浸水法在湿陷性黄土地区罐仓纠倾中的应用

江宗宝，杨凡, 孙剑平,邵广彪

(1.山东建大工程鉴定加固研究院，山东 济南 250014；2.山东建筑大学 土木工程学院,山东 济南 250010)



浸水法在湿陷性黄土地区罐仓纠倾中的应用

江宗宝1，杨凡1, 孙剑平2,邵广彪2

(1.山东建大工程鉴定加固研究院，山东 济南 250014；2.山东建筑大学 土木工程学院,山东 济南 250010)

在湿陷性黄土地区，针对湿陷性黄土的特性，采用浸水纠倾方法可以避免由于勘察、设计、施工等方面原因或者使用过程中地基的浸水造成的建筑物不均匀沉降和倾斜事故。文章基于山西阳曲县某水泥罐仓纠倾工程实例，根据罐仓的倾斜状况、倾斜特点以及湿陷性黄土的湿陷特性，在分析罐仓倾斜原因的基础上，采用了浸水法对其进行纠倾处理；并由浸水纠倾过程中浸水区域范围，估算了注水量以及注水过程中沉降量的变化，分析了浸水法在工程实践中的运用。结果表明：在湿陷性黄土地区，可以利用黄土的湿陷特性并结合工程特点，采用浸水纠倾方法来达到预期的纠倾效果；纠倾后罐仓总体倾斜为2.4‰，满足国家相关规范要求，同时基本消除了黄土的湿陷性，保证了水泥罐仓的使用安全。

纠倾;浸水法;湿陷性黄土;罐仓

0　引言

由于种种原因，建(构)筑物倾斜问题时有发生，国内外建筑物纠偏的工程实例较多，房屋纠倾技术的应用也越来越普遍，并已成为国际上一个重要的研究课题[1-3]。在西北黄土高原及相邻地区湿陷性黄土分布及其广泛，因湿陷性黄土自身特点，建于其上的建(构)筑物出现倾斜事故非常普遍[4-5]。湿陷性黄土在天然含水量状态下具有较高的强度和较小的压缩性，常被认为是良好的天然地基；而被水浸湿后，土的抗剪强度迅速降低，在土的自重压力或附加压力的作用下，结构迅速破坏，产生湿陷现象，从而使浸湿区产生显著的附加下沉；若下沉不均匀，就会使建于其上的建筑物或构筑物出现倾斜，影响正常使用。对于湿陷性黄土地区倾斜建(构)筑物的纠倾可采用浸水纠倾法，此方法是利用湿陷性黄土遇水湿陷的特点，根据建(构)筑物的实际倾斜状况，在建(构)筑物基底合理部位注水，人为地造成湿陷，产生压密，根据实时监测数据合理调节注水量以控制建(构)筑物的回倾速度，以达到纠倾的目的[6-7]。另外浸水压密消除了地基土的部分湿陷性，同时达到了加固地基的目的；纠倾完成后再采取地面防排水措施，可保证纠倾后的建(构)筑物以后的正常使用。

1　工程概况

山西阳曲县某水泥厂位于阳曲县大盂镇，其水泥罐仓为圆筒形钢板仓，圆筒直径为21 m，高为25 m。采用的基础形式为壳体基础，基础底标高为-3.50 m，水泥罐仓如图1所示。该罐仓建设前未对场地进行必要的勘察，加之建设、施工单位不了解该地湿陷性黄土的特点，对地基没有进行必要的处理措施。

该水泥罐仓于2008年建成，使用过程中由于其东南侧存在积水现象，水泥罐仓逐渐向东南侧倾斜，至2011年4月，其东南与西北方向的最大沉降差为266 mm，倾斜率达到了12.7‰，远远超出GB 500007—2011《建筑地基基础设计规范》第 5.3.4条中6‰的容许值[8]，并影响其正常生产。

图1　水泥罐仓图

2　场地补充勘察和水泥罐仓倾斜原因分析

2.1场地补充勘察

为了查明建筑物倾斜的原因，选择合理的纠倾方案，在方案设计前对水泥罐仓进行了补充勘察工作，以便确定场地地基土的土性参数。在罐体西侧、南侧以及北侧基础边缘外布置3个勘探孔，钻孔深度为20 m。根据补勘报告，该场地自天然地面以下20 m范围土层内分为两层土，其中上部为第四系上更新统马兰黄土,灰黄色，厚度为15.3～15.9 m；该层土结构疏松，孔隙比为0.894～0.992之间，湿陷系数为0.037～0.059之间。其下为中更新统离石黄土,褐色或褐红色，密实，孔隙比为0.761～0.853之间。由于东南侧黄土长时间积水使得与西北侧黄土的土层参数有所差别，具体的土层参数与湿陷性指标见表1、2。

2.2水泥罐仓倾斜原因分析

根据补充勘察结果可以看出，该水泥罐仓出现倾斜的原因主要有以下两点：

(1) 地基基础方案选型错误

由于该水泥罐仓基础持力层为湿陷性黄土，且湿陷系数较大。但罐仓既未对湿陷性黄土地基进行处理也没有选用桩基础，而是直接选用天然地基作为基础持力层，这是造成该水泥钢板仓倾斜主要原因。

表1　土层物理力学指标

表2　黄土湿陷性指标

(2) 场地未做好排水措施

水泥罐仓东南侧局部地势较低，受降水的影响，在该部位造成积水并下渗，湿陷性黄土层距地面深度较浅，由于长时间浸水使湿陷性黄土结构遭到破坏，使得该部位湿陷性黄土遇水发生湿陷沉降，造成水泥罐仓整体向东南方向倾斜。

3　浸水法纠倾处理

由于该罐仓在地基基础选型时没有考虑湿陷性黄土的湿陷影响，若采用地基处理或基础托换则必然对原有基础进行破坏；同时考虑到罐仓为整体壳体基础且基础面积较大且埋深较深，若采用抬升法或掏土法纠倾，增加了纠倾处理时的风险和不确定性。

在综合分析建筑物结构型式和湿陷性黄土地基的特点后，决定采用浸水法对罐仓进行纠倾。通过浸水法可消除或部分消除未沉陷部分土体的湿陷性，达到纠倾与消除湿陷一举两得的效果，同时该方法施工工艺简单，不破坏原有基础，费用少，经济可行，并可以改善地基的不均匀性，因而采用浸水法对水泥罐仓进行纠倾处理是一种经济、合理的纠倾方案。

3.1浸水区域与注水孔设计

合理确定浸水区域是纠倾能否成功的关键之一。根据地基补充勘察资料得知，水泥罐仓基础下湿陷性黄土的厚度约为12 m，由于罐仓东南侧基础下的土层长时间经受水的浸润，产生了较大的湿陷，其湿陷性虽未全部消除，但已有所减小；而西北侧黄土的湿陷性系数仍然很高，因而在纠倾方案设计时充分利用西北侧黄土的湿陷性，通过对该侧持续地浸水使西北侧的黄土产生湿陷沉降，从而达到纠倾的效果。根据对湿陷性黄土沉降、纠倾的研究成果[9-14]，一处连续浸水并进入足够数量时，地基浸润饱和线与地平线呈45 °。综合以上考虑，在平面布置上，浸水范围以倾斜主轴A—A为准，两侧各75 °范围，设置竖向注水孔和斜向注水孔。详细的注水孔的平面布置图如图2所示，剖面图如图3(a)、(b)所示。

在图2中，竖向注水孔孔深为5.50 m，在最小沉降点2#左右两侧45 °范围内孔间距为1.5 m，其余范围之内孔间距为2.00 m，共计17孔；斜向注水孔与竖向夹角为45°，成孔长度采用15.8和13.4 m两种，间隔布置，各8孔；竖向注水孔与斜向注水孔的孔径均为150 mm。

图2　浸水区域与浸水孔平面分布图

3.2注水量的估算及注水步骤

在注水纠倾过程中，随着土层含水量的增大，地基的承载力会逐渐减小。因此纠倾过程中要严格控制地基土的含水量，做到既要让建(构)筑物按预想的要求沉降而回倾，又要防止地基因承载力不足而出现整体失稳现象。根据经验将基底压力控制在地基承载力特征值的1.6倍范围以内。

图3　注水孔剖面图/mm(a) 1-1剖面图; (b) 2-2剖面图

一般湿陷性黄土地基承载力特征值计算可由式(1)表示为[9]：

(1)

式中：fak为地基承载力特征值，104Pa；wL为黄土的液限(适用范围23～35%)；e为黄土的孔隙比(适用范围0.80～1.30)；w为黄土的天然含水量，适用范围10～28%。

根据补充勘察资料，罐仓西北侧湿陷黄土地基的平均干密度为1.37 g/cm3, 液限wL为31.3%，塑限wp为22.7%，平均含水量w为18.3%。根据计算式(1)计算可得出：在初始含水量18.3%状态下，黄土的地基承载力特征值fak为245 kPa；在注水纠倾过程中，水泥罐仓内水泥量要求控制在满仓的80%以内，水泥量在满仓的80%时，按轴心荷载作用计算基底压力pk为275 kPa，为保证在注水过程中水泥罐仓的地基不出现整体失稳，即满足pk<1.6fak，因而在注水纠倾过程中黄土地基承载力特征值必须控制在172 kPa以上。由计算式(1)可算出在注水纠倾过程中需将地基含水量的大小控制28%以下。

罐仓西北侧湿陷黄土地基的平均干密度为1. 37 t/m3，则含水量每提高一个百分点,需注入的水量为13.7 kg/m3，则估算所需总的浸水量为

Q=13.7×4420×(28-18.3)×10-3=5.87×105kg

在实际注水时，需逐步使黄土层的含水量增大到28%，且第一次向注水孔中注水水量不宜过大，以免出现罐仓沉降速率过快。在整个注水过程中，需分多次向注水孔中注水，同时对罐仓沉降进行观测，逐渐找出注水量与沉降速率的关系，尽量将沉降速率控制在5～8 mm/d范围内，同时确定每天各孔的注水量大小。当注水过程中发现新的不均匀沉降出现时，要及时调整各孔注水量的大小，以使建筑物均匀回倾，保证结构安全。

图4　浸水区域平面图

图5　浸水区域剖面图/mm

根据罐仓的变形特征，本次注水施工按如下步骤进行：

(1) 注水步骤应最先在主轴A—A的注水孔注水，然后再沿其两侧注水管全面注水；

(2) 在大量注水、短时间产生较大沉降后，宜暂缓注水，待沉降速率趋小后，再适当增加注水量；

(3) 注水工作应考虑沉降的滞后效应，在西北侧和东南侧沉降差值接近或进入规范允许值后及时终止，不允许出现“反倾”。

3.3沉降监测

为准确测定水泥罐仓的沉降，在罐仓外围设定了14个沉降观测点，具体观测点的布置如图2所示。在整个注水纠倾施工过程中，每天最少进行 2 次水准观测，将监测信息进行整理并绘制曲线和图表，严格控制回倾速度在10 mm/d以内，如发现回倾速度过快，则应立即调整相应浸水孔的注水量，使其严格按预定的设计回倾。在注水纠倾过程中，具体各主要观测点的沉降曲线如图6所示(其中第10～30工作日、第50～70工作日、第75～100工作日因罐仓内水泥量偏少导致基底压力过小，从而影响了纠倾的进度)。

图7为纠倾前后罐仓各观测点高程坐标值的比较(根据现场测量，确定2#点为高程最大点，9#点为高程最小点，初始测量时，9#点高程设为0 mm)。从图7可看出，纠倾完成后2#点高程为-60 mm，3#点高程为-55 mm，9#点高程为-110 mm，水泥罐仓整体倾斜为50/21000=0.0024(55/21000=0.0026)，满足国家相关规范要求[15]。

图6　水泥罐仓各测点沉降曲线图

图7　水泥罐仓各测点高程坐标值图

3.4封孔注浆及地面排水处理

纠倾完成后对注水孔采用水灰比为0.5的水泥浆进行了注浆处理，注浆压力为0.5MPa。同时为防止地面积水下渗，在壳体基础外侧地面下设置厚为1.0m、宽为3. 5m的灰土隔水垫层，并做好地面硬化和有组织排水。全部工程完成后，对水泥罐仓沉降继续进行了半年的监测，监测结果表明沉降趋于稳定，说明采用浸水法确实同时达到了纠倾和基本消除黄土湿陷的目的。

此次注水纠倾工作自2011年5月17日进驻现场，5月19日开始注水至9月10日完成注水纠倾，历时近四个月，圆满的完成了纠倾工作，同时基本消除了黄土的湿陷性，纠倾后水泥罐仓总体倾斜为2.4‰，满足国家相关规范要求，保证了工厂的正常生产。

4　结论

通过上述研究可知：

(1) 通过水泥罐仓浸水法纠倾工程的成功实践，表明在湿陷性黄土地区，采用浸水法对倾斜建(构)筑物进行纠倾是一种安全可靠、经济合理、技术上可行的纠倾方法。浸水法不但能使建(构)筑物的倾斜得以矫正，而且使地基的湿陷性得到消除或部分消除；若再次发生浸水时，其湿陷量可显著减少，湿陷敏感性变弱；同时，地基的压缩性降低，强度提高。

(2) 文中采用的浸水法纠倾水泥罐仓试验，纠倾后罐仓总体倾斜为2.4‰，满足国家相关规范要求，同时基本消除了黄土的湿陷性，保证了水泥罐仓以后的安全。

(3) 浸水法纠倾工程完成后，应对注水孔进行注浆封孔处理；同时在地表采取一定的隔水、排水措施，防止地表水下渗。

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(学科责编：吴芹)

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

江宗宝(1984-)，男，工程师，硕士，主要从事地基加固与基坑支护等方面的研究.E-mail:1954901243@163.com

1673-7644(2016)02-0183-06

TU470

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