湿陷性黄土区地基填埋的某教学楼安全性鉴定与处治策略

齐尚榕，杨黎黎，熊 阳

（1.甘肃省城乡规划设计研究院有限公司，兰州 730000；2.兰州工业学院 土木工程学院，兰州 730030；3.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021）

黄土的承载力会伴随着含水量的增加而降低，在上覆荷载作用下，地基土会出现湿陷和沉降。位于黄土地基上的建筑物，在服役年限内地基土若受水扰动会出现不同程度的湿陷下沉，从而引起地基的不均匀沉降。轻则使上部结构墙体出现裂纹[1]，严重时建筑物倾斜甚至发生坍塌等事故[2-3]。因此提供一种湿陷性黄土区填埋地质条件下房屋安全性鉴定的方法，对房屋后期的加固处理意义重大。

针对湿陷性黄土地区地基不均匀沉降的问题，为了探究由于不均匀沉降对建筑物造成的影响，学者分别从不同角度对其展开了研究，一部分学者分别从湿陷性机理、湿陷性变形规律等方面展开对地基不均匀沉降的研究[4-6]，文献中列出了湿陷性黄土地基工程勘察的关键要点[7-8]。另一部分学者针对地基不均匀沉降的问题从施工方法以及控制建筑物变形等方面进行了探究[9]。如薛丽影等[10]总结了注浆加固法的设计内容、施工工艺、质量检验等，分析了该技术在面对地基不均匀沉降及建筑物变形方面的设计、应用中需要注意的问题。张勇等[11]结合实际工程，研究采用钢管微型桩对建筑物进行地基加固和纠偏的方法。温晓贵等[12]为了减小压桩引起的附加沉降，严格控制要求压桩的间隔，避免由于施工引起桩周土体的扰动。以上研究在控制地基不均匀沉降方面取得了众多成果。但对湿陷性黄土区地基填埋的建筑物的安全性鉴定方法还有待进一步完善。因此，本文依托于湿陷性黄土区地基填埋的实际工程案例，检测鉴定了地基基础和上部结构的安全性，分析了影响教学楼安全性的因素，最后针对性提出加固建议。

1 工程背景及设计参数

某教学楼2012 年建成，结构形式为框架结构，平面形式为“L”形，宽24.4 m，长25.9 m，高为11.0 m，地上2层，局部3 层；一层、二层层高均为3.4m，三层层高为3.9m，建筑面积为1 124.37 m2。该教学楼的基础为井桩基础，楼盖为钢筋混凝土现浇楼板。建筑外墙为300 mm 厚烧结砖，内墙为200 mm 厚烧结砖。建筑抗震设防类别为乙类，场地类别为Ⅱ类场地。抗震设防烈度为七度，设计基本地震加速度为0.10 g，第三组。结构安全等级为二级，抗震等级为二级。教学楼首层平面图如图1 所示。该楼于2018年发现墙体有多处轻微裂缝，2019 年7 月发现墙体裂缝较为严重，由于该教学楼已经产生明显的外部损坏，于是针对该教学楼进行了相应的勘察和检测，在此之后通过YJKS2.0.3 程序对该教学楼进行了结构整体的抗震分析。

图1 教学楼首层平面图

2 现场检测及实验

2.1 地基基础检测

2.1.1 场地工程地质

该场地位于山坡脚处，后经人工推填进行场地平整，场地为大面积填方区。根据需要对该教学楼布置了如图2 所示的3 个勘探点（1#，2#，3#）。为了对井桩进行验证检测并调查该场地的地层结构和岩土性质，本工程采用钻机泥浆护壁回转对3 个勘探点进行钻孔勘探。

图2 地基现场钻探点分布

经钻孔勘探后，该场地地层结构以及土质分布如下所示。①层杂填土（Q4 ml）：杂色，土质不均，主要组成成分是粉土和细砂，局部含有大量建筑垃圾和砾石颗粒，土质稍湿，且较为松散。层厚为8.6～10.5 m。②层粉土（Q4 al+pl）：黄褐色，土质较均匀，局部夹条带状细砂薄层，孔隙较发育，无光泽，切面粗糙，摇振反应快，韧性低，土壤干强度低，土质稍密，稍湿。该层层厚为0.7～7.6 m，层面埋深8.6～10.2 m。③层卵石（Q4 al+pl）：该层为青灰色，分布连续，一般粒径为2~8 cm，最大粒径为12 cm，粒径大于2 cm 的颗粒含量占总土颗粒含量的60%~75%，母岩成分以石英岩、砂砾岩、花岗岩等硬质岩石为主，卵石磨圆度好，呈次圆-圆状，土壤良好级配，分选性差，颗粒间联结方式呈接触式，粒间充填中粗砂，充填饱满，密实程度为中密。勘察期间最大揭露厚度为4.8m（未穿透），层面埋深10.9～16.2 m。

通过钻孔勘探后，分析上述土质情况，评估该教学楼场地为Ⅱ级（中等）自重湿陷性场地，最大湿陷深度为14.5 m，混凝土结构受到场地地基土的腐蚀性影响较小。

2.1.2 桩基基础检测

该场地教学楼建筑采用井桩基础，经检查共有29 根井桩基础，由于这些基础分为表1 所示的3 种类型，所以设置了如图2 所示的3 个勘探点。由于设计中要求持力层需以③层卵石层为持力层。通过复核施工资料并且进行了现场检测，发现个别井桩的实际尺寸不满足设计要求。如8/D、1/C 处实际桩径均小于900mm。通过对井桩基础的勘探，可知井桩的桩身完整性、桩身质量，基本满足设计要求；但是存在个别井桩未到达有效持力层，不符合JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》3.3.3 第五条规范要求[13]。

表1 井桩钻孔勘探结果

2.2 上部结构检测与分析

2.2.1 裂缝检测情况

通过对该教学楼现场进行勘察和检测，发现该教学楼外观质量较差，有较严重的外部损坏，该教学楼外墙墙体与基础连接处发现多处裂缝；地沟墙体存在裂缝；梁与墙体之间均有裂缝，在1/B—D 轴之间较为明显。在教学楼的承重构件以及结构构件处发现有明显受力及非受力裂缝，裂缝主要出现在1/B—D 轴、1—2/C 轴之间，最大裂缝出现在1 层，为贯通裂缝，最大宽度为6 mm。

2.2.2 混凝土强度和钢筋配置

通过对该教学楼混凝土框架柱以及梁、板的混凝土抗压强度进行检测，该教学楼混凝土框架柱以及梁、板的混凝土抗压强度等级分别为C20 和C25，满足GB/T 50784—2013《混凝土结构现场检测技术标准》的要求[14]。以GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》[15]允许偏差的规定为依据，还通过采用钢筋扫描仪对该教学楼中的梁、柱的钢筋质量进行了检测，本次检测共随机抽取了该教学楼钢筋混凝土构件中的六根梁和柱，通过钢筋扫描仪显示结果可以看出本次抽检的梁柱受力钢筋均满足上述GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》的要求。

2.2.3 主体结构倾斜观测

为了对该教学楼的主体倾斜度进行检测，本工程采用莱卡TM30 全站仪进行主体倾斜观测。如图3 所示，主体±0.000 位置和楼顶主体位置设置20 个观测点，主体±0.000 位置点号为：1 下至10 下；楼顶主体位置点号为1 上至10 上。

图3 倾斜观测点位布置图

主体结构倾斜量：该教学楼由于外墙保温层的影响导致无法显示至±0.000 与楼顶位置，所以进行测量使用固定垂直数据来进行观测。根据中华人民共和国行业标准JGJ 8—2016《建筑变形测量规范》第3.2.3 条及表3 规定[16]，当建筑物高度小于等于24 m，倾斜允许值为0.004。倾斜观测表见表2。

表2 教学楼倾斜观测表

表3 结构周期

依据中华人民共和国行业标准JGJ 8—2016《建筑变形测量规范》第3.2.3 条及表3 规定，当建筑物高度小于等于24 m，倾斜允许值为0.004[16]和GB 5007—2011《建筑地基基础设计规范》规定Hg≤24 m，建筑物整体倾斜不大于0.004 的要求（Hg 为室外地面起算建筑物的高度，m）[17]。经过统计倾斜观测的结果可知，该教学楼仅有9 号点的倾斜量满足允许要求，其余各点全部超限，均不符合规定要求。这说明该教学楼发生侧向位移的位置是上部承重结构，所以该教学楼不适于继续承重。

2.3 主体结构抗震验算

该教学楼荷载规定如下，楼面均布活荷载标准值：不上人屋面活载，0.5 kN/m2；雪荷载，0.25 kN/m2；基本风压，0.3kN/m2。复核验算时，采用YJKS2.0.3 计算分析程序对该教学楼进行结构抗震验算。柱、梁、板的混凝土强度按实测强度取值，钢筋采用HPB235、HRB335 级钢筋进行设计。该建筑物属重点设防类，场地类别Ⅱ类，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速为0.10 g，结构重要性为1.1。

2.3.1 周期比计算

周期比是判断结构扭转效应的一项重要指标，其显示了结构布置是否合理以及结构抗震性能的好坏。为了限制结构的扭转效应，应设计结构的周期比满足规范要求。表3 显示了结构扭转周期比的计算值，符合规范要求。

2.3.2 地震有效质量系数

规范要求，地震作用有效质量系数大于等于0.9时，基底的地震剪力误差已很小，可认为取的振型数已满足。由表4 所知结构X 向和Y 向地震有效质量系数均大于90%，说明参与地震力分析的振型数足够，满足规范要求。

表4 地震有效质量系数

2.3.3 弹性层间位移角

建筑结构在设计时需要考虑具备足够的刚度，避免产生过大位移导致结构损坏，进而导致建筑结构在承载力、稳定性和使用要求方面受到影响。因此为了避免上述原因对结构造成破坏，规范有相应的限值要求对结构最大的弹性层间位移角。表5 给出了本工程X 向和Y 向结构弹性层间位移角的最大值，通过表5 可知结构X 向和Y 向的最大值层间位移角均小于1/550，符合规范要求。

表5 结构最大层间位移角

2.3.4 剪重比

为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全。规范对结构的剪重比规定了限值。本项目结构剪重比见表6，结构剪重比大于规范规定限值，满足规范要求。

表6 结构剪重比 （%）

2.3.5 层间受剪承载力比

层间受剪承载力比是控制结构竖向不规则性和判断薄弱层的重要指标。为控制结构竖向不规则性，规范规定结构层之间的受剪承载力比的限值。结构层间受剪承载力比见表7，结构层之间的受剪承载力比大于规范规定下限值，满足规范要求。

表7 结构层间受剪承载力比

2.3.6 轴压比

通过计算，教学楼框架柱最大轴压比为0.49，框架柱轴压比均满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）第6.3.6 条“框架结构在地震作用下，抗震等级为一级时轴压比限值为0.65 的要求”[18]。

3 鉴定结论及原因分析

1）该教学楼场地为Ⅱ级（中等）自重湿陷性场地，在山坡脚处，后经人工推填整平场地，属于大面积填方区，场地回填土不均匀、不密实且回填土中含有杂物。服役期间，地基土侵水发生湿陷和下沉。

2）近年来该地区降雨骤增导致地下径流重新分布及水量增大，该教学楼场地处于山坡脚处，渗水汇集于场地内不能及时排除，导致该场地内土体含水量及自重升高、土体黏聚力下降的共同作用。

3）该教学楼个别井桩桩身长度不满足规范要求，未进入可靠持力层，地基土发生湿陷导致井桩下沉，造成基础发生不均匀下沉，墙体开裂、受损，部分门窗变形不能正常开启。

4）该教学楼个别井桩桩径不满足设计要求。

5）该教学楼井桩基础处由于产生了不均匀沉降，导致教学楼发生倾斜，倾斜值已经不满足规范要求。

4 建议

1）为了稳定控制该教学楼建筑的不均匀沉降，建议对教学楼地基基础采用静压桩顶升纠偏法加固处理。

2）通过补强加固处理对上部结构损坏构件进行维护，使用粘贴碳纤维布对板材进行加固，使用柱外包钢加固和粘贴碳纤维布对柱、梁采用加固；进行相应涂装封闭处理以便来维护裂纹较多墙体；拆除墙体的保温措施，对整体重新做屋面保温。

3）对含水率较大土层采用素土换填；并重新硬化场地，做好场地内有组织排水。