濕陷性黃土區(qū)地基填埋的某教學(xué)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(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，蘭州 730000；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，蘭州 730030；3.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)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(xiàn)濕陷和沉降。位于黃土地基上的建筑物，在服役年限內(nèi)地基土若受水擾動會出現(xiàn)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(jié)構(gòu)墻體出現(xiàn)裂紋[1]，嚴重時建筑物傾斜甚至發(fā)生坍塌等事故[2-3]。因此提供一種濕陷性黃土區(qū)填埋地質(zhì)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(qū)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(xué)者分別從不同角度對其展開了研究，一部分學(xué)者分別從濕陷性機理、濕陷性變形規(guī)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(guān)鍵要點[7-8]。另一部分學(xué)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(jié)了注漿加固法的設(shè)計內(nèi)容、施工工藝、質(zhì)量檢驗等，分析了該技術(shù)在面對地基不均勻沉降及建筑物變形方面的設(shè)計、應(yīng)用中需要注意的問題。張勇等[11]結(jié)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(qū)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(qū)地基填埋的實際工程案例，檢測鑒定了地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的安全性，分析了影響教學(xué)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(shè)計參數(shù)

某教學(xué)樓2012 年建成，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，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(xué)樓的基礎(chǔ)為井樁基礎(chǔ)，樓蓋為鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板。建筑外墻為300 mm 厚燒結(jié)磚，內(nèi)墻為200 mm 厚燒結(jié)磚。建筑抗震設(shè)防類別為乙類，場地類別為Ⅱ類場地。抗震設(shè)防烈度為七度，設(shè)計基本地震加速度為0.10 g，第三組。結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震等級為二級。教學(xué)樓首層平面圖如圖1 所示。該樓于2018年發(fā)現(xiàn)墻體有多處輕微裂縫，2019 年7 月發(fā)現(xiàn)墻體裂縫較為嚴重，由于該教學(xué)樓已經(jīng)產(chǎn)生明顯的外部損壞，于是針對該教學(xué)樓進行了相應(yīng)的勘察和檢測，在此之后通過YJKS2.0.3 程序?qū)υ摻虒W(xué)樓進行了結(jié)構(gòu)整體的抗震分析。

圖1 教學(xué)樓首層平面圖

2 現(xiàn)場檢測及實驗

2.1 地基基礎(chǔ)檢測

2.1.1 場地工程地質(zhì)

該場地位于山坡腳處，后經(jīng)人工推填進行場地平整，場地為大面積填方區(qū)。根據(jù)需要對該教學(xué)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(diào)查該場地的地層結(jié)構(gòu)和巖土性質(zhì)，本工程采用鉆機泥漿護壁回轉(zhuǎn)對3 個勘探點進行鉆孔勘探。

圖2 地基現(xiàn)場鉆探點分布

經(jīng)鉆孔勘探后，該場地地層結(jié)構(gòu)以及土質(zhì)分布如下所示。①層雜填土（Q4 ml）：雜色，土質(zhì)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(zhì)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(zhì)較均勻，局部夾條帶狀細砂薄層，孔隙較發(fā)育，無光澤，切面粗糙，搖振反應(yīng)快，韌性低，土壤干強度低，土質(zhì)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(xù)，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(zhì)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(lián)結(jié)方式呈接觸式，粒間充填中粗砂，充填飽滿，密實程度為中密?？辈炱陂g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(zhì)情況，評估該教學(xué)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(jié)構(gòu)受到場地地基土的腐蝕性影響較小。

2.1.2 樁基基礎(chǔ)檢測

該場地教學(xué)樓建筑采用井樁基礎(chǔ)，經(jīng)檢查共有29 根井樁基礎(chǔ)，由于這些基礎(chǔ)分為表1 所示的3 種類型，所以設(shè)置了如圖2 所示的3 個勘探點。由于設(shè)計中要求持力層需以③層卵石層為持力層。通過復(fù)核施工資料并且進行了現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)個別井樁的實際尺寸不滿足設(shè)計要求。如8/D、1/C 處實際樁徑均小于900mm。通過對井樁基礎(chǔ)的勘探，可知井樁的樁身完整性、樁身質(zhì)量，基本滿足設(shè)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(shù)規(guī)范》3.3.3 第五條規(guī)范要求[13]。

表1 井樁鉆孔勘探結(jié)果

2.2 上部結(jié)構(gòu)檢測與分析

2.2.1 裂縫檢測情況

通過對該教學(xué)樓現(xiàn)場進行勘察和檢測，發(fā)現(xiàn)該教學(xué)樓外觀質(zhì)量較差，有較嚴重的外部損壞，該教學(xué)樓外墻墻體與基礎(chǔ)連接處發(fā)現(xiàn)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(xué)樓的承重構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件處發(fā)現(xiàn)有明顯受力及非受力裂縫，裂縫主要出現(xiàn)在1/B—D 軸、1—2/C 軸之間，最大裂縫出現(xiàn)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(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標準》的要求[14]。以GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[15]允許偏差的規(guī)定為依據(jù)，還通過采用鋼筋掃描儀對該教學(xué)樓中的梁、柱的鋼筋質(zhì)量進行了檢測，本次檢測共隨機抽取了該教學(xué)樓鋼筋混凝土構(gòu)件中的六根梁和柱，通過鋼筋掃描儀顯示結(jié)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(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》的要求。

2.2.3 主體結(jié)構(gòu)傾斜觀測

為了對該教學(xué)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(shè)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(jié)構(gòu)傾斜量：該教學(xué)樓由于外墻保溫層的影響導(dǎo)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(shù)據(jù)來進行觀測。根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準JGJ 8—2016《建筑變形測量規(guī)范》第3.2.3 條及表3 規(guī)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(xué)樓傾斜觀測表

表3 結(jié)構(gòu)周期

依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準JGJ 8—2016《建筑變形測量規(guī)范》第3.2.3 條及表3 規(guī)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(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)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(jīng)過統(tǒng)計傾斜觀測的結(jié)果可知，該教學(xué)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(guī)定要求。這說明該教學(xué)樓發(fā)生側(cè)向位移的位置是上部承重結(jié)構(gòu)，所以該教學(xué)樓不適于繼續(xù)承重。

2.3 主體結(jié)構(gòu)抗震驗算

該教學(xué)樓荷載規(guī)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(fù)核驗算時，采用YJKS2.0.3 計算分析程序?qū)υ摻虒W(xué)樓進行結(jié)構(gòu)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(shè)計。該建筑物屬重點設(shè)防類，場地類別Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速為0.10 g，結(jié)構(gòu)重要性為1.1。

2.3.1 周期比計算

周期比是判斷結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的一項重要指標，其顯示了結(jié)構(gòu)布置是否合理以及結(jié)構(gòu)抗震性能的好壞。為了限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，應(yīng)設(shè)計結(jié)構(gòu)的周期比滿足規(guī)范要求。表3 顯示了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比的計算值，符合規(guī)范要求。

2.3.2 地震有效質(zhì)量系數(shù)

規(guī)范要求，地震作用有效質(zhì)量系數(shù)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(shù)已滿足。由表4 所知結(jié)構(gòu)X 向和Y 向地震有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，說明參與地震力分析的振型數(shù)足夠，滿足規(guī)范要求。

表4 地震有效質(zhì)量系數(shù)

2.3.3 彈性層間位移角

建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計時需要考慮具備足夠的剛度，避免產(chǎn)生過大位移導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，進而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)在承載力、穩(wěn)定性和使用要求方面受到影響。因此為了避免上述原因?qū)Y(jié)構(gòu)造成破壞，規(guī)范有相應(yīng)的限值要求對結(jié)構(gòu)最大的彈性層間位移角。表5 給出了本工程X 向和Y 向結(jié)構(gòu)彈性層間位移角的最大值，通過表5 可知結(jié)構(gòu)X 向和Y 向的最大值層間位移角均小于1/550，符合規(guī)范要求。

表5 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的安全。規(guī)范對結(jié)構(gòu)的剪重比規(guī)定了限值。本項目結(jié)構(gòu)剪重比見表6，結(jié)構(gòu)剪重比大于規(guī)范規(guī)定限值，滿足規(guī)范要求。

表6 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性和判斷薄弱層的重要指標。為控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性，規(guī)范規(guī)定結(jié)構(gòu)層之間的受剪承載力比的限值。結(jié)構(gòu)層間受剪承載力比見表7，結(jié)構(gòu)層之間的受剪承載力比大于規(guī)范規(guī)定下限值，滿足規(guī)范要求。

表7 結(jié)構(gòu)層間受剪承載力比

2.3.6 軸壓比

通過計算，教學(xué)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(shè)計規(guī)范》（2016 年版）第6.3.6 條“框架結(jié)構(gòu)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(jié)論及原因分析

1）該教學(xué)樓場地為Ⅱ級（中等）自重濕陷性場地，在山坡腳處，后經(jīng)人工推填整平場地，屬于大面積填方區(qū)，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(fā)生濕陷和下沉。

2）近年來該地區(qū)降雨驟增導(dǎo)致地下徑流重新分布及水量增大，該教學(xué)樓場地處于山坡腳處，滲水匯集于場地內(nèi)不能及時排除，導(dǎo)致該場地內(nèi)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(xué)樓個別井樁樁身長度不滿足規(guī)范要求，未進入可靠持力層，地基土發(fā)生濕陷導(dǎo)致井樁下沉，造成基礎(chǔ)發(fā)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(xué)樓個別井樁樁徑不滿足設(shè)計要求。

5）該教學(xué)樓井樁基礎(chǔ)處由于產(chǎn)生了不均勻沉降，導(dǎo)致教學(xué)樓發(fā)生傾斜，傾斜值已經(jīng)不滿足規(guī)范要求。

4 建議

1）為了穩(wěn)定控制該教學(xué)樓建筑的不均勻沉降，建議對教學(xué)樓地基基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)損壞構(gòu)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(yīng)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(nèi)有組織排水。