濕陷性黃土區地基填埋的某教學樓安全性鑒定與處治策略

齊尚榕，楊黎黎，熊 陽

（1.甘肅省城鄉規劃設計研究院有限公司，蘭州 730000；2.蘭州工業學院 土木工程學院，蘭州 730030；3.寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021）

黃土的承載力會伴隨著含水量的增加而降低，在上覆荷載作用下，地基土會出現濕陷和沉降。位于黃土地基上的建筑物，在服役年限內地基土若受水擾動會出現不同程度的濕陷下沉，從而引起地基的不均勻沉降。輕則使上部結構墻體出現裂紋[1]，嚴重時建筑物傾斜甚至發生坍塌等事故[2-3]。因此提供一種濕陷性黃土區填埋地質條件下房屋安全性鑒定的方法，對房屋后期的加固處理意義重大。

針對濕陷性黃土地區地基不均勻沉降的問題，為了探究由于不均勻沉降對建筑物造成的影響，學者分別從不同角度對其展開了研究，一部分學者分別從濕陷性機理、濕陷性變形規律等方面展開對地基不均勻沉降的研究[4-6]，文獻中列出了濕陷性黃土地基工程勘察的關鍵要點[7-8]。另一部分學者針對地基不均勻沉降的問題從施工方法以及控制建筑物變形等方面進行了探究[9]。如薛麗影等[10]總結了注漿加固法的設計內容、施工工藝、質量檢驗等，分析了該技術在面對地基不均勻沉降及建筑物變形方面的設計、應用中需要注意的問題。張勇等[11]結合實際工程，研究采用鋼管微型樁對建筑物進行地基加固和糾偏的方法。溫曉貴等[12]為了減小壓樁引起的附加沉降，嚴格控制要求壓樁的間隔，避免由于施工引起樁周土體的擾動。以上研究在控制地基不均勻沉降方面取得了眾多成果。但對濕陷性黃土區地基填埋的建筑物的安全性鑒定方法還有待進一步完善。因此，本文依托于濕陷性黃土區地基填埋的實際工程案例，檢測鑒定了地基基礎和上部結構的安全性，分析了影響教學樓安全性的因素，最后針對性提出加固建議。

1 工程背景及設計參數

某教學樓2012 年建成，結構形式為框架結構，平面形式為“L”形，寬24.4 m，長25.9 m，高為11.0 m，地上2層，局部3 層；一層、二層層高均為3.4m，三層層高為3.9m，建筑面積為1 124.37 m2。該教學樓的基礎為井樁基礎，樓蓋為鋼筋混凝土現澆樓板。建筑外墻為300 mm 厚燒結磚，內墻為200 mm 厚燒結磚。建筑抗震設防類別為乙類，場地類別為Ⅱ類場地。抗震設防烈度為七度，設計基本地震加速度為0.10 g，第三組。結構安全等級為二級，抗震等級為二級。教學樓首層平面圖如圖1 所示。該樓于2018年發現墻體有多處輕微裂縫，2019 年7 月發現墻體裂縫較為嚴重，由于該教學樓已經產生明顯的外部損壞，于是針對該教學樓進行了相應的勘察和檢測，在此之后通過YJKS2.0.3 程序對該教學樓進行了結構整體的抗震分析。

圖1 教學樓首層平面圖

2 現場檢測及實驗

2.1 地基基礎檢測

2.1.1 場地工程地質

該場地位于山坡腳處，后經人工推填進行場地平整，場地為大面積填方區。根據需要對該教學樓布置了如圖2 所示的3 個勘探點（1#，2#，3#）。為了對井樁進行驗證檢測并調查該場地的地層結構和巖土性質，本工程采用鉆機泥漿護壁回轉對3 個勘探點進行鉆孔勘探。

圖2 地基現場鉆探點分布

經鉆孔勘探后，該場地地層結構以及土質分布如下所示。①層雜填土（Q4 ml）：雜色，土質不均，主要組成成分是粉土和細砂，局部含有大量建筑垃圾和礫石顆粒，土質稍濕，且較為松散。層厚為8.6～10.5 m。②層粉土（Q4 al+pl）：黃褐色，土質較均勻，局部夾條帶狀細砂薄層，孔隙較發育，無光澤，切面粗糙，搖振反應快，韌性低，土壤干強度低，土質稍密，稍濕。該層層厚為0.7～7.6 m，層面埋深8.6～10.2 m。③層卵石（Q4 al+pl）：該層為青灰色，分布連續，一般粒徑為2~8 cm，最大粒徑為12 cm，粒徑大于2 cm 的顆粒含量占總土顆粒含量的60%~75%，母巖成分以石英巖、砂礫巖、花崗巖等硬質巖石為主，卵石磨圓度好，呈次圓-圓狀，土壤良好級配，分選性差，顆粒間聯結方式呈接觸式，粒間充填中粗砂，充填飽滿，密實程度為中密。勘察期間最大揭露厚度為4.8m（未穿透），層面埋深10.9～16.2 m。

通過鉆孔勘探后，分析上述土質情況，評估該教學樓場地為Ⅱ級（中等）自重濕陷性場地，最大濕陷深度為14.5 m，混凝土結構受到場地地基土的腐蝕性影響較小。

2.1.2 樁基基礎檢測

該場地教學樓建筑采用井樁基礎，經檢查共有29 根井樁基礎，由于這些基礎分為表1 所示的3 種類型，所以設置了如圖2 所示的3 個勘探點。由于設計中要求持力層需以③層卵石層為持力層。通過復核施工資料并且進行了現場檢測，發現個別井樁的實際尺寸不滿足設計要求。如8/D、1/C 處實際樁徑均小于900mm。通過對井樁基礎的勘探，可知井樁的樁身完整性、樁身質量，基本滿足設計要求；但是存在個別井樁未到達有效持力層，不符合JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》3.3.3 第五條規范要求[13]。

表1 井樁鉆孔勘探結果

2.2 上部結構檢測與分析

2.2.1 裂縫檢測情況

通過對該教學樓現場進行勘察和檢測，發現該教學樓外觀質量較差，有較嚴重的外部損壞，該教學樓外墻墻體與基礎連接處發現多處裂縫；地溝墻體存在裂縫；梁與墻體之間均有裂縫，在1/B—D 軸之間較為明顯。在教學樓的承重構件以及結構構件處發現有明顯受力及非受力裂縫，裂縫主要出現在1/B—D 軸、1—2/C 軸之間，最大裂縫出現在1 層，為貫通裂縫，最大寬度為6 mm。

2.2.2 混凝土強度和鋼筋配置

通過對該教學樓混凝土框架柱以及梁、板的混凝土抗壓強度進行檢測，該教學樓混凝土框架柱以及梁、板的混凝土抗壓強度等級分別為C20 和C25，滿足GB/T 50784—2013《混凝土結構現場檢測技術標準》的要求[14]。以GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》[15]允許偏差的規定為依據，還通過采用鋼筋掃描儀對該教學樓中的梁、柱的鋼筋質量進行了檢測，本次檢測共隨機抽取了該教學樓鋼筋混凝土構件中的六根梁和柱，通過鋼筋掃描儀顯示結果可以看出本次抽檢的梁柱受力鋼筋均滿足上述GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》的要求。

2.2.3 主體結構傾斜觀測

為了對該教學樓的主體傾斜度進行檢測，本工程采用萊卡TM30 全站儀進行主體傾斜觀測。如圖3 所示，主體±0.000 位置和樓頂主體位置設置20 個觀測點，主體±0.000 位置點號為：1 下至10 下；樓頂主體位置點號為1 上至10 上。

圖3 傾斜觀測點位布置圖

主體結構傾斜量：該教學樓由于外墻保溫層的影響導致無法顯示至±0.000 與樓頂位置，所以進行測量使用固定垂直數據來進行觀測。根據中華人民共和國行業標準JGJ 8—2016《建筑變形測量規范》第3.2.3 條及表3 規定[16]，當建筑物高度小于等于24 m，傾斜允許值為0.004。傾斜觀測表見表2。

表2 教學樓傾斜觀測表

表3 結構周期

依據中華人民共和國行業標準JGJ 8—2016《建筑變形測量規范》第3.2.3 條及表3 規定，當建筑物高度小于等于24 m，傾斜允許值為0.004[16]和GB 5007—2011《建筑地基基礎設計規范》規定Hg≤24 m，建筑物整體傾斜不大于0.004 的要求（Hg 為室外地面起算建筑物的高度，m）[17]。經過統計傾斜觀測的結果可知，該教學樓僅有9 號點的傾斜量滿足允許要求，其余各點全部超限，均不符合規定要求。這說明該教學樓發生側向位移的位置是上部承重結構，所以該教學樓不適于繼續承重。

2.3 主體結構抗震驗算

該教學樓荷載規定如下，樓面均布活荷載標準值：不上人屋面活載，0.5 kN/m2；雪荷載，0.25 kN/m2；基本風壓，0.3kN/m2。復核驗算時，采用YJKS2.0.3 計算分析程序對該教學樓進行結構抗震驗算。柱、梁、板的混凝土強度按實測強度取值，鋼筋采用HPB235、HRB335 級鋼筋進行設計。該建筑物屬重點設防類，場地類別Ⅱ類，抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速為0.10 g，結構重要性為1.1。

2.3.1 周期比計算

周期比是判斷結構扭轉效應的一項重要指標，其顯示了結構布置是否合理以及結構抗震性能的好壞。為了限制結構的扭轉效應，應設計結構的周期比滿足規范要求。表3 顯示了結構扭轉周期比的計算值，符合規范要求。

2.3.2 地震有效質量系數

規范要求，地震作用有效質量系數大于等于0.9時，基底的地震剪力誤差已很小，可認為取的振型數已滿足。由表4 所知結構X 向和Y 向地震有效質量系數均大于90%，說明參與地震力分析的振型數足夠，滿足規范要求。

表4 地震有效質量系數

2.3.3 彈性層間位移角

建筑結構在設計時需要考慮具備足夠的剛度，避免產生過大位移導致結構損壞，進而導致建筑結構在承載力、穩定性和使用要求方面受到影響。因此為了避免上述原因對結構造成破壞，規范有相應的限值要求對結構最大的彈性層間位移角。表5 給出了本工程X 向和Y 向結構彈性層間位移角的最大值，通過表5 可知結構X 向和Y 向的最大值層間位移角均小于1/550，符合規范要求。

表5 結構最大層間位移角

2.3.4 剪重比

為限制各樓層的最小水平地震剪力，確保周期較長的結構的安全。規范對結構的剪重比規定了限值。本項目結構剪重比見表6，結構剪重比大于規范規定限值，滿足規范要求。

表6 結構剪重比 （%）

2.3.5 層間受剪承載力比

層間受剪承載力比是控制結構豎向不規則性和判斷薄弱層的重要指標。為控制結構豎向不規則性，規范規定結構層之間的受剪承載力比的限值。結構層間受剪承載力比見表7，結構層之間的受剪承載力比大于規范規定下限值，滿足規范要求。

表7 結構層間受剪承載力比

2.3.6 軸壓比

通過計算，教學樓框架柱最大軸壓比為0.49，框架柱軸壓比均滿足GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016 年版）第6.3.6 條“框架結構在地震作用下，抗震等級為一級時軸壓比限值為0.65 的要求”[18]。

3 鑒定結論及原因分析

1）該教學樓場地為Ⅱ級（中等）自重濕陷性場地，在山坡腳處，后經人工推填整平場地，屬于大面積填方區，場地回填土不均勻、不密實且回填土中含有雜物。服役期間，地基土侵水發生濕陷和下沉。

2）近年來該地區降雨驟增導致地下徑流重新分布及水量增大，該教學樓場地處于山坡腳處，滲水匯集于場地內不能及時排除，導致該場地內土體含水量及自重升高、土體黏聚力下降的共同作用。

3）該教學樓個別井樁樁身長度不滿足規范要求，未進入可靠持力層，地基土發生濕陷導致井樁下沉，造成基礎發生不均勻下沉，墻體開裂、受損，部分門窗變形不能正常開啟。

4）該教學樓個別井樁樁徑不滿足設計要求。

5）該教學樓井樁基礎處由于產生了不均勻沉降，導致教學樓發生傾斜，傾斜值已經不滿足規范要求。

4 建議

1）為了穩定控制該教學樓建筑的不均勻沉降，建議對教學樓地基基礎采用靜壓樁頂升糾偏法加固處理。

2）通過補強加固處理對上部結構損壞構件進行維護，使用粘貼碳纖維布對板材進行加固，使用柱外包鋼加固和粘貼碳纖維布對柱、梁采用加固；進行相應涂裝封閉處理以便來維護裂紋較多墻體；拆除墻體的保溫措施，對整體重新做屋面保溫。

3）對含水率較大土層采用素土換填；并重新硬化場地，做好場地內有組織排水。