粗粒混合土既有建（构）筑物地基沉降原因分析实例

2016-02-23刘学军周海明

西部探矿工程 2016年2期

关键词：土洞角砾选矿厂

刘学军，周海明

（新疆建筑科学研究院<有限责任公司>工程勘察测绘院，新疆乌鲁木齐830002）

粗粒混合土既有建（构）筑物地基沉降原因分析实例

刘学军*，周海明

（新疆建筑科学研究院<有限责任公司>工程勘察测绘院，新疆乌鲁木齐830002）

粗粒混合土具有特殊的物理力学性质，其稳定性往往较差。通过对建筑于粗粒混合土之上的某工程发生地基破坏的原因进行分析，对粗粒混合土地基沉降的主要原因进行了初步探讨，提出了粗粒混合土渗透变形是地基不均匀沉降的主要原因。并对造成事故的勘察、设计、施工中人为原因进行了初步分析，提出了类似工程实施过程中的注意事项，对工程后续治理提供了较准确的依据。

既有建筑；粗粒混合土；地基沉降；原因分析；渗透变形

某选矿厂位于天山中部，经过4年建设，于2014年7月完工，但仅试运行4h，即发生地基下陷，主厂房内球磨机、水池及其它设施在短时间内出现大范围下沉和位移，导致设备严重变形受损，生产停滞，造成选矿厂投产时间推迟1年半以上，后期地基处理花费3000万元以上，给业主造成巨大损失。

确定地基破坏原因，成为对选矿厂进行后期处理，恢复生产的关键因素。

1　工程概况

选矿厂包括磨矿仓、主厂房、铁精矿仓锌精矿仓、锌精矿浓缩池、Ø16m尾矿浓缩、环水泵站、加药间、煤场、锅炉间、过滤间、油品间、化验室、综合修理间、员工宿舍、综合楼、食堂及浴池及皮带通廊支架等项目设施。

已建设施安全等级均为二级，采用框架或排架结构，对差异沉降敏感程度敏感。除磨矿仓、主厂房、铁精矿仓锌精矿仓、矿槽及锅炉间高度在25～35m外，其它设施高度在3～15m。设计采用天然地基，钢筋混凝土矩形基础。基础拟埋置深度一般在-2.0～-3.5m，地下构筑物总砂泵站基础埋深达-6.0m。

1.1勘察设计及施工情况

①根据勘察报告，拟建场地位于山前冲洪积扇，海拔高程在2870～2890m之间，场地土由冲填土和角砾构成。角砾为良好的地基持力层，承载力fak=200kPa。

②厂房建筑采用框架或排架结构，独立柱基，扩大基础，基础埋深为-2.5m，以角砾为地基持力层。

③设备基础采用扩大基础，埋深-2.5m，以角砾为地基持力层。

④考虑到选矿厂运行时使用大量水，在厂房内设置了排水槽和非防水地坪。

1.2施工情况

因选矿厂所在位置海拔较高，气温较低，冬季漫长，夏季短暂，造成每年施工期极短，仅有4～5个月。厂房施工和设备安装共计历时4年。

根据施工资料反映，在基坑开挖时，主厂房基坑范围内，先后出现4处塌陷坑，面积最大的约5～6m2，深度1.0～3.0m左右，经勘察单位现场地基验槽，判断为勘察时探井塌陷，采用素混凝土回填处理。

因设计文件未提出水槽和地坪的防水要求，因此施工时仅按一般要求进行防水处理，且水槽及地坪施工质量较差，开裂情况较普遍。

1.3事故情况

在设备安装调试完成后，于2014年7月进行了试生产，开机试运行4h，因管路系统发生问题，致使大量水渗入地下，发现地基下陷，10h后，主厂房内球磨机、水池及其它设施出现大范围下沉和位移，导致设备严重变形受损，其中1#球磨机东南角下沉60mm，2#球磨机东北角下沉80mm，无法继续生产。

2　初步确定的地基破坏原因

根据工程所在场地位置、海拔、地形、地貌及岩土工程条件，初步判断发生地基破坏的可能原因为：

①工程所在地区海拔高、气温低，可能存在多年冻土，受水浸泡，多年冻土融化，造成地基突然沉降；

②地基土可能具湿（溶）陷性，受水浸泡后，地基土发生沉降；

③基础施工完成后，肥槽填土未按设计要求碾压合格，受水浸泡发生沉降，带动基础发生不均匀沉降。

按照以上分析，对工程进行了地基调查工作。

3　地基调查

3.1地基调查工作内容

地基调查主要进行了以下现场工作：

①地质及工程地质调查测绘：进入现场后，发现原勘察报告对场地地形地貌判断有误，首先进行了工程场地的地质及工程地质调查测绘工作；

②人工探井：为地基调查的主要手段，沿建（构）筑物及设备基础周边开挖探井，目的是直接观察基础下地层情况，了解地基沉降原因；

③钻孔：为了解深层地基土的变化及进行必要的原位测试工作，在有钻孔施工条件的区域，布设了钻孔作为地基调查手段；

④原位测试：地基调查时主要进行了地基土浸水载荷试验和动力触探，目的是查明地基土的湿（溶）陷性和地基土密实程度；

⑤现场试验：开挖试坑至已建建（构）筑物基础埋深部位，进行现场试坑浸水试验，观测地基土在无附加荷载条件下受水浸泡后的沉降变形特征；

⑥取样试验及现场测试：在探井内进行含水量及地温测量，同时采取土试样进行颗粒分析及土化学分析；对分布在粗粒混合土中的细粒土夹层或透镜体，人工采取Ⅰ级原状试样进行土常规及黄土湿陷性试验。

3.2地基调查结果

在地基调查工作中，发现的主要问题：①场地地貌并非冲洪积扇，而是属于山前坡积裙；②地基温度测定结果表明，已建场地地表4m下地基土温度均在0°C以上，不存在多年冻土。

③地基持力层土层并非勘察报告提出的角砾，而是粗粒混合土。地基调查时，共计采取51组试样带回土工实验室。经室内研磨及水洗筛分，角砾、砾砂中粒径小于0.075mm的细粒土质量超过总质量的12.1%～52.8%，有82.1%的粗粒土试样中粒径小于0.075mm的细粒土质量超过总质量的25%。

④粗粒混合土中存在大量天然土洞。在调查过程中，约50%的勘探点在不同位置、不同深度内发现有天然土洞，其分布在平面及空间上无规律。已揭露土洞一般呈“纺锤”状或锥形体，长约0.6～1.8m，宽0.3～1.2m，高度在2.2～3.6m，部分土洞被顶部塌落的松散土体充填。

⑤粗粒混合土在天然含水状态下有较高的强度，承载力特征值达到200～300kPa，但受水浸润后，其强度迅速降低，变形加剧，在200～250kPa荷载下即产生破坏。该土在200kPa压力下浸水载荷试验的附加湿陷量ΔFs=2.15～3.52cm，其湿陷程度轻微—中等，计算湿陷启始压力为137～186kPa。综合判定场地为非自重湿陷场地，Ⅲ级（严重）湿陷地基。

4　地基沉降原因分析

根据场地岩土工程条件和地基调查结果，综合分析本工程发生地基沉降的原因为：

①工程场地主要地层为洪坡积的粗粒混合土，颗粒级配不连续，缺失中间粒径，在地下水渗流情况下，易发生管涌。而在较长的地质年代，因为降水和春季融雪造成粗粒混合土中存在地下水渗流，致使细粒土被带走，但粗粒土形成的骨架尚能支撑，渗漏量加大但没有发生破坏，在土体渗流通道中形成天然土洞。

②场地为高原草甸，地表具植被保护层，地形天然坡度大，有浅冲沟分布，地表径流条件良好，渗入土中水量较少。选矿厂建厂施工过程中，对场地进行大填大挖式的整平，将原来自然坡度平整成5个平台。地表植被保护层被破坏，地表径流成为平台上的缓流，致使渗入地层水量加大，进一步加剧了粗粒混合土的渗透破坏。

③在渗流条件下形成的天然土洞，有部分处于极限平衡状态，当改变其上覆土压力或进一步渗流，即可能造成土洞坍塌，形成地表土体沉陷，产生塌陷坑。在施工验槽时基坑内出现的塌陷坑即是此原因造成，理应引起重视，但勘察单位验槽时仅进行了简单判断，失去了避免发生工程事故的一次最好机会。

④选矿厂厂房建设和设备安装，增加了基础下伏粗粒混合土的附加应力，使更多天然土洞形成的自然压力拱处于或接近于极限平衡状态，厂房及设备均处于失稳前的较危险状态。只要附加应力或渗流条件发生变化，极有可能造成地基沉降。

⑤选矿厂厂房内地坪及排水水槽未进行防水处理或防水处理施工质量较差，试生产时大量水体渗入粗粒混合土中，土洞上部粗粒混合土进入饱和状态，自重应力大幅增加，随即产生新的渗流破坏及土洞天然压力拱失稳塌陷，致使地基短时期内发生较大不均匀沉降，造成事故发生。

⑥粗粒混合土具非自重湿陷性，为Ⅲ级（严重）湿陷地基，由土的自重压力及上部结构荷载产生的附加应力超出地基土的湿陷启始压力，在大量水渗入地下后，地基产生湿陷变形，加剧了地基沉降，使事故进一步恶化。

5　结论

①在岩土工程勘察过程中，对工程所处地貌单元的判定十分重要。不同地貌单元由于沉积环境不同，地层物理力学性质差异较大，所带来的岩土工程问题也不同。对于本工程，所处场地为坡积裙，有巨厚的粗粒混合土分布十分正常，粗粒混合土的特殊性质，自然成为本工程的主要岩土工程问题。而勘察时判断场地所处地貌为冲洪积扇，十分自然地将粗粒混合土判定为力学性质优良的冲洪积角砾，为本次事故的主要原因。

②在岩土工程勘察工作中，对场地地层的定名，应在现场观察的基础上结合适当的土工试验进行。本工程在勘察过程中，仅仅依靠野外观察和现场常规筛分试验，将主要地层定名为角砾，未进行室内水洗筛分试验，致使地层定名错误，将粗粒混合土定名为角砾，错失了粗粒混合土带来的一系列工程问题。

③在近山区进行工程建设时，应尽量避免大填大挖，如必须进行大范围的场地整平，应采取措施确保场地原有水流通道畅通，或先行建设排水通道，避免地表水流大量渗入地下，带来新的工程问题。

④地基验槽是检验勘察成果准确性的关键步骤，应引起足够重视。在验槽过程中，发现特殊情况应小心处置，不能轻易下结论。处理方案应切合实际，抓住工程主要问题。在本工程中，施工验槽时，发现基底出现4处塌陷坑，未引起足够重视，却轻率的下结论为勘察时探井垮塌，实际上，只需对探井位置和塌陷坑位置坐标进行简单对比分析，即可发现问题。但轻率的判断却使工程错过了最后一次发现问题的机会。

⑤对于类似选矿厂这样生产时需大量用水的工业厂房，在设计施工时，应有必要的地表防水措施，防止生产用水短时期内大量渗入地下，带来工程隐患。本工程中，厂房地坪不防水，水槽等排水措施施工质量差，致使试生产时大量生产用水渗入地下，是本工程出现问题的重要诱因。