筒倉結(jié)構(gòu)整體破壞的幾種可能

　　2005年，浙江某日產(chǎn)5000T水泥廠60m高生料均化庫“爆炸”，頃刻間濃煙四起，方圓一里內(nèi)塵土飛揚(yáng)，遮天蔽日。該事故中兩人死亡，多人受傷。2009年，重慶某水泥廠60m高均化庫倒塌，臨近高速公路中斷，窯尾提升機(jī)，收塵器被砸壞，全廠停產(chǎn)，損失巨大。事故后行業(yè)內(nèi)反響巨大，勘察，設(shè)計(jì)，施工，監(jiān)理等相關(guān)方立刻展開調(diào)查。不少業(yè)主因此擔(dān)心，“我的筒倉安全嗎？”

　　近年來水泥工業(yè)蓬勃發(fā)展，大型新型干法水泥廠象雨后春筍般在全國各地興建。鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)可謂大型水泥廠一大特色，直徑從10m到60m，高度從20m到70m，儲存物包括生料，摻和料，粉煤灰，碎石，熟料，水泥等，儲量從幾百噸到幾萬噸。由于結(jié)構(gòu)的重要性，在設(shè)計(jì)，施工過程中，對于筒倉的安全性考慮和采取的措施是到位的。筒倉一般設(shè)計(jì)為筒壁支撐，倉體部分經(jīng)嚴(yán)格裂縫驗(yàn)算，一般結(jié)構(gòu)裂縫寬度平均不超過0.2mm，所配置的水平鋼筋均大于抵抗物料側(cè)壓力所需要的配筋。支撐筒壁內(nèi)的壓應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混凝土極限抗壓強(qiáng)度。雖然經(jīng)受著內(nèi)部物料磨蝕的考驗(yàn)，由筒倉上部結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致的整體倒塌的案例極其罕見。

　　以外徑23m，高60m均化庫為例，減壓錐底部標(biāo)高10m，有效儲料高度48m。建立立體模型進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)分析，可得出筒倉應(yīng)力圖譜及支座位移和支座反力表。其中地基假設(shè)為基巖，大直徑樁基礎(chǔ)?；鶐r彈性模量E=5400MPa, 變形模量S=4700MPa，單軸天然抗壓強(qiáng)度37MPa。物料重量按照庫壁圓周單位面積以重力荷載輸入，結(jié)構(gòu)自重自動計(jì)算。物料水平壓力按照每8m分段計(jì)算后輸入。除重力荷載和倉體水平壓力，模型還同時考慮0.1KPa風(fēng)荷載，30℃溫度應(yīng)力作用。荷載組合COMB1=1.0水平荷載+1.0豎向荷載+1.0風(fēng)荷載+1.0溫度荷載。

筒倉計(jì)算模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　筒倉支座編號(18個樁基)

筒倉水平張拉應(yīng)力圖(MPa)

筒倉支撐筒壁豎向壓應(yīng)力圖(MPa)

筒倉支座位移表（U3為豎向位移）

　　從筒倉應(yīng)力圖及支座位移表分析，支座位移均勻，各樁基能均勻受力，結(jié)構(gòu)沉降較小。倉體部分最大張應(yīng)7MPa，控制水平張力需要水平鋼筋3d25@150（二級鋼筋）。而裂縫控制需要的水平鋼筋為3d25@90，此時倉壁平均裂縫在0.18mm左右，僅比肉眼能夠分辨的大小0.1mm稍大?？梢妭}壁結(jié)構(gòu)距離徹底破壞狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。再看支撐筒壁壓應(yīng)力，支座處及洞口局部約16MPa，但該部分有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和鋼筋，剛度和強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于筒壁，結(jié)構(gòu)安全是有保證的。其余大部分筒壁壓應(yīng)力在8-12MPa，若用C30混凝土，其設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度fc=14.3MPa，而混凝土的極限抗壓強(qiáng)度fu應(yīng)大于30MPa?？梢娭瓮脖诒粔核榈目赡苄詷O小，除非施工質(zhì)量極差。況且，目前絕大數(shù)大型筒倉一般用C40混凝土，加上豎向鋼筋作用，強(qiáng)度更有保障。

　　顯然，導(dǎo)致筒倉結(jié)構(gòu)整體破壞的原因，極可能在基礎(chǔ)和地基方面。

　　當(dāng)工程地質(zhì)良好，地基土承載力較高，比如大于500Kpa時，或者基巖埋深較淺，采用淺基礎(chǔ)比較經(jīng)濟(jì)時，筒倉均采用環(huán)板基礎(chǔ)。環(huán)板基礎(chǔ)整體剛度大，與上部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，抵抗地基不均勻沉降的彈性好。這類基礎(chǔ)施工采取大面積開挖，整個地基被揭露出來，可以直觀判斷地基的狀況，筒倉因?yàn)榈鼗鶈栴}發(fā)生整體破壞的可能性極小，除非產(chǎn)生更大范圍的地基整體失效，如大型滑坡。

　　當(dāng)?shù)鼗至右陨宪浫醺采w土層厚度較大時，筒倉一般采用樁基礎(chǔ)。由于筒倉自重加上儲料的總重量大，每跟樁的壓力一般較大，從數(shù)百噸到數(shù)千噸。本文算例設(shè)18個樁基，通過三維整體分析可以得出支座反力標(biāo)準(zhǔn)值如下表。

筒倉支座反力表（F3為豎向反力）

　　從上表看出，最大樁頂荷載1166支座為2176噸，平均單個樁頂荷載標(biāo)準(zhǔn)值在2100噸左右，如此巨大的荷載作用在單個構(gòu)件上，如果樁基質(zhì)量存在問題導(dǎo)致樁身強(qiáng)度偏低，或樁端持力層強(qiáng)度不足，或其它不良地質(zhì)情況，均可能造成樁體破壞進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌。

　　首先從不良地質(zhì)情況分析導(dǎo)致筒倉整體破壞的可能性。從業(yè)人員往往會相信基巖埋深比較淺的工程場地是好的場地，基巖給人的感覺就等于安全，可靠，基礎(chǔ)簡單，經(jīng)濟(jì)。多數(shù)情況下，這種直覺是正確的。然而，由于巖石是非均勻的物質(zhì)，基巖分布情況，軟弱面構(gòu)造，走向，傾斜，邊坡，溶蝕，裂隙等，決定了巖體結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。而基巖一般埋藏在土體深處，完整、準(zhǔn)確判斷巖石的具體狀態(tài)并不容易。物探可以探明大型斷裂構(gòu)造，鉆探可以取芯查明巖石樣本物理指標(biāo)，但目前還沒有一種方法可以明確判斷場地范圍內(nèi)基巖的整體外貌以及巖體內(nèi)部溶蝕裂隙和軟弱面的具體分布，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所依賴的地質(zhì)資料具有不完整性，它并非總是具有大于1.0的安全系數(shù)，這是對結(jié)構(gòu)安全的潛在威脅。

　　筒倉結(jié)構(gòu)整體倒塌有以下幾種可能：

　　一、結(jié)構(gòu)位于基巖凌空面附近，基巖存在軟弱結(jié)構(gòu)面。

　　這種軟弱結(jié)構(gòu)面如果分布不普遍，地勘鉆孔如果剛好不在該結(jié)構(gòu)面處，則很難發(fā)現(xiàn)。就算沒有軟弱面，當(dāng)樁基荷載很大時，基巖凌空面也可能整體被剪切破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌。應(yīng)對措施是，地勘明確判斷基巖凌空面及走向，結(jié)構(gòu)物遠(yuǎn)離凌空面。在初步勘察階段一般能發(fā)現(xiàn)基巖面標(biāo)高有突變，詳細(xì)勘察階段則應(yīng)增加布孔數(shù)量和加大勘察范圍，明確指出基巖凌空面具體位置和走向。如果結(jié)構(gòu)物因?yàn)楣に嚥贾貌荒苓h(yuǎn)離基巖凌空面，應(yīng)將樁基底部標(biāo)高控制在能滿足基巖邊坡穩(wěn)定的標(biāo)高。

基巖凌空軟弱結(jié)構(gòu)面破壞示意圖

傾斜基巖面樁基滑移示意圖

　　二、基巖面傾斜角度大，樁基嵌入巖石深度不足，導(dǎo)致樁基滑移。

　　這種情況一般從地勘資料能夠判斷基巖面的傾斜角度，設(shè)計(jì)時應(yīng)適當(dāng)加大樁基嵌巖深度。施工時則務(wù)必以基底最低點(diǎn)計(jì)算樁基入巖深度，切忌因施工或測量誤差導(dǎo)致樁基嵌巖深度不足，這將導(dǎo)致樁基滑移，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)整體倒塌的事故?；鶐r面陡峭情況還應(yīng)注意樁間距與樁底高差的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)地勘報(bào)告要求驗(yàn)算巖石邊坡穩(wěn)定性。地勘報(bào)告缺少此項(xiàng)參數(shù)時，應(yīng)要求地勘單位補(bǔ)充該數(shù)據(jù)。

　　三、樁基位于溶洞頂部

　　巖溶地區(qū)的樁基危險性極高，詳細(xì)地質(zhì)勘察不可能完全找出整個場地內(nèi)的溶洞。樁基規(guī)范規(guī)定，對于一柱一樁結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行施工勘察，查明樁底5m或3d范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。對于筒倉這種重型結(jié)構(gòu)，當(dāng)然不能認(rèn)為是群樁而放松對地質(zhì)勘察的要求。尤其在巖溶地區(qū)，對所有樁底進(jìn)行地質(zhì)勘察是絕對必要的。

溶洞頂部破壞示意圖

　　四、局部樁基失效

　　當(dāng)樁基位于地下水豐富，軟弱土層較厚，樁身長度較大時，一般采用鉆孔或沖孔樁。這種樁基施工一般采用泥漿護(hù)壁法施工，可能因?yàn)榈刭|(zhì)資料不夠準(zhǔn)確，施工設(shè)備局限，樁底沉渣清理不完全，或混凝土澆筑過程中塌孔，漏漿等原因，導(dǎo)致部分或全部樁基存在質(zhì)量缺陷。而目前絕大多數(shù)地區(qū)樁基質(zhì)量檢查規(guī)定只對樁基采用抽樣檢查，極有可能漏掉存在質(zhì)量隱患的樁基。根據(jù)本模型，假設(shè)單樁豎向承載力特征值為2200噸。計(jì)算顯示，當(dāng)局部樁基失效后，由于基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的剛度大，基底反力傳遞給相鄰樁基。根據(jù)樁基設(shè)計(jì)，當(dāng)單樁荷載標(biāo)準(zhǔn)值超過其設(shè)計(jì)承載能力兩倍時可能達(dá)到破壞極限狀態(tài)。即當(dāng)樁頂壓力接近或超過4400噸時，樁基極有可能發(fā)生破壞。計(jì)算顯示，當(dāng)僅一根或兩根樁失效時，相鄰樁基荷載增加幅度尚不能達(dá)到破壞極限狀態(tài)。當(dāng)1165, 1166, 1167三根樁同時失效后，相鄰樁基1164, 1168號樁反力接近極限。當(dāng)1164, 1165, 1166, 1167四條樁失效后，相鄰兩個樁1163 1168豎向反力分別達(dá)到4327噸和4533噸，接近或大于極限破壞狀態(tài)。從支座位移表看出，當(dāng)三個或四個樁基失效后，失效樁基的豎向下沉量不超過50mm，結(jié)構(gòu)整體傾斜尚不明顯，肉眼甚至無法判斷結(jié)構(gòu)已經(jīng)傾斜。然而此刻數(shù)個樁基已經(jīng)失去工作能力，隨著倉內(nèi)物料不斷增加，時間不斷推移，緊接著導(dǎo)致失效樁基臨近兩個或多個樁反力急劇增加，并很快達(dá)到破壞極限狀態(tài)，從而失去承載能力。這樣，結(jié)構(gòu)樁基極有可能在短時間內(nèi)勢如破竹一般一個接著一個發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)整體倒塌。這種狀況更具有隱蔽性，從表面看是由于“人力所不及”所造成的災(zāi)難。只有加強(qiáng)施工過程監(jiān)控及竣工驗(yàn)收質(zhì)量檢查才能完全避免此類事故發(fā)生。

三個樁失效后支座反力表（F3為豎向反力）

四個樁失效后支座反力表（F3為豎向反力）

四個樁失效時支座位移表（U3為豎向位移）

四個樁失去功能后庫壁壓應(yīng)力圖

四個樁失去功能后庫壁壓應(yīng)力圖

　　從庫壁壓力圖看出，三個樁發(fā)生失效后，庫壁混凝土壓應(yīng)力在13-18MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到破壞極限。四個樁發(fā)生失效后，庫壁混凝土壓應(yīng)力仍未達(dá)到破壞極限，僅洞口處局部壓應(yīng)力到達(dá)27MPa。由此可見，筒倉結(jié)構(gòu)由于支撐筒壁被壓碎導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌的可能性極小。

　　雖然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的原因可能多種多樣，由于不良地質(zhì)或跟不良地質(zhì)有關(guān)的原因產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞的可能性很大，且具有隱蔽性和直接性，如果在項(xiàng)目前期地質(zhì)勘察階段忽略掉一些不利因素，在項(xiàng)目實(shí)施階段是很難控制的。“5.12”汶川大地震顯示，地質(zhì)災(zāi)害可能帶來比地震本身更加可怕的災(zāi)難。工程建設(shè)地質(zhì)勘察在任何項(xiàng)目中都極其重要。當(dāng)以一棟建筑作為一個項(xiàng)目時，對于該建筑的地質(zhì)勘察是詳細(xì)的。但當(dāng)以幾十個建筑，上百個建筑群作為一個項(xiàng)目進(jìn)行地質(zhì)勘察時，對于某一個單體建筑來講，其地質(zhì)勘察的詳細(xì)程度往往會大打折扣，有些重要建筑甚至可能只有1-2個鉆孔，這顯然是不利的。對于象筒倉這樣荷載巨大的建筑物，除在結(jié)構(gòu)投影面積內(nèi)布置地勘鉆孔外，適當(dāng)在建筑物以外布置鉆孔是必要的。特別是地質(zhì)復(fù)雜場地，適當(dāng)增加地質(zhì)鉆孔絕對不會是浪費(fèi)。地勘報(bào)告不僅要分析整個項(xiàng)目場地的穩(wěn)定性，還要對每一個單體建筑物，尤其是象筒倉這類建筑物的局部場地穩(wěn)定性進(jìn)行研究。施工中如果發(fā)生樁基實(shí)際深度超過地勘鉆孔深度，應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充地勘鉆孔，探明樁底標(biāo)高以下5m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，并對每一個樁進(jìn)行承載力驗(yàn)算。本文的樁基失效推算是建立在地基均勻，樁身強(qiáng)度完全滿足設(shè)計(jì)要求情況下。如果樁身質(zhì)量存在缺陷，或地基不均勻，一個或兩個樁基失效也可能導(dǎo)致“多米勒骨牌效應(yīng)”，結(jié)構(gòu)在較短時間內(nèi)由局部破壞發(fā)展為整體破壞。當(dāng)樁基持力層為強(qiáng)度較高的基巖時，由于筒倉結(jié)構(gòu)的剛度極大，變形協(xié)調(diào)能力差，支座沉降將直接導(dǎo)致該支座反力傳遞給相鄰支座，該類樁基基底務(wù)必清理干凈，防止樁基受力不均導(dǎo)致嚴(yán)重后果。對于大直徑樁基，最好參照廣東省地基規(guī)范的要求，在每個樁內(nèi)預(yù)埋超聲波檢測管，便于100%樁身質(zhì)量檢查，避免因抽查取樣的局限性釀成重大事故。