筒倉不均勻變形實例分析

郝 建 軍

(煤炭工業(yè)太原設計研究院，山西 太原 030001)

筒倉不均勻變形實例分析

郝 建 軍

(煤炭工業(yè)太原設計研究院，山西 太原 030001)

通過某煤礦原煤倉地基變形導致上覆建筑出現(xiàn)變形破壞的工程實例，對該建筑地基土構成及其均勻性、承載力情況進行了分析，并針對地基破壞特征，提出了相應的地基處理措施，可為我國北方地區(qū)軟質巖屑夾層地基處理加固提供借鑒。

軟質巖屑地基，地基沉降，不均勻地層，承載力

軟質巖屑是地表出露的軟巖(泥巖、砂巖等)在風化作用下破碎成片狀、顆粒狀，后經(jīng)二次搬運以透鏡體或薄夾層的形式存在于其他第四系地層中的地質體，在我國華北地區(qū)，特別是石炭、二疊系煤層分布淺的區(qū)域，煤系軟巖的出露、風化、短距離搬運，往往在山前階地、溝谷等區(qū)域與第四系地層伴生存在軟質巖屑地層。本文通過對山西某煤礦原煤倉場地建筑變形工程實例分析，對軟質巖屑地基對建筑物的破壞機理及治理方案進行分析研究。

1 工程概況

發(fā)生破壞的建筑為場地的原煤倉，由3個直徑34 m的筒倉組成，采用鋼筋混凝土筏板基礎，基礎埋深5 m，設計基地壓力500 kPa，2009年施工完成，2010年出現(xiàn)大幅度不均勻沉降，局部傾斜已超過規(guī)范限制。

建筑所處地區(qū)屬丘陵地帶，大地貌單元屬山麓斜坡堆積地貌，微地貌單元屬坡積裙地貌。氣候類型屬中溫帶大陸性氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，氣候干燥，風沙嚴重，歷年降水量28.08 mm～431.5 mm，其中6月～9月降水量最多，年蒸發(fā)量1 885.1 mm～2 386.3 mm。

根據(jù)野外鉆探揭露地層情況結合區(qū)域地質資料及地貌情況，本場地地基土由人工填土層及第四系全新統(tǒng)碎石類土、砂類土和粉土組成，地層呈現(xiàn)出從粗到細逐漸沉積的多個沉積韻律輪回。根據(jù)勘察、原位測試及巖土體室內試驗分析，場地地基土構成及其承載力特征值依次為：①素填土；②角礫，200 kPa；②-1粉土，160 kPa；③粉土，160 kPa；④角礫，200 kPa；④-1粉土，180 kPa；⑤角礫，280 kPa；⑤-1礫砂，220 kPa。其中第②層角礫厚度6.8 m，其中含有粉土、中粗砂及礫砂和軟質巖屑占到第②層的20%～40%，顆粒級配不良，粗顆粒在充填物中呈懸浮狀；第④層角礫厚度3.6 m～7.7 m，其中粉土、中粗砂、礫砂和軟質巖屑等占到第④層總量的20%～40%。場地第②層角礫為原煤倉基礎的直接持力層。

2 變形觀測

損壞建筑的變形監(jiān)測從2008年7月31日—2010年4月24日，共進行了約600 d的變形觀測，觀測點布設于各筒倉四周，每個筒倉布設4個觀測點，共布設12個觀測點。布置位置見圖1。觀測點次序依次為1號～12號觀測點。各觀測點變形如表1及圖2所示。

根據(jù)GB 50007—2002建筑地基基礎設計規(guī)范有關規(guī)定，高層建筑的整體傾斜允許值：24

表1 建筑變形統(tǒng)計表

根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》，建筑沉降是否進入穩(wěn)定階段，應由沉降量與時間關系曲線判定，當最后100 d的沉降速率小于0.01 d/mm～0.04 d/mm時，可認為已進入穩(wěn)定階段。

從上述分析數(shù)據(jù)可以看出，原煤倉1號倉其沉降量和傾斜值均在允許范圍內，2號、3號倉平均沉降量和傾斜值均已超出規(guī)范允許值，從外觀上也可明顯看出，傾斜嚴重，須進行加固處理。從最后100 d沉降速率看，1號倉～3號倉均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。且3號倉8號點的沉降速率是6號點的4.16倍，沉降速率的不同，已經(jīng)導致筒倉倉壁底部產(chǎn)生了裂縫(見圖3)，因此，必須盡快對變形原因分析并進行進一步治理，以阻止變形破壞的進一步發(fā)展。

3 建筑破壞原因分析

1)地基承載力強度不夠。

原煤倉基底持力層為②角礫層，其中充填物為中、粗砂、粉土、軟質巖屑等，充填物的工程性質對碎石土的強度起決定作用。

根據(jù)前人研究成果，軟質巖屑是一種亞穩(wěn)定結構的特殊土，由煤系地層的軟巖經(jīng)風化剝蝕形成的次生土，具有特殊的巖土工程性質，其顆粒多為帶棱角的扁平狀，顆粒巖質膠結微弱，微觀結構呈架空式點、邊接觸排列，在變形過程中，側向擠出變形非常小，在浸濕及外荷載作用下，架空空隙破壞而被碎顆粒充填，從而產(chǎn)生迅速的垂直濕陷而無側向擠出變形。在低濕度的天然狀態(tài)下，軟質巖屑的外觀特征與顆粒組成屬粗、中砂等粗粒土；受水浸濕時，原始粗顆粒軟化破碎，原始結構迅速破壞，產(chǎn)生濕陷變形，強度驟降，顯示出粉質土的工程性質。

軟質巖屑土的壓縮性和承載力均與含水量有關，當含水量值小于12%時，巖屑土具有中壓縮性，而當含水量達到13%以上時，則成為高壓縮性土。建筑物地基土在增濕條件下和不均勻荷載的作用下，該層土的強度和壓縮性的改變，是導致建筑物不均勻沉降的最大影響因素之一。

2)地基反力的不均勻。

根據(jù)圓形平面的地基反力系數(shù)計算原煤倉基底平均壓力500 kPa條件下圓形基礎中心和邊緣的反力分布，圓形基礎邊緣的反力為730 kPa，比基底平均壓力大1.46倍，如圖4所示。圓形基礎地基反力系數(shù)表見表2。

表2 圓形基礎地基反力系數(shù)表

馬鞍形的反力分布會引起基礎的附加彎矩、剪應力的增大，而地基土的強度不夠，在上部荷載的作用下，地基土中各點產(chǎn)生法向應力和剪應力，在某點的剪應力達到該點的抗剪強度，土即沿著剪應力作用方向產(chǎn)生相對滑動(剪損)。如荷載繼續(xù)增加，則剪應力達到抗剪強度的區(qū)域(亦即塑性區(qū))愈來愈大，最后將形成連續(xù)的滑動面，一部分土體相對另一部分土體產(chǎn)生滑動，基礎就會因此產(chǎn)生很大的沉降與傾斜，發(fā)展到最后，整個地基的強度破壞，地基就會失去穩(wěn)定。

本工程地基土持力層為②層稍密的角礫土，夾有軟質巖屑透鏡體，極不均勻，在充分考慮充填物特征下，該層承載力特征值定為200 kPa，而當進行承載力修正時，也應考慮充填物的特征。如果按均勻的角礫層修正，其承載力修正值fa可達740 kPa，可滿足設計要求，在應力疊加部位仍不能滿足要求。如前所述，含水率較高時，軟質巖屑具有粉土的特征，因此按粉土進行修正，其fa=360 kPa，遠不能滿足設計要求。

另外按JGJ 72—2004高層建筑巖土工程勘察規(guī)范有關規(guī)定，第②層地基土極限承載力標準值為2倍～3倍的承載力特征值，按本次勘察報告中給出的②層角礫承載力特征值為200 kPa計算，其地基土極限承載力為400 kPa～600 kPa，而經(jīng)計算其基礎邊緣的最大壓力值達730 kPa，是極限承載力的1.2倍～1.8倍，因此地基土受力處于極限狀態(tài)，且其中某些點強度已經(jīng)破壞，剪切區(qū)(塑性區(qū))已經(jīng)展開，該建筑物地基正處在塑性區(qū)繼續(xù)開展且擴大階段，而當發(fā)展至形成連續(xù)滑動面后，地基土將擠出地表，將對建筑物造成更大的破壞。

3)相鄰荷載對基礎沉降的影響。

由地基中應力的計算可知，荷載在地基內產(chǎn)生應力擴散現(xiàn)象，因而相距較近的相鄰荷載，會使被影響基礎底面下的附加應力發(fā)生重疊而有所增加，從而引起附加沉降，有時可達到由其自身所引起沉降量的一半以上。

本工程三個原煤倉緊緊相連在一起，而且每個倉容達到3.5萬t，加上自重，荷載可能達到6萬t～7萬t，那么其應力疊加區(qū)的部位在沒有特殊處理的情況下，沉降必然會更大，更容易導致不均勻變形的產(chǎn)生，這從本工程3號筒倉與2號筒倉頂部棧橋之間的沉降縫已經(jīng)閉合，甚至錯動可證明。

4)筒倉裝料、卸料的影響。

按設計要求，裝料應分階段均勻裝料建議分四次加滿(前三次每次加30%，最后一次加10%)。每加完一次觀測一次，待地基趨于相對穩(wěn)定(一般在1 d～5 d內，下沉量不超過3 mm)后方可進行下一次加煤，如發(fā)現(xiàn)觀測下沉量有問題時，應隨時進行調整，沿構筑物長、寬、高三個方向不均勻沉降所產(chǎn)生的傾斜不大于0.8%，否則應控制加煤數(shù)量。最后在滿載后，應保持滿載靜置狀態(tài)，絕對時間不少于半年(壓密地基土壤)。

卸料時，為了不影響生產(chǎn)，可采取分階段均勻卸料方法，卸多少應及時補多少，每次卸料量不大于倉內的20%， 應保證倉內經(jīng)常滿倉(不少于半年)。由于土壤固結要求較長時間，因此以后一年內生產(chǎn)使用時，仍要保持均勻裝車。

但使用方在原煤倉建好后，并沒有嚴格按照設計要求裝料、卸料，而是匆忙投入使用，地基經(jīng)常處在不均勻荷載作用下，也容易產(chǎn)生不均勻沉降。

綜上所述，原煤倉地段地基土不均勻、地基反力不均勻、地基土承載力不夠是原煤倉產(chǎn)生不均勻變形的內因，而加荷的不均勻和地基應力疊區(qū)的影響是產(chǎn)生不均勻變形的外因，在內、外因素的影響下直接導致了3號倉的不均勻變形。

4 治理措施

1)治理工作的首要任務為控制建筑沉降的繼續(xù)發(fā)展，對2號、3號倉東南部沉降相對較大的地段進行圍箍，增加地基的側限能力，抑制地基的不均勻沉降。

圍箍就是在基礎周圍緊貼建筑物基礎邊緣，按一定間距設置一排或多排豎向加固體，限制地基土的側向變形。根據(jù)山西地區(qū)經(jīng)驗，圍箍后可使地基沉降量減少50%左右，同時使地基承載力提高20%～25%，對建筑物屬無損加固。該法在軟土、黃土、砂土中都已經(jīng)取得成功的應用，本建筑物為筏板式基礎，整體剛度大，圍箍后的效果應該更為明顯有效。

2)對已發(fā)生的變形進行建筑糾偏，在3號倉西北側沉降相對較小的地段進行鉆孔，釋放應力，采用滴灌法，增濕地基土，同時利用裝煤料形成的偏心荷載作用，在可控范圍內增加沉降，達到糾偏的目的。

3)擴大現(xiàn)有基礎板面積，減小基底壓力。抑制因地基土承載力強度不夠而產(chǎn)生的變形。

4)加強筒倉之間連接處(即應力疊加區(qū)部位)的剛度，以抵抗應力疊加產(chǎn)生的過量沉降。

[1] 王步云.軟質巖屑地基土的工程性質及其改良[J].西部勘探工程,1996,8(1):1-4.

[2] 王步云，潘萬庫.軟質巖屑地基土的工程性質[J].煤炭工程,1990(8):1-3.

[3] 李兆銓.振沖樁加固軟質巖屑土地基：西曲選煤廠主廠房工程[J].建筑技術,1990(3):16-18.

Analysis on silo uneven deformation example

Hao Jianjun

(CoalIndustryTaiyuanDesignandResearchInstitute,Taiyuan030001,China)

Through the engineering example of overlying building deformation failure of a coal mine raw coal silo foundation deformation, this paper analyzed the building foundation soil composition and its homogeneity, bearing capacity situation, and according to the lower failure characteristics, put forward corresponding foundation treatment measures, could provide reference for soft debris foundation treatment reinforcement in North China.

soft debris foundation, foundation settlement, uneven settlement, bearing capacity

2015-01-03

郝建軍(1977- )，男，工程師

1009-6825(2015)08-0101-03

TU249.3

A