大的则宽度大于高度。相反，跨度小的，则宽度小于高度。
表5 黄土窑洞横断面高宽关系表
横断面的形状是不规则的。这主要是由于老乡在开挖时，根据自己的经验，全凭目测。但总的看，它的基本形式是接近于两心圆拱。老乡称之为“炮弹形”拱。还有一些接近于抛物线形或卵形的。
纵断面的形状也是不规则的。通常挖成两头小中间大。
（二）洞口的处理
黄土窑洞的洞口是最容易坍塌的。在我们调查中就有两个这样的事例。这是由于洞口除了受不利的力的因素作用外，还受气候等因素的影响。洞口直接暴露在大气中，温度时高时低，湿度时干时湿，时冻时融，再加之生物与化学的作用，所有这些都会加速土壤的分化和破坏，致使洞口不稳定。所以老乡对洞口都要进行一定的处理。
本区老乡处理的方式大致有4种：
1）洞口工挖得较小，到里面再扩大。平面形状如图1所示。
2）洞口采用土坯砌体加固（图2）。
建筑工程地下地基地域研究
3）洞口抹草泥。
4）洞口修成具有一定角度的坡面。
这4种办法有时是综合采用的。
五、黄土窑洞的破坏情况及加固防护的措施
（一）黄土窑洞的破坏类型及其原因
黄土窑洞的破坏情况，可以归纳成以下几种类型：
1）拱顶沿纵向的裂缝。裂缝宽度为2～10mm。凡是洞的横断面形状为两心圆拱的，在两圆弧交接处，几乎全有这种现象。根据分析，产生这种现象的原因有二：一是断面形状突变，没有平缓的过渡线段，由于应力集中而开裂；二是在洞开挖以后，土体暴露在大气中，失去水分，产生干缩裂缝。这种现象在新黄土上层的窑洞中见到的最多。
2）洞壁不规则的裂缝。裂缝宽度为1～4mm。这种裂缝，有些是原有的节理裂缝，有些是干缩裂缝。干缩裂缝老乡称之为“风炸”。这种现象在新黄土中层和新黄土下层的窑洞中见到的较普遍。
3）掉土块。掉土块的现象，有的发生在侧壁，有的发生在拱部，老乡称前者为“溜帮”，后者为“塌顶”。从调查来看，掉土块发生在拱部的较多，发生在侧壁的不多见。引起掉土块的因素是较多的，这些因素是：力的作用、节理的存在和气候的影响。在开挖的过程中和开挖后的短期内，前一个因素是主要的，在以后的长期使用过程中，最后一个因素是主要的。但作为内因的节理的存在，始终起着决定性的作用。这种现象在节理发育的新黄土下、中层最易见到。
4）冒顶。冒顶就是拱顶不断地一片一片地掉土块直到穿顶，或者整个拱顶一下子全部塌下来。这两种情况都不多见，我们在调查中只遇到一例。前者由于洞顶覆土是水平层理很薄的黄土，即水成黄土（老乡称之为“片片土”），且其覆土厚度很薄（不到2m），我们看到的现状好像一只扣在那里的底已穿透了的锅。后者据老乡介绍，塌的原因有四：覆土厚度较薄，只有2m 左右；洞顶有鼠穴，灌了雨水；洞顶有树根；地震作用（是在1920年大地震时塌的）。
总的看来，窑洞的破坏类型，以裂缝为最普遍，掉土块次之，冒顶是极个别的。裂缝和掉土块又以洞口较洞内为严重，有不少窑洞是由于洞口坍塌而不能使用的。
（二）黄土窑洞的加固与防护措施
黄土窑洞绝大部分是无衬砌的。为了防止“风炸”，老乡一般采用草泥抹面。据说效果很好。具体做法是：在开挖窑洞时，洞壁不铲平，并修成条纹状，以使草泥粘牢不掉；草泥分3～4次抹，每次草泥的厚度为10～15mm，底层厚些；第一层打底的草泥，用长度为150～200mm的麦草，并且麦草要尽可能多些（以能操作为限）；第二、三层用长度为30～50mm的麦草；面层抹细泥磨光或抹白灰。
对局部沿节理下掉的较大土块，老乡常以木柱为支撑作局部的加固。
洞顶地表径流的处理，老乡非常注意，这是由于这里的新黄土上层具有较大的自重湿陷性质。我们曾调查到位置介于新黄土上层与新黄土中层之间的一个窑洞，由于排水处理不当，在1964年的一次大雨，将洞顶泡软而坍塌。处理的办法是：将水引离洞口较远的地方排走；修建截水沟、土埂等。
六、结语
1）黄土窑洞的几何特征与黄土的地貌、地层、构造和物理力学性质等有密切关系。因此，只有在工程地质综合分析的基础上，才能更好地利用黄土窑洞的经验。
2）黄土窑洞的几何尺寸按表4中的一般数值确定是没有什么问题的，但作为工业建筑的洞室来说，还应增加措施，例如采用不受力的保护性衬砌或半受力衬砌。
3）黄土窑洞的横断面形状，基本上接近于两心圆拱。
4）洞口段稳定性较差，最易发生坍塌。因此，洞口段的跨度宜减小，或采用加强衬砌等措施。
5）黄土中层理和节理的存在，以及由于开挖而产生的力的影响，是使黄土窑洞出现裂缝、掉土块、冒顶等破坏现象的主要因素。
6）黄土窑洞易受水的破坏。因此要防止在洞顶、仰坡、天井等处积水，以免浸湿洞体周围的黄土，造成土的坍塌。
（本文原载：《黄土地下建筑技术资料汇编》，国家建委建筑科学研究院技术情报室，1972年11月，161～165页；作者还有秦宝玖）