浸水法在濕陷性黃土地區(qū)罐倉糾傾中的應用

江宗寶，楊凡, 孫劍平,邵廣彪

(1.山東建大工程鑒定加固研究院，山東 濟南 250014；2.山東建筑大學 土木工程學院,山東 濟南 250010)

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浸水法在濕陷性黃土地區(qū)罐倉糾傾中的應用

江宗寶1，楊凡1, 孫劍平2,邵廣彪2

(1.山東建大工程鑒定加固研究院，山東 濟南 250014；2.山東建筑大學 土木工程學院,山東 濟南 250010)

在濕陷性黃土地區(qū)，針對濕陷性黃土的特性，采用浸水糾傾方法可以避免由于勘察、設計、施工等方面原因或者使用過程中地基的浸水造成的建筑物不均勻沉降和傾斜事故。文章基于山西陽曲縣某水泥罐倉糾傾工程實例，根據罐倉的傾斜狀況、傾斜特點以及濕陷性黃土的濕陷特性，在分析罐倉傾斜原因的基礎上，采用了浸水法對其進行糾傾處理；并由浸水糾傾過程中浸水區(qū)域范圍，估算了注水量以及注水過程中沉降量的變化，分析了浸水法在工程實踐中的運用。結果表明：在濕陷性黃土地區(qū)，可以利用黃土的濕陷特性并結合工程特點，采用浸水糾傾方法來達到預期的糾傾效果；糾傾后罐倉總體傾斜為2.4‰，滿足國家相關規(guī)范要求，同時基本消除了黃土的濕陷性，保證了水泥罐倉的使用安全。

糾傾;浸水法;濕陷性黃土;罐倉

0　引言

由于種種原因，建(構)筑物傾斜問題時有發(fā)生，國內外建筑物糾偏的工程實例較多，房屋糾傾技術的應用也越來越普遍，并已成為國際上一個重要的研究課題[1-3]。在西北黃土高原及相鄰地區(qū)濕陷性黃土分布及其廣泛，因濕陷性黃土自身特點，建于其上的建(構)筑物出現(xiàn)傾斜事故非常普遍[4-5]。濕陷性黃土在天然含水量狀態(tài)下具有較高的強度和較小的壓縮性，常被認為是良好的天然地基；而被水浸濕后，土的抗剪強度迅速降低，在土的自重壓力或附加壓力的作用下，結構迅速破壞，產生濕陷現(xiàn)象，從而使浸濕區(qū)產生顯著的附加下沉；若下沉不均勻，就會使建于其上的建筑物或構筑物出現(xiàn)傾斜，影響正常使用。對于濕陷性黃土地區(qū)傾斜建(構)筑物的糾傾可采用浸水糾傾法，此方法是利用濕陷性黃土遇水濕陷的特點，根據建(構)筑物的實際傾斜狀況，在建(構)筑物基底合理部位注水，人為地造成濕陷，產生壓密，根據實時監(jiān)測數(shù)據合理調節(jié)注水量以控制建(構)筑物的回傾速度，以達到糾傾的目的[6-7]。另外浸水壓密消除了地基土的部分濕陷性，同時達到了加固地基的目的；糾傾完成后再采取地面防排水措施，可保證糾傾后的建(構)筑物以后的正常使用。

1　工程概況

山西陽曲縣某水泥廠位于陽曲縣大盂鎮(zhèn)，其水泥罐倉為圓筒形鋼板倉，圓筒直徑為21 m，高為25 m。采用的基礎形式為殼體基礎，基礎底標高為-3.50 m，水泥罐倉如圖1所示。該罐倉建設前未對場地進行必要的勘察，加之建設、施工單位不了解該地濕陷性黃土的特點，對地基沒有進行必要的處理措施。

該水泥罐倉于2008年建成，使用過程中由于其東南側存在積水現(xiàn)象，水泥罐倉逐漸向東南側傾斜，至2011年4月，其東南與西北方向的最大沉降差為266 mm，傾斜率達到了12.7‰，遠遠超出GB 500007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》第 5.3.4條中6‰的容許值[8]，并影響其正常生產。

圖1　水泥罐倉圖

2　場地補充勘察和水泥罐倉傾斜原因分析

2.1場地補充勘察

為了查明建筑物傾斜的原因，選擇合理的糾傾方案，在方案設計前對水泥罐倉進行了補充勘察工作，以便確定場地地基土的土性參數(shù)。在罐體西側、南側以及北側基礎邊緣外布置3個勘探孔，鉆孔深度為20 m。根據補勘報告，該場地自天然地面以下20 m范圍土層內分為兩層土，其中上部為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土,灰黃色，厚度為15.3～15.9 m；該層土結構疏松，孔隙比為0.894～0.992之間，濕陷系數(shù)為0.037～0.059之間。其下為中更新統(tǒng)離石黃土,褐色或褐紅色，密實，孔隙比為0.761～0.853之間。由于東南側黃土長時間積水使得與西北側黃土的土層參數(shù)有所差別，具體的土層參數(shù)與濕陷性指標見表1、2。

2.2水泥罐倉傾斜原因分析

根據補充勘察結果可以看出，該水泥罐倉出現(xiàn)傾斜的原因主要有以下兩點：

(1) 地基基礎方案選型錯誤

由于該水泥罐倉基礎持力層為濕陷性黃土，且濕陷系數(shù)較大。但罐倉既未對濕陷性黃土地基進行處理也沒有選用樁基礎，而是直接選用天然地基作為基礎持力層，這是造成該水泥鋼板倉傾斜主要原因。

表1　土層物理力學指標

表2　黃土濕陷性指標

(2) 場地未做好排水措施

水泥罐倉東南側局部地勢較低，受降水的影響，在該部位造成積水并下滲，濕陷性黃土層距地面深度較淺，由于長時間浸水使?jié)裣菪渣S土結構遭到破壞，使得該部位濕陷性黃土遇水發(fā)生濕陷沉降，造成水泥罐倉整體向東南方向傾斜。

3　浸水法糾傾處理

由于該罐倉在地基基礎選型時沒有考慮濕陷性黃土的濕陷影響，若采用地基處理或基礎托換則必然對原有基礎進行破壞；同時考慮到罐倉為整體殼體基礎且基礎面積較大且埋深較深，若采用抬升法或掏土法糾傾，增加了糾傾處理時的風險和不確定性。

在綜合分析建筑物結構型式和濕陷性黃土地基的特點后，決定采用浸水法對罐倉進行糾傾。通過浸水法可消除或部分消除未沉陷部分土體的濕陷性，達到糾傾與消除濕陷一舉兩得的效果，同時該方法施工工藝簡單，不破壞原有基礎，費用少，經濟可行，并可以改善地基的不均勻性，因而采用浸水法對水泥罐倉進行糾傾處理是一種經濟、合理的糾傾方案。

3.1浸水區(qū)域與注水孔設計

合理確定浸水區(qū)域是糾傾能否成功的關鍵之一。根據地基補充勘察資料得知，水泥罐倉基礎下濕陷性黃土的厚度約為12 m，由于罐倉東南側基礎下的土層長時間經受水的浸潤，產生了較大的濕陷，其濕陷性雖未全部消除，但已有所減?。欢鞅眰赛S土的濕陷性系數(shù)仍然很高，因而在糾傾方案設計時充分利用西北側黃土的濕陷性，通過對該側持續(xù)地浸水使西北側的黃土產生濕陷沉降，從而達到糾傾的效果。根據對濕陷性黃土沉降、糾傾的研究成果[9-14]，一處連續(xù)浸水并進入足夠數(shù)量時，地基浸潤飽和線與地平線呈45 °。綜合以上考慮，在平面布置上，浸水范圍以傾斜主軸A—A為準，兩側各75 °范圍，設置豎向注水孔和斜向注水孔。詳細的注水孔的平面布置圖如圖2所示，剖面圖如圖3(a)、(b)所示。

在圖2中，豎向注水孔孔深為5.50 m，在最小沉降點2#左右兩側45 °范圍內孔間距為1.5 m，其余范圍之內孔間距為2.00 m，共計17孔；斜向注水孔與豎向夾角為45°，成孔長度采用15.8和13.4 m兩種，間隔布置，各8孔；豎向注水孔與斜向注水孔的孔徑均為150 mm。

圖2　浸水區(qū)域與浸水孔平面分布圖

3.2注水量的估算及注水步驟

在注水糾傾過程中，隨著土層含水量的增大，地基的承載力會逐漸減小。因此糾傾過程中要嚴格控制地基土的含水量，做到既要讓建(構)筑物按預想的要求沉降而回傾，又要防止地基因承載力不足而出現(xiàn)整體失穩(wěn)現(xiàn)象。根據經驗將基底壓力控制在地基承載力特征值的1.6倍范圍以內。

圖3　注水孔剖面圖/mm(a) 1-1剖面圖; (b) 2-2剖面圖

一般濕陷性黃土地基承載力特征值計算可由式(1)表示為[9]：

(1)

式中：fak為地基承載力特征值，104Pa；wL為黃土的液限(適用范圍23～35%)；e為黃土的孔隙比(適用范圍0.80～1.30)；w為黃土的天然含水量，適用范圍10～28%。

根據補充勘察資料，罐倉西北側濕陷黃土地基的平均干密度為1.37 g/cm3, 液限wL為31.3%，塑限wp為22.7%，平均含水量w為18.3%。根據計算式(1)計算可得出：在初始含水量18.3%狀態(tài)下，黃土的地基承載力特征值fak為245 kPa；在注水糾傾過程中，水泥罐倉內水泥量要求控制在滿倉的80%以內，水泥量在滿倉的80%時，按軸心荷載作用計算基底壓力pk為275 kPa，為保證在注水過程中水泥罐倉的地基不出現(xiàn)整體失穩(wěn)，即滿足pk<1.6fak，因而在注水糾傾過程中黃土地基承載力特征值必須控制在172 kPa以上。由計算式(1)可算出在注水糾傾過程中需將地基含水量的大小控制28%以下。

罐倉西北側濕陷黃土地基的平均干密度為1. 37 t/m3，則含水量每提高一個百分點,需注入的水量為13.7 kg/m3，則估算所需總的浸水量為

Q=13.7×4420×(28-18.3)×10-3=5.87×105kg

在實際注水時，需逐步使黃土層的含水量增大到28%，且第一次向注水孔中注水水量不宜過大，以免出現(xiàn)罐倉沉降速率過快。在整個注水過程中，需分多次向注水孔中注水，同時對罐倉沉降進行觀測，逐漸找出注水量與沉降速率的關系，盡量將沉降速率控制在5～8 mm/d范圍內，同時確定每天各孔的注水量大小。當注水過程中發(fā)現(xiàn)新的不均勻沉降出現(xiàn)時，要及時調整各孔注水量的大小，以使建筑物均勻回傾，保證結構安全。

圖4　浸水區(qū)域平面圖

圖5　浸水區(qū)域剖面圖/mm

根據罐倉的變形特征，本次注水施工按如下步驟進行：

(1) 注水步驟應最先在主軸A—A的注水孔注水，然后再沿其兩側注水管全面注水；

(2) 在大量注水、短時間產生較大沉降后，宜暫緩注水，待沉降速率趨小后，再適當增加注水量；

(3) 注水工作應考慮沉降的滯后效應，在西北側和東南側沉降差值接近或進入規(guī)范允許值后及時終止，不允許出現(xiàn)“反傾”。

3.3沉降監(jiān)測

為準確測定水泥罐倉的沉降，在罐倉外圍設定了14個沉降觀測點，具體觀測點的布置如圖2所示。在整個注水糾傾施工過程中，每天最少進行 2 次水準觀測，將監(jiān)測信息進行整理并繪制曲線和圖表，嚴格控制回傾速度在10 mm/d以內，如發(fā)現(xiàn)回傾速度過快，則應立即調整相應浸水孔的注水量，使其嚴格按預定的設計回傾。在注水糾傾過程中，具體各主要觀測點的沉降曲線如圖6所示(其中第10～30工作日、第50～70工作日、第75～100工作日因罐倉內水泥量偏少導致基底壓力過小，從而影響了糾傾的進度)。

圖7為糾傾前后罐倉各觀測點高程坐標值的比較(根據現(xiàn)場測量，確定2#點為高程最大點，9#點為高程最小點，初始測量時，9#點高程設為0 mm)。從圖7可看出，糾傾完成后2#點高程為-60 mm，3#點高程為-55 mm，9#點高程為-110 mm，水泥罐倉整體傾斜為50/21000=0.0024(55/21000=0.0026)，滿足國家相關規(guī)范要求[15]。

圖6　水泥罐倉各測點沉降曲線圖

圖7　水泥罐倉各測點高程坐標值圖

3.4封孔注漿及地面排水處理

糾傾完成后對注水孔采用水灰比為0.5的水泥漿進行了注漿處理，注漿壓力為0.5MPa。同時為防止地面積水下滲，在殼體基礎外側地面下設置厚為1.0m、寬為3. 5m的灰土隔水墊層，并做好地面硬化和有組織排水。全部工程完成后，對水泥罐倉沉降繼續(xù)進行了半年的監(jiān)測，監(jiān)測結果表明沉降趨于穩(wěn)定，說明采用浸水法確實同時達到了糾傾和基本消除黃土濕陷的目的。

此次注水糾傾工作自2011年5月17日進駐現(xiàn)場，5月19日開始注水至9月10日完成注水糾傾，歷時近四個月，圓滿的完成了糾傾工作，同時基本消除了黃土的濕陷性，糾傾后水泥罐倉總體傾斜為2.4‰，滿足國家相關規(guī)范要求，保證了工廠的正常生產。

4　結論

通過上述研究可知：

(1) 通過水泥罐倉浸水法糾傾工程的成功實踐，表明在濕陷性黃土地區(qū)，采用浸水法對傾斜建(構)筑物進行糾傾是一種安全可靠、經濟合理、技術上可行的糾傾方法。浸水法不但能使建(構)筑物的傾斜得以矯正，而且使地基的濕陷性得到消除或部分消除；若再次發(fā)生浸水時，其濕陷量可顯著減少，濕陷敏感性變弱；同時，地基的壓縮性降低，強度提高。

(2) 文中采用的浸水法糾傾水泥罐倉試驗，糾傾后罐倉總體傾斜為2.4‰，滿足國家相關規(guī)范要求，同時基本消除了黃土的濕陷性，保證了水泥罐倉以后的安全。

(3) 浸水法糾傾工程完成后，應對注水孔進行注漿封孔處理；同時在地表采取一定的隔水、排水措施，防止地表水下滲。

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(學科責編：吳芹)

Application of tilting correction for silo by injecting water in collapsible loess area

Jiang Zongbao1, Yang Fan1, Sun Jianping2,etal.

(1.Research Institute of Appraisal and Strengthening Engineering of Shandong Jianzhu University, Jinan 250014, China;2.School of Civil Engineering, Shang Jianzhu University, Jinan 250101,China)

In collapsible loess area, the survey, design, construction and the foundation of soaking in the course of using may cause the uneven settlement for building and the inclination accident. In view of the characteristics of collapsible loess, the soaking method can be used to achieve the purpose of rectifying. Based on the case of a cement silo in Yangqu County of Shanxi Province, the paper analyzes the reasons of the inclined cement silo, and uses the soaking method to correct the cement silo. According to the tilt characteristics of the cement silo and the collapsible characteristics of collapsible loess, the paper explores the application of the soaking method in engineering practice around the soaking range in the process of rectifying inclination, the estimation of water injection and the variation of the settlement in the process of the water injection. The successful practice of rectifying Engineering for cement silo, showed that the soaking method can be used to achieve the desired effect of rectifying inclination by making use of the collapsibility of the loess characteristics and combining with engineering characteristics in collapsible loess area. The tilt rate of silo was 2.4 per thousand after rectifying inclination, and conformed to the requirements of national standard. The soaking method basically eliminates the collapsibility of loess at the same time, and ensure the safety of cement silo.

rectifying; soaking method; collapsible loess area; silo

2015-03-13

江宗寶(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事地基加固與基坑支護等方面的研究.E-mail:1954901243@163.com

1673-7644(2016)02-0183-06

TU470

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