筒仓不均匀变形实例分析

郝 建 军

(煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001)

筒仓不均匀变形实例分析

郝 建 军

(煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001)

通过某煤矿原煤仓地基变形导致上覆建筑出现变形破坏的工程实例，对该建筑地基土构成及其均匀性、承载力情况进行了分析，并针对地基破坏特征，提出了相应的地基处理措施，可为我国北方地区软质岩屑夹层地基处理加固提供借鉴。

软质岩屑地基，地基沉降，不均匀地层，承载力

软质岩屑是地表出露的软岩(泥岩、砂岩等)在风化作用下破碎成片状、颗粒状，后经二次搬运以透镜体或薄夹层的形式存在于其他第四系地层中的地质体，在我国华北地区，特别是石炭、二叠系煤层分布浅的区域，煤系软岩的出露、风化、短距离搬运，往往在山前阶地、沟谷等区域与第四系地层伴生存在软质岩屑地层。本文通过对山西某煤矿原煤仓场地建筑变形工程实例分析，对软质岩屑地基对建筑物的破坏机理及治理方案进行分析研究。

1 工程概况

发生破坏的建筑为场地的原煤仓，由3个直径34 m的筒仓组成，采用钢筋混凝土筏板基础，基础埋深5 m，设计基地压力500 kPa，2009年施工完成，2010年出现大幅度不均匀沉降，局部倾斜已超过规范限制。

建筑所处地区属丘陵地带，大地貌单元属山麓斜坡堆积地貌，微地貌单元属坡积裙地貌。气候类型属中温带大陆性气候，冬季寒冷，夏季炎热，气候干燥，风沙严重，历年降水量28.08 mm～431.5 mm，其中6月～9月降水量最多，年蒸发量1 885.1 mm～2 386.3 mm。

根据野外钻探揭露地层情况结合区域地质资料及地貌情况，本场地地基土由人工填土层及第四系全新统碎石类土、砂类土和粉土组成，地层呈现出从粗到细逐渐沉积的多个沉积韵律轮回。根据勘察、原位测试及岩土体室内试验分析，场地地基土构成及其承载力特征值依次为：①素填土；②角砾，200 kPa；②-1粉土，160 kPa；③粉土，160 kPa；④角砾，200 kPa；④-1粉土，180 kPa；⑤角砾，280 kPa；⑤-1砾砂，220 kPa。其中第②层角砾厚度6.8 m，其中含有粉土、中粗砂及砾砂和软质岩屑占到第②层的20%～40%，颗粒级配不良，粗颗粒在充填物中呈悬浮状；第④层角砾厚度3.6 m～7.7 m，其中粉土、中粗砂、砾砂和软质岩屑等占到第④层总量的20%～40%。场地第②层角砾为原煤仓基础的直接持力层。

2 变形观测

损坏建筑的变形监测从2008年7月31日—2010年4月24日，共进行了约600 d的变形观测，观测点布设于各筒仓四周，每个筒仓布设4个观测点，共布设12个观测点。布置位置见图1。观测点次序依次为1号～12号观测点。各观测点变形如表1及图2所示。

根据GB 50007—2002建筑地基基础设计规范有关规定，高层建筑的整体倾斜允许值：24

表1 建筑变形统计表

根据《建筑变形测量规范》，建筑沉降是否进入稳定阶段，应由沉降量与时间关系曲线判定，当最后100 d的沉降速率小于0.01 d/mm～0.04 d/mm时，可认为已进入稳定阶段。

从上述分析数据可以看出，原煤仓1号仓其沉降量和倾斜值均在允许范围内，2号、3号仓平均沉降量和倾斜值均已超出规范允许值，从外观上也可明显看出，倾斜严重，须进行加固处理。从最后100 d沉降速率看，1号仓～3号仓均处于不稳定状态。且3号仓8号点的沉降速率是6号点的4.16倍，沉降速率的不同，已经导致筒仓仓壁底部产生了裂缝(见图3)，因此，必须尽快对变形原因分析并进行进一步治理，以阻止变形破坏的进一步发展。

3 建筑破坏原因分析

1)地基承载力强度不够。

原煤仓基底持力层为②角砾层，其中充填物为中、粗砂、粉土、软质岩屑等，充填物的工程性质对碎石土的强度起决定作用。

根据前人研究成果，软质岩屑是一种亚稳定结构的特殊土，由煤系地层的软岩经风化剥蚀形成的次生土，具有特殊的岩土工程性质，其颗粒多为带棱角的扁平状，颗粒岩质胶结微弱，微观结构呈架空式点、边接触排列，在变形过程中，侧向挤出变形非常小，在浸湿及外荷载作用下，架空空隙破坏而被碎颗粒充填，从而产生迅速的垂直湿陷而无侧向挤出变形。在低湿度的天然状态下，软质岩屑的外观特征与颗粒组成属粗、中砂等粗粒土；受水浸湿时，原始粗颗粒软化破碎，原始结构迅速破坏，产生湿陷变形，强度骤降，显示出粉质土的工程性质。

软质岩屑土的压缩性和承载力均与含水量有关，当含水量值小于12%时，岩屑土具有中压缩性，而当含水量达到13%以上时，则成为高压缩性土。建筑物地基土在增湿条件下和不均匀荷载的作用下，该层土的强度和压缩性的改变，是导致建筑物不均匀沉降的最大影响因素之一。

2)地基反力的不均匀。

根据圆形平面的地基反力系数计算原煤仓基底平均压力500 kPa条件下圆形基础中心和边缘的反力分布，圆形基础边缘的反力为730 kPa，比基底平均压力大1.46倍，如图4所示。圆形基础地基反力系数表见表2。

表2 圆形基础地基反力系数表

马鞍形的反力分布会引起基础的附加弯矩、剪应力的增大，而地基土的强度不够，在上部荷载的作用下，地基土中各点产生法向应力和剪应力，在某点的剪应力达到该点的抗剪强度，土即沿着剪应力作用方向产生相对滑动(剪损)。如荷载继续增加，则剪应力达到抗剪强度的区域(亦即塑性区)愈来愈大，最后将形成连续的滑动面，一部分土体相对另一部分土体产生滑动，基础就会因此产生很大的沉降与倾斜，发展到最后，整个地基的强度破坏，地基就会失去稳定。

本工程地基土持力层为②层稍密的角砾土，夹有软质岩屑透镜体，极不均匀，在充分考虑充填物特征下，该层承载力特征值定为200 kPa，而当进行承载力修正时，也应考虑充填物的特征。如果按均匀的角砾层修正，其承载力修正值fa可达740 kPa，可满足设计要求，在应力叠加部位仍不能满足要求。如前所述，含水率较高时，软质岩屑具有粉土的特征，因此按粉土进行修正，其fa=360 kPa，远不能满足设计要求。

另外按JGJ 72—2004高层建筑岩土工程勘察规范有关规定，第②层地基土极限承载力标准值为2倍～3倍的承载力特征值，按本次勘察报告中给出的②层角砾承载力特征值为200 kPa计算，其地基土极限承载力为400 kPa～600 kPa，而经计算其基础边缘的最大压力值达730 kPa，是极限承载力的1.2倍～1.8倍，因此地基土受力处于极限状态，且其中某些点强度已经破坏，剪切区(塑性区)已经展开，该建筑物地基正处在塑性区继续开展且扩大阶段，而当发展至形成连续滑动面后，地基土将挤出地表，将对建筑物造成更大的破坏。

3)相邻荷载对基础沉降的影响。

由地基中应力的计算可知，荷载在地基内产生应力扩散现象，因而相距较近的相邻荷载，会使被影响基础底面下的附加应力发生重叠而有所增加，从而引起附加沉降，有时可达到由其自身所引起沉降量的一半以上。

本工程三个原煤仓紧紧相连在一起，而且每个仓容达到3.5万t，加上自重，荷载可能达到6万t～7万t，那么其应力叠加区的部位在没有特殊处理的情况下，沉降必然会更大，更容易导致不均匀变形的产生，这从本工程3号筒仓与2号筒仓顶部栈桥之间的沉降缝已经闭合，甚至错动可证明。

4)筒仓装料、卸料的影响。

按设计要求，装料应分阶段均匀装料建议分四次加满(前三次每次加30%，最后一次加10%)。每加完一次观测一次，待地基趋于相对稳定(一般在1 d～5 d内，下沉量不超过3 mm)后方可进行下一次加煤，如发现观测下沉量有问题时，应随时进行调整，沿构筑物长、宽、高三个方向不均匀沉降所产生的倾斜不大于0.8%，否则应控制加煤数量。最后在满载后，应保持满载静置状态，绝对时间不少于半年(压密地基土壤)。

卸料时，为了不影响生产，可采取分阶段均匀卸料方法，卸多少应及时补多少，每次卸料量不大于仓内的20%， 应保证仓内经常满仓(不少于半年)。由于土壤固结要求较长时间，因此以后一年内生产使用时，仍要保持均匀装车。

但使用方在原煤仓建好后，并没有严格按照设计要求装料、卸料，而是匆忙投入使用，地基经常处在不均匀荷载作用下，也容易产生不均匀沉降。

综上所述，原煤仓地段地基土不均匀、地基反力不均匀、地基土承载力不够是原煤仓产生不均匀变形的内因，而加荷的不均匀和地基应力叠区的影响是产生不均匀变形的外因，在内、外因素的影响下直接导致了3号仓的不均匀变形。

4 治理措施

1)治理工作的首要任务为控制建筑沉降的继续发展，对2号、3号仓东南部沉降相对较大的地段进行围箍，增加地基的侧限能力，抑制地基的不均匀沉降。

围箍就是在基础周围紧贴建筑物基础边缘，按一定间距设置一排或多排竖向加固体，限制地基土的侧向变形。根据山西地区经验，围箍后可使地基沉降量减少50%左右，同时使地基承载力提高20%～25%，对建筑物属无损加固。该法在软土、黄土、砂土中都已经取得成功的应用，本建筑物为筏板式基础，整体刚度大，围箍后的效果应该更为明显有效。

2)对已发生的变形进行建筑纠偏，在3号仓西北侧沉降相对较小的地段进行钻孔，释放应力，采用滴灌法，增湿地基土，同时利用装煤料形成的偏心荷载作用，在可控范围内增加沉降，达到纠偏的目的。

3)扩大现有基础板面积，减小基底压力。抑制因地基土承载力强度不够而产生的变形。

4)加强筒仓之间连接处(即应力叠加区部位)的刚度，以抵抗应力叠加产生的过量沉降。

[1] 王步云.软质岩屑地基土的工程性质及其改良[J].西部勘探工程,1996,8(1):1-4.

[2] 王步云，潘万库.软质岩屑地基土的工程性质[J].煤炭工程,1990(8):1-3.

[3] 李兆铨.振冲桩加固软质岩屑土地基：西曲选煤厂主厂房工程[J].建筑技术,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

郝建军(1977- )，男，工程师

1009-6825(2015)08-0101-03

TU249.3

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