津巴布韋項目熟料庫和石灰石庫不均勻沉降原因分析及地基加固措施

2017-05-08 03:36:37溫思佳

中國水泥 2017年9期

溫思佳

（中材海外工程（北京）有限公司，北京 100037）

在實際工程中，天然地基土具有一定的壓縮性，在自重應力和附加應力的作用下，地基將產生一定的沉降。一般來說，地基產生均勻沉降，對建筑物本身影響不大。但是由于地基軟弱，土層厚度變化大，土層在水平方向軟硬不一等原因，如果地基處理不當或基礎型式選擇不正確，容易使地基產生過量的不均勻沉降，造成建筑物傾斜，引起上部結構產生附加應力或上部結構附加應力增加，當不均勻沉降超過建筑物承受的限度時，甚至使整個結構嚴重傾斜，危及建筑使用安全。因此，結合津巴布韋MSASA項目熟料庫和石灰石庫不均勻沉降實例見圖1，分析原因，提出有效預防措施和減輕不均勻沉降的地基加固措施，可為其他工程項目提供可借鑒信息。

1 設計資料介紹

津巴布韋項目熟料庫和石灰石庫采用筒壁與內柱共同支承的倉下支承結構見圖2，具有良好的結構整體性和抗震性能。采用混凝土整板基礎的方案設計合理，尤其是在建筑物荷載較大，地基承載力較弱的情況下，整板基礎能夠較好的抵抗地基不均勻沉降，而且對基礎埋深要求不高。熟料庫和石灰石庫的設計參數見表1、表2。

熟料庫頂鏈斗輸送機拉力2×880kN，熟料庫混凝土自重6 4734kN，滿載料重15 000t。空倉和滿倉時的抗傾覆計算均滿足規范[2]要求見表3，鏈斗輸送機頭輪拉力對熟料庫的傾斜影響可以忽略不計。

根據南非咨詢公司出具的熟料庫和石灰石庫結構復核分析報告[1]，兩個筒倉結構的混凝土倉壁、庫底板、混凝土內柱、基礎底板等設計均滿足規范要求。

2 沉降的發現與判斷

2016年9月8日石灰石庫壁預埋件被拔出約50mm，9月25日該埋件拔出長度約120mm，長度仍在繼續增加。2016年9月8日石灰石庫底硬化地面發現環庫裂縫，修補一周后再次出現裂縫。2016年9月底熟料庫入庫廊道滾動支座發生扭轉，鏈斗輸送機設備偏移，料斗側板出現連續刮擦現象，劃痕深約2mm，并發出刺耳的噪聲。

現場2016年02月20日~10月22日的沉降觀測數據見圖3顯示，熟料庫發生豎向不均勻沉降28~51mm，石灰石庫豎向不均勻沉降59~84mm。筒倉設計規范[2]規定傾斜率不應大于0.004，平均沉降量不宜大于200mm。熟料庫和石灰石庫的豎向沉降和傾斜率均在規范限值以內，可以認為現階段結構安全，但是考慮到沉降已經對鏈斗輸送機設備運行造成嚴重的不利影響，并考慮到業主驗收的需要，須立即采取補救措施，確保筒倉結構安全和設備運行安全。

圖1 MSASA項目熟料庫和石灰石庫

表1 熟料庫和石灰石庫設計參數

圖2 熟料庫和石灰石庫結構立面圖

3 沉降原因分析及預防措施

原因1：未進行分段裝料。

2016年8月11日熟料庫和石灰石庫開始帶料調試，現場未按照規范[3]要求的試裝料順序執行，9月28日熟料庫料位43.36%，石灰石庫料位達到87.34%。

措施1：投產前試裝料。

試裝料可分為三個階段裝滿，可階段裝料數量依次為60%、30%、10%，也可分為四個階段裝滿，可階段裝料數量依次為50%、20%、20%、10%。每階段裝料完成后應靜置一段時間，前兩個階段裝料后的靜置時間不少于1個月，最后一個階段裝料后的靜置時間不少于2個月。在每次試裝料前后均須進行沉降觀測，在靜置期間每5天進行沉降觀測。當由于不均勻沉降產生的結構整體傾斜度超過0.2%時，應采取措施加以糾正。

原因2：地基處理方法不正確。

根據地質報告要求，筒倉基礎坐落于中粗砂層，該層局部地段夾有不同風化程度、不同厚度的花崗巖夾層或孤石，地基的均勻性較差，對沉降比較敏感的建（構）筑物，需要對地基采取適當的處理措施或采用樁基礎。

表2 熟料庫和石灰石庫重量統計

表3 鏈斗輸送機頭輪拉力作用下熟料庫抗傾覆計算結果

熟料庫基礎開挖時可見三個巨大孤石見圖4，根據地質報告[4]勘探點平面布置圖和剖面圖同樣可以看出在熟料庫和石灰石庫中間存在孤石。由于孤石的壓縮性較低，與周圍土體的壓縮性差別較大，容易造成基礎不同部位沉降不同，使結構發生轉動傾斜。該基坑石方爆破后的超挖部分采用漿砌毛石回填處理見圖5，達不到改善基礎下方土體剛度不均勻的目的。

措施2：調整地基土的不均勻性。

施工人員在基坑驗槽時，應與設計、地勘單位進行有效溝通，尤其在場地存在特別不均勻的情況下，應根據勘察方和設計方的處理意見進行施工。

為調節地基的不均勻性，地質報告[4]建議在基礎底面下設置一定厚度的砂石墊層，墊層的厚度由下臥層承載力和不均勻沉降驗算確定，建議不小于1m。

圖3 熟料庫和石灰石庫的沉降數據

圖4 基礎開挖時可見孤石

圖5 基礎超深處理

對于這樣的孤石出露的地基基底[7]，也可挖出或用爆破方法分碎搬走，超挖部分回填級配砂石。對于基坑內未出露孤石的部位，應用插鋼筋的方法探明基底設計標高下1.5m深度范圍內是否存在孤石，有則按照上述方法處理。由于基底壓力除向下擴散外，還沿擴散角向側面擴散，應保證距離基底外邊緣水平方向1.5m范圍內也無孤石存在。

原因3：地質報告未充分反應地層分布情況。

地質詳勘報告應對工程施工和使用期間可能發生的巖土工程問題進行預測，提出監控預防措施的建議。這就要求地質報告要正確完整地反應工程地質條件，查明不良地質作用和地質災害，為設計和施工提供指導性建議。如果地質報告不完整，就會給設計人員造成分析判斷上的錯誤，會給工程造成重大經濟損失。

津巴布韋項目地質報告給出了熟料庫和石灰石庫下的地層剖面圖見圖6、圖7，孔16在13m深處入巖，孔14在3.8m深處入巖，孔11在9.7m深處入巖，孔4在4.5m深處入巖，地層分布嚴重不均勻。根據后期注漿鉆孔取芯得知，距離孔14約4m遠處鉆孔14m未見巖層，距離孔4約2.8m遠處3.8～5.3m深度為孤石，下為砂土，7.8m見巖層，可見該地質報告未充分反應地層分布情況。

措施3：勘探點加密，并適當增加勘探孔深度。

在地層變化大的地段，勘探點應加密。遇到孤石等其他特殊情況時，應適當增加勘探孔深度。勘探點的布置除應滿足規范要求，設計單位和勘探單位還應密切關注以下幾點注意事項：

（1）同一建筑范圍內主要受力層或有影響的下臥層起伏較大時應加密勘探點，查明其變化。

（2）對重大動力設備基礎和高聳建筑物，勘探點不宜小于3個。

（3）對于單幢高層建筑的勘探點布置，應滿足地基均勻性評價要求，且不應小于4個。對密集的高層建筑群，勘探點可適當減少，但每個建筑物至少應有1個控制性勘探點。

（4）當有軟弱下臥層或地基土嚴重不均勻時，應適當加深控制性勘探孔的深度，并深入穩定分布的地層。

4 庫頂連接節點設計優化：滑動連接

由圖2可知，熟料庫和石灰石庫存在31~33mm豎向沉降差，同時不均勻沉降使熟料庫發生了向翻車機方向水平傾斜，使石灰石庫發生向水泥磨方向水平傾斜，這就在兩個庫頂產生遠離彼此的水平位移，導致了石灰石庫頂連接預埋件被拔出見圖8。圖9為現場采用的滑動連接加固方案，即連接節點直接搭在支座墊塊上，但沒有固定死，在受力或溫度變化時可以沿支座頂面滑動，從而進行位移調整。滑動連接加工安裝簡單，常用于垂直荷載不大的情況，可以有效消除大部分不均勻沉降引起的結構損害。

5 地基處理措施：注漿加固

根據分析的原因和可能造成的危害以及考慮場地施工條件、工期和經濟效益，綜合確定本工程的加固方案為注漿加固。

5.1 注漿加固方法介紹

圖6 地質勘探孔位布置

注漿加固[6]是利用氣壓或液壓原理，通過注漿管把水泥漿液注入地層中，漿液以填充、滲透、擠密等方式，將土顆粒或巖石裂隙中的水分和空氣排出后占據其位置，經一定時間后，漿液將原來松散的土粒或裂隙膠結成一個整體，形成一個結構新、強度大、防水性能高、化學穩定性良好的“結石體”。注漿加固工藝簡單，成本低廉，廣泛應用于提高地基土承載力、減少地基變形和不均勻變形等方面。

5.2 津巴布韋現場加固注漿實施過程

考慮到熟料庫發生翻車機方向傾斜，石灰石庫發生水泥磨方向傾斜，為了達到提高地基土承載力和調整沉降不均勻性的目的，本工程加固設計僅針對兩個庫各自沉降較大的半圓范圍內進行加固，注漿設計方案見圖10、圖11。圖中所示L為擬定鉆孔長度，為了避免施工期間對地下土層造成過大擾動，從而增加建筑物附加沉降，規定遇到石頭即終止鉆孔。鉆孔次序由外至內，配合注漿施工。

（1）成孔工藝。采用XY-200工程鉆機鉆至設計要求位置。鉆孔直徑76mm，鉆孔期間利用聚丙烯酰胺漿液進行護壁，防止塌孔見見圖12、圖13。

圖7 地勘剖面圖4-4’

圖8 庫頂埋件拔出

圖9 滑動連接加固方案

（2）制漿工藝流程圖。水泥→攪拌池→儲漿池→注漿泵站→注漿孔。

受到津巴布韋當地設備市場限制，本工程未采用國內常用的雙層攪拌池見圖14，而是根據現場實際情況，優化為兩個簡易的攪拌桶和一個地下儲漿池見圖15、圖16，這樣既能滿足施工需要，又節省了國內設備發運的時間和成本。

（3）水泥漿液制備。水泥漿液采用水灰比1∶1，水采用市政水，水泥采用42.5R水泥，水泥漿液每次攪拌時間不小于5min，注漿過程中應不停緩慢攪拌，攪拌時間不應大于漿液初凝時間，漿液在泵送前需經過篩網過濾。

（4）封孔。熟料庫前三排43個孔的封孔深度為1.3m~1.7m，第四排13個孔的封孔深度為6m。石灰石庫前兩排18個孔的封孔深度為1.3m~1.7m ，第三排7個孔的封孔深度為6m。由于土層上部壓力小，下部壓力大，漿液就有向上抬高土體的趨勢。當封孔深度大，上抬不明顯。當封孔深度小于2m時，上抬明顯，甚至水泥漿液溢出到地面上來。此時可封堵冒漿點，減小注漿壓力并采用間歇注漿法，即讓一定數量的漿液灌注入上層孔隙大的土中后，暫停工作讓漿液凝固，這樣就可以把上抬的通道堵死，或者加快漿液的凝固時間，如添加外加劑，使漿液出注漿管就凝固。

圖10 注漿加固工藝流程圖

（5）注漿。根據現場實際情況采用全孔灌漿，將注漿管一次壓到設計深度。注漿管采用32mm鍍鋅鋼管，在注漿管頭部1m范圍內側壁開孔，孔眼為梅花形布置，孔眼直徑4mm。

規范[6]規定劈裂注漿壓力，在砂土中宜為0.2~0.5MPa。本工程地基土為中粗砂，注漿壓力為0.6~0.8MPa，為當吸漿量小于10L/min時終止注漿，這樣既可以使劈入土體的水泥漿液形成加固土體的網絡和骨架，又能使土體收到明顯的加密作用。為防止臨孔串漿，注漿順序應按照跳孔間隔注漿方式進行，并宜采用先外圍后內部的施工順序，以防漿液流失。注漿結果見表4、表5。

間隔注漿的時間間隔應根據漿液的初凝時間確定，與地基土質條件有關。規范[6]規定，砂土地基中宜為5~20min，粘性土地基中宜為1~2h。本工程地基土為中粗砂，分別嘗試采用5min、10min、15min、20min、25min作為時間間隔試驗后，發現20min是保證水泥漿不堵注漿管前提下可采用的最大時間間隔。

（6）沉降觀測。由于土體加固的效應和土體擾動的效應是同時發展的過程，其結果是導致土體加固和某種程度上的土體變形，這就是注漿加固的初期地基附加沉降的原因。多孔間隔注漿和縮短漿液凝固時間能盡量減少既有建筑基礎因注漿而產生的附加沉降。為確保注漿施工期間生產線繼續運行，熟料庫料位在40%以下，石灰石庫料位在20%以下，注漿施工于2016年12月22日開始，2017年1月29日結束，2016年12月22日至2017年5月22日期間，熟料庫均勻沉降3mm，石灰石庫均勻沉降2mm，證明注漿設計方案合理，注漿期間施工控制較好。