某高层建筑物倾斜原因分析及结构可靠性评定

2018-11-12安徽省建筑工程质量第二监督检测站安徽合肥230032

安徽建筑 2018年6期

刘军（安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽合肥 230032）

0 前言

随着社会经济的飞速发展，城市基础建设规模增大，大量的高层建筑不断出现，高层建筑质量事故时有发生，工程事故与建设成本降低、施工工期缩减、设计缺陷、施工质量及特殊环境条件等问题有必然联系。本文提供一例典型的高层建筑因地基基础问题发生倾斜的案例供大家参考。

1 工程概况

某小区由地下车库、13栋高层和2栋商业楼组成；地下车库为地下一层框架结构，车库基础设计为梁板式筏板基础；13栋住宅楼地上分别为地上18层、26层、28层或33层剪力墙结构，地下1层，基础设计为预应力管桩基础；2栋商业楼均为地上2层框架结构。主楼与周边地库相连处未设置永久沉降缝，但施工过程中设置沉降后浇带。部分主楼周边建筑物相对位置示意图见图1。

某主楼周边为车库，地下一层，框架结构，基础设计为梁板式筏板基础，基础持力层为第③层淤泥质粉质粘土，承载力特征值不低于70 kPa，底板厚450mm。根据《会议记录》显示：①地库（含商业）底板垫层下超挖350mm(淤泥质土处)，然后用级配碎石回填至混凝土找平层底部；②腐殖土全部挖完，全部级配碎石回填；③黄土层，按设计做法施工，未见换填层相关质量控制资料及承载力检验报告；地库在距该楼西北角13.5m位置设置一消防水池，水池容积为260m3。

图1 主楼与周边建筑位置示意图

该楼建筑平面近似呈矩形，东西向总长56.950m，中间设置一条伸缩缝，南北向总长16.60m，建筑面积约为13500m2，总建筑高度为52.650m。房屋作为住宅楼使用，为18层钢筋混凝土剪力墙结构，抗震设防烈度为6度，建筑抗震设防类别为丙类，结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，剪力墙抗震等级为四级，地基基础设计等级为乙级，主楼采用预应力高强混凝土管桩基础，无桩尖（开口），桩型为PHC-A400（95），桩端土为⑦粉细砂层，单桩承载力特征值Ra=1350kN。房屋结构混凝土强度设计等级为C35和C30，采用钢筋混凝土现浇板，各层楼面结构布置基本相似。

该楼相邻西侧和南侧分别为两栋商业楼，地上部分均为两层钢筋混凝土框架结构，地下部分为负一层车库，其中地上部分直接落于地下车库顶板上。

2 工程地质概况

根据勘察报告及补勘资料显示：该楼所在场地属长江Ⅰ级阶地；地表水随季节受降雨量控制，地下水分为上层滞水和承压水，上层滞水赋存于杂填土层中，地下水位与降水、季节变化有关，地下水的水位埋深在0.50～2.00m之间；场地土层结构较简单，地层较均匀，未发现较大规模的断裂构造存在，属较稳定场地。各土层主要物理力学指标见表1。

3 地基基础历次处理情况

场地各土层主要物理力学指标表1

该工程于2013年12月完工后交付使用，2014年5月发现相邻商业S-01'#楼东立面填充墙体出现“倒八字”形斜向裂缝，该楼二单元104室～504室内部填充墙体、楼面现浇板出现不同程度裂缝；根据相关资料及图纸可知，该楼及临近区域地下室底板处理过2次。

第一次处理：2014年5月，沉降观测报告显示该楼出现规范值容许范围内的不均匀沉降，经组织设计院和相关单位分析原因后，由原设计单位出具商业楼地基加固图纸（设计800余根C15高压旋喷桩，桩有效长度为8m），并于2014年6月至2014年8月完成地基加固施工。

第二次处理：根据沉降观测数据反映首次地基加固处理后不均匀沉降明显趋缓，但沉降速率仍有波动，2015年底沉降观测数据显示稳定，未做进一步处理；2016年由于雨水多、地下水上涨对地基产生影响，通过观测，发现商铺西侧下沉速度加快，同时带动邻近的主楼西侧沉降不均匀，住户反映填充墙体裂缝增加；2016年8月组织专家会决定采用静压锚杆桩地基处理方案，共设计435根静压锚杆桩，参考桩长21.0m，桩端持力层为第5层粉质粘土夹粉土；2016年9月至今共施工完成215根，其中主楼下部93根桩施工已完成、商业S-01#、S-01'#楼及车库间隔完成122根，其余220根桩目前尚未施工。

4 房屋已有沉降监测数据

4.1 沉降趋势

主楼沉降监测点 CJ09-01、CJ09-02、CJ09-07、CJ09-08、CJ09-09和 CJ09-10从 2012年 3月 25日至今沉降速率均匀，沉降趋于稳定；沉降监测点CJ09-03和CJ09-04除2016年4月～6月沉降速率稍有变化加速增大外，其它观测期间沉降速率均匀，沉降趋于稳定；但主楼房屋西侧沉降监测点CJ09-05和CJ09-06在观测周期内出现3次沉降速率异常加速，分别为：2013年10月～2014年6月沉降速率变化加速增大，2014年8月～12月期间（第一次采用高压旋喷桩进行地基加固后）沉降速率变化加速增大，2016年4月～6月沉降速率变化加速增大，除上述异常现象外，其它观测期间沉降速率均匀、稳定。3次沉降速率异常加速的时间段，均发生于每年4月～6月雨水汛期或相邻商业用房采用高压旋喷桩地基处理后一段时期内，表明地下水位的变化、地基处理后土体的固结和对原地基土的扰动，对主楼地基基础的不均匀沉降产生明显影响。

4.2 沉降量

东西方向上，西侧CJ09-05和CJ09-06测点比东侧CJ09-04和CJ09-07测点沉降量大，CJ09-05和CJ09-04的沉降差为22.31mm，CJ09-06和CJ09-07的沉降差为23.50mm；南北方向上，南侧CJ09-05和CJ09-04测点比北侧CJ09-06和CJ09-07测点沉降量大，CJ09-05和 CJ09-06的沉降差为 1.08mm，CJ09-04和CJ09-07的沉降差为2.27mm。因此，房屋整体表现为东北端沉降小、西南端沉降大，其中西侧监测点最大累计沉降量约45mm、东侧监测点最小累计沉降量约14mm，表明主楼地基基础存在明显不均匀沉降现象，且整体由东北向西南方向倾斜趋势。

5 检测鉴定结果

经察看现场、了解工程相关情况，根据委托鉴定内容和相关技术标准制定检测鉴定方案，现场普查后针对发现的问题进行重点检测，结果如下。

5.1 地基基础检测鉴定

5.1.1 相关文件及资料调审结果

该工程岩土工程勘察报告、设计图纸、基桩检测报告、隐蔽工程检查验收记录、沉降观测记录以及质量控制等资料齐全，主要原材管桩、钢筋、混凝土等合格证和复试报告齐全。

5.1.2 桩基检测情况

基桩检测报告显示：主楼全部工程桩177根，低应变桩身完整性检测其中Ⅰ类桩173根，Ⅱ类桩4根，Ⅱ类桩分布分散，桩身波速范围4120～4380m/s，桩身平均速度约为4250 m/s；抽检该工程3根工程桩，单桩竖向抗压承载力特征值为1350kN，均满足设计要求。

5.1.3 基础工作现状

经对底层结构构件的普查并结合沉降观测资料、垂直度观测结果，该建筑物地基基础不均匀沉降明显，并已造成上部主体结构出现开裂、整体倾斜等异常现象；地下室剪力墙构件部分裂缝宽度大，地下室顶板和梁裂缝细密、数量多。

5.2 上部承重结构检测鉴定

5.2.1 相关文件及资料调审结果

该工程设计图纸、隐蔽工程检查验收记录、建筑结构平面轴线、标高检查记录、工程实体质量检测报告等资料齐全，主要原材钢筋、焊接、混凝土、砖等合格证和复试报告齐全。

5.2.2 结构使用情况调查结果

该工程于2014年建成后交付使用至今，使用功能为住宅楼，未发现改变使用功能的现象；由于主楼和周边商业建筑出现不均匀沉降，2014年6月～8月进行地基处理；2016年9月至今采用静压桩处理，目前尚未完成。

5.2.3 上部承重结构体系调查结果

该建筑为地下1层、地上18层剪力墙结构，上部结构由剪力墙、梁和板共同承重，楼面和屋面均采用钢筋混凝土现浇板，建筑物平面尺寸为56.95m×16.60m，共有2个单元（144户）；地下室层高5.12 m，1层～18层层高均为2.9m；剪力墙主要分布在房间四周及中央部位，墙肢长400～2100mm之间，墙厚主要为200mm或250mm。建筑结构平面布置与设计图纸相符。该建筑立面规则，竖向构件连续、传力途径明确；建筑平面规整，中间设有一条伸缩缝。

5.2.4 房屋裂缝分布特征

经普查，主要发现地下室剪力墙中部、梁和顶板斜向裂缝，上部结构中部分剪力墙水平向裂缝、框架梁裂缝，部分现浇板跨中直线形或板角位置裂缝，部分填充墙上斜向裂缝或与剪力墙交接处竖向裂缝等，根据损伤裂缝所处的部位，可以分为地下室构件损伤裂缝、户内损伤裂缝和外保温层、屋面及室外损伤等。

①地下室构件损伤裂缝

主楼地下室剪力墙柱、梁板和填充墙构件进行裂缝普查，主要可以分为剪力墙（柱）裂缝、框架梁裂缝、现浇板裂缝和填充墙裂缝。

地下室剪力墙（柱）裂缝主要出现在主楼西侧、南侧和北侧外侧剪力墙（柱）上，主楼中部剪力墙上未发现裂缝；裂缝从剪力墙中上部发生（与相邻地库顶梁标高基本相同），向上、向下延伸，基本呈半圆弧形或斜向开展，贯穿剪力墙截面，裂缝宽度中间大、两端小，部分裂缝宽度较大，主楼西侧剪力墙上裂缝宽度约为0.70mm～2.00mm，主楼南侧剪力墙上裂缝宽度约为0.60mm～1.85mm，主楼北侧剪力墙上裂缝宽度约为0.20mm～0.40mm。

地下室梁分为中部连梁和顶梁两种，中部连梁（标高-1.480m）裂缝主要出现在主楼地下室西侧和南侧位置，该类梁裂缝出现在中间或主次梁交接位置，一道或连续几道斜向分布，基本贯穿梁截面，数量较多，裂缝宽度在0.10mm～0.40mm之间；地下室顶梁裂缝主要地下室西侧和南侧位置，该类梁裂缝基本与顶板裂缝相连，数量相对较少，裂缝宽度在0.10mm～0.26mm之间。

地下室顶现浇板裂缝分布范围较大、数量较多，裂缝开展的方向规律较明显，主楼西北位置板裂缝基本沿西北方向斜向开展，主楼西南或南侧位置板裂缝基本沿西南方向斜向开展，部分板裂缝与顶梁裂缝相连，裂缝宽度在0.04mm～0.34mm之间。

地下室顶填充墙裂缝主要出现在主楼地下室西侧和南侧位置，出现在填充墙中部或与框架结构交接部位，裂缝沿斜向开展或呈水平、竖向分布，裂缝基本贯穿墙截面，裂缝宽度在0.06mm～2.60mm之间；二单元地下室楼梯入口处部分填充墙体裂缝开展宽度较大，该墙体裂缝宽度约有8mm。

②户内损伤

根据现场检测条件，对主楼共144户房间进行了入户损伤调查，现场检测结果表明，户内损伤主要表现为：填充墙开裂、现浇板开裂、局部区域框架梁、局部区域剪力墙开裂和瓷砖面开裂等。

各房间墙体裂缝较普遍，主要可以分成3种类型：第一类型裂缝主要出现在剪力墙与填充墙交接处，基本呈竖向直线开展，裂缝宽度在0.04mm～0.40mm之间；第二类型裂缝出现在部分填充墙体中部，沿斜向或直线开展，裂缝较多、部分宽度较大，主要出现在E轴、H轴、3轴等，裂缝宽度一般在0.06mm～0.60mm，部分裂缝宽度较大约为5.0mm～6.0mm；第三类型裂缝出现在墙体门窗洞口处角部裂缝较普遍，基本沿斜向或直线开展，裂缝宽度一般在0.06mm～0.45mm；厨房、卫生间部分墙面瓷砖有开裂现象；部分房间卫生间和厨房中隔墙与结构有脱开现象；二单元墙体裂缝相对较多。

检测中发现户内部分剪力墙构件有水平向裂缝，主要出现在二单元104室～904室，裂缝宽度一般在0.06mm～0.40mm；户内H轴部分框架梁有开裂现象，裂缝部分贯穿梁截面，裂缝宽度一般在0.06mm～0.40mm。

③外保温层、屋面及室外损伤

检测中发现外墙面保温层有开裂现象，屋面部分区域保温层开裂（已修补），建筑物周边排水沟与主体结构脱开、开裂等现象。

④主楼周边区域损伤

检测中发现主楼周边地库中（西北侧、西侧）部分框架梁或柱有开裂现象。

根据上述裂缝普查，裂缝发生区域及部位具有以下明显特征：主楼与周边地库相连部位结构构件裂缝产生数量多、宽度大；主楼主要承重（剪力墙、梁板）构件以及围护结构的裂缝，大部分呈斜向或水平向裂缝，且由上至下具有逐渐加重趋势，表明主楼大部分结构构件裂缝的发生符合基础不均匀沉降特征。

5.2.5 房屋裂缝监测

选取部分填充墙体和剪力墙构件，在构件表面的裂缝位置制作了部分石膏观测点。经2个月的裂缝监测发现：①地下室剪力墙裂缝处共布置107个观测点，两次检查未发现石膏观测点有新开裂现象；②二单元104室剪力墙裂缝处共布置12个观测点、框架梁8个观测点，两次检查未发现石膏观测点有新开裂现象；③填充墙体上裂缝处共布置57个观测点，2次检查共发现其中有40个石膏观测点有新开裂现象。

5.2.6 建筑物顶点侧向位移的检测

采用DT-202C型电子经纬仪和NIVO2型电子全站仪，对建筑物顶点侧向位移（建筑物因不均匀沉降附加的位移、主体结构和外保温层施工误差的综合反映）进行测量，实测建筑物西侧2个顶点侧向位移检测值为158mm和155mm，房屋整体向西南方向倾斜，目前尚未超过《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292-2015)规定的不适于承载的侧向位移限值（H/300或＞400mm），但局部测点位移值已接近规范不适于承载的限值。

5.2.7 实体质量检测

由于本工程质量保证资料和隐蔽工程验收记录等齐全，本次检测实体质量主要随机抽取部分构件验证性检测。

5.2.7.1 混凝土强度检测

随机抽取部分混凝土构件，采用回弹法抽检的剪力墙、梁混凝土构件现龄期混凝土强度推定值满足设计要求。

5.2.7.2 剪力墙钢筋配置及墙厚检测

随机抽取部分剪力墙构件，采用钢筋定位仪及钢尺等对剪力墙钢筋配置情况、截面尺寸及保护层进行检测，抽检剪力墙钢筋配置基本满足设计要求；被测剪力墙墙厚基本满足设计要求；抽检剪力墙除局部钢筋保护层厚度偏大外，其余符合施工验收规范要求。

5.2.7.3 梁钢筋配置、截面尺寸及纵向钢筋保护层检测

采用钢筋定位仪及钢尺等对部分梁钢筋配置、截面尺寸及纵向钢筋保护层进行检测，抽检梁钢筋配置和截面尺寸基本满足设计及规范允许偏差要求。

5.2.7.4 现浇板钢筋配置及板厚情况检测

采用钢筋定位仪及钢尺等对部分现浇板钢筋保护层及间距进行检测，抽检板钢筋配置、截面尺寸和保护层厚度基本满足设计及规范允许偏差要求。

5.3 围护结构检测鉴定

采用钢筋定位仪、钢尺对墙体拉结筋间距进行检测，被测墙体拉结筋间距在470～620mm之间，基本满足施工验收规范要求。

6 结构验算

6.1 建模验算

采用中国建筑科学研究院结构设计软件PKPM2010 v2.1版，按原设计施工图、岩土工程详细勘察报告（含补勘）结合现场数据，建模计算，计算模型见图2所示，计算结果见图3所示。

6.2 验算结论

设计地基基础承载能力符合规范要求；承重结构承载能力符合规范要求；主楼与周边地库、商业楼计算沉降量差异较大。

7 原因分析及评价

7.1 沉降及倾斜原因分析

本工程为带裙房的大底盘高层建筑（地下一层），主楼基础采用预应力管桩（无桩尖、开口），桩端持力层为第⑦层粉细砂，车库基础为梁板式筏板基础，落于第③层淤泥质粉质粘土，该层土为高压缩性土(土层厚14.30m～18.30m)，属典型软弱地基，对外界环境变化（地下水位、外界扰动）较为敏感，主楼西南侧车库筏板下有10.8m～14.0 m厚淤泥质粉质粘土，在车库与主楼之间易产生差异沉降。

设计最终采用在主楼与车库之间设置后浇带处理差异沉降问题，未设置永久沉降缝。依据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中第7.3.1条“当建筑体型比较复杂时，宜根据其平面形状和高度差异情况在适当部位用沉降缝将其划分成若干个刚度较好的单元；当高度差异或荷载差异较大时，可将两者隔开一定距离，当拉开距离后的两个单元必须连接时，应采用能自由沉降的连接构造”；第7.3.2条“建筑物在下列部位，宜设置沉降缝：高度差异或荷载差异处；地基土的压缩性有显著差异处；建筑结构或基础类型不同处”；第8.4.20条“当高层建筑与相连的裙房之间不设置沉降缝时，宜在裙房一侧设置用于控制沉降的后浇带，当沉降实测值和计算确定的后期沉降差满足设计要求后，方可进行后浇带混凝土浇筑”。未见主楼周边裙房在后浇带浇筑前的沉降实测值和计算确定的后期沉降差的相关资料。

图2 计算模型

图3 有限元计算筏板基础沉降图

地库基础筏板下有10多m厚的高压缩性淤泥质粉质粘土，沉降量大且沉降有一定周期，且9#楼西南边车库上有2层商业楼，加大了主楼西南面的沉降，而主楼桩基沉降量小；结构复核表明，主楼与周边地库、商业楼计算沉降量差异较大，计算结果与现场实际相符。

综上所述，由于主楼和车库结构相连，车库和主楼的差异沉降致使主楼基础和上部结构产生附加应力，导致主楼产生附加不均匀沉降、主楼倾斜、结构构件和墙体开裂。

7.2 损伤及评价

被测主楼地下室剪力墙（柱）、梁和板裂缝主要由于相邻车库和主楼的差异沉降致使主楼上部结构产生附加应力，导致开裂，部分剪力墙（柱）裂缝数量较多、宽度较大，地下室顶板和梁裂缝细密、数量多，被测地下室剪力墙（柱）、梁和板构件裂缝的产生对结构安全有一定影响。

上部结构中局部剪力墙水平向裂缝和局部框架梁裂缝主要由于建筑物倾斜在上部结构产生的附加应力导致，该类型构件裂缝的产生对结构安全有影响。

填充墙体裂缝、填充墙与剪力墙、梁交接处裂缝主要由于建筑物倾斜在上部结构产生的附加应力、材料收缩和温度应力等因素引起，该类裂缝不影响结构安全，但对正常使用和观瞻有一定影响。

建筑物外墙保温层、屋面及室外损伤因建筑物倾斜、不均匀沉降等因素引起，对正常使用和观瞻有影响，保温层脱落对安全有一定影响。

8 结构安全性综合评定

8.1 地基基础

①设场地无断裂构造存在，属较稳定的建筑场地；根据基桩检测报告显示本工程桩身完整性和抽检该3根桩的单桩竖向抗压承载力特征值为1350kN，均满足设计要求。

②根据沉降监测报告可知主楼房屋各监测点沉降不均匀，西侧两个监测点累计沉降量最大，由西向东各监测点沉降量呈逐渐减小趋势。

③经对底层结构构件的普查并结合沉降观测资料、垂直度观测结果，该建筑物地基基础不均匀沉降明显，并已造成上部主体结构出现开裂、整体倾斜等；部分地下室剪力墙构件裂缝宽度大，地下室顶板和梁裂缝细密、数量多。

④经结构验算：设计地基基础承载能力满足规范要求，但变形不符合要求。

⑤综上所述，本工程地基基础安全性等级评定为Cu级。

8.2 上部承重结构

8.2.1 结构承载功能等级

①抽检的剪力墙、梁混凝土强度达到设计强度等级要求；抽检剪力墙、梁、板钢筋配置及截面尺寸基本满足设计要求。

②经检测：发现部分上部主要承重结构构件因基础差异沉降产生附加应力引起的结构性受力裂缝；部分地下室剪力墙裂缝宽度较大（见附图2），该类构件属于cu级；其它部分承重梁、板构件裂缝宽度未超出规范限值，属该类构件属于bu级；经统计（见表2），同类型构件集内cu级构件含量均未超过15%。

③根据实测结果结合原设计图纸，经验算：上部承重结构承载能力满足规范要求。

构件集安全性等级评定统计表表2

④综上所述，本工程上部结构承载功能等级评定为Bu级。

8.2.2 结构整体性

本工程结构布置基本合理，形成完整的体系，传力路径明确；结构形式和构件选型、整体性构造和连接基本符合规范要求。但部分承重构件出现裂缝，且部分裂缝宽度较大，因此结构整体性评定为Bu级。

8.2.3 结构的侧向位移等级

被测建筑物整体向西南方向倾斜，2017年4月11日实测各顶点侧向位移尚未超过《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292-2015)规定的不适于承载的侧向位移限值（H/300），但局部测点位移值已接近规范不适于承载的限值。结构的侧向位移等级评定为Bu级。

综上所述，上部承重结构安全性等级评定为Bu级。

8.3 非承重围护结构

经普查，发现上部结构中围护墙体开裂现象普遍，部分墙体裂缝宽度较大；外墙保温层、屋面及室外存在不同程度的开裂等损伤情况。通过在墙体裂缝处制作石膏观测点观察发现填充墙体上裂缝有继续发展趋势。上述围护结构损伤主要由于建筑物倾斜产生的附加应力、材料收缩和温度应力等因素引起，该类裂缝不影响主体结构安全，但对正常使用和观瞻有一定影响。