大直径球形仓地基基础应力应变监测研究

郭立志，王正宇，赵光思，金迎港，杨大龙

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

随着资源的日益紧张和人们对工程环境效益的关注，实现岩土工程结构的低碳化、经济性设计和施工迫在眉睫。国内煤炭行业，一种存储空间大、环境友好型的结构——气膜钢筋混凝土穹顶球形仓，被成功引进[1-4]。国内外学者研究了该新型煤仓的上部结构受力分析及优化设计[5-9]、刚性桩复合地基的受力机制[10-14]及沉降的计算[15-18]和沉降等自动化监测方法[19-21]，为该球仓的设计提供了参考依据，但很少有研究大直径球仓采用环形基础加刚性复合地基的案例，球形仓整体结构的受力状态与荷载的传递形式，环形基础与复合地基之间荷载传递的机理等都需要进一步地去探究。本文以陕西榆林大海则原煤球形仓为工程背景，设计了一套安全监测系统，监测施工期及运营期球形仓主体结构和基础的受力状态和土体的分层沉降，用来分析大直径球形仓的安全性和可靠性，并为该球形仓的优化设计提供参考和建议。

1 工程概况

陕西榆林大海选煤厂的原煤球形仓采用气膜钢筋混凝土穹顶结构。该结构由气膜钢筋混凝土球仓主体、仓下暗道、框架结构的提升间、仓上建筑及1号转载点组成。仓体主体直径66m，高度66.50m，设计最大储煤量10万t，是我国目前最大的原煤球形仓。球形仓采用独立环形基础，仓下有4条宽6.8m，高8.3m的拱形暗道，暗道连接仓内漏斗，如图1所示。气膜钢筋混凝土球形仓结构的主要优点：占地面积小、仓体容积大、施工工期短且速度快、节能环保、刚度大、受力特性及耐久性好、外形美观。

图1 球形仓剖面

2 岩土工程勘察及地基处理

2.1 岩土工程概况

该选煤厂位于陕北侏罗纪煤田北部，属于华北地层区鄂尔多斯盆地分区。地区地层由老至新有：三叠系上统永坪组(T3y)，侏罗系下统富县组(J1f)，侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统洛河组(K1l)，新近系(N)及第四系(Q)。

根据岩土工程详勘钻探结果，场地内地层特性按其物理力学性质的差异，可分为9个工程地质层，3个工程地质亚层。球形仓周围部分钻孔岩性如图2所示。

图2 球形仓周围钻孔岩性

拟建场地位于同一地质单元，无采空区、滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象和暗浜、塌陷等不良地质作用，适宜作为建筑场地使用。

2.2 地基处理

根据地基土工程性质评价，场地地层在水平和垂直方向上均有一定的差异。基于以上特征，并结合大直径球形仓大跨空间结构的特点，采用素混凝土长短桩复合地基，共计3726根桩，如图3所示。桩直径400mm，中心距1200mm，等边三角形布置，有效桩长有15m、16m、8m和18m四种规格，素混凝土桩施工完成后铺设250mm厚碎石褥垫层。

图3 球仓地基处理素混凝土桩平面布置

3 球形仓监测系统

3.1 地基土压力监测

为掌握该大跨空间结构复合地基的受力情况及分布特点，考虑结构的对称性，选择具有代表性受力的断面布置传感器。在1#暗道北侧、1#和2#暗道之间和2#暗道南侧共埋设量程为600kPa的土压力盒共7支。具体测点布置如图4所示。

图4 地基基底压力监测点布置

3.2 环形基础应力、应变监测

由于球形仓的占地面积和跨度较大，场地周围土层分布的不均匀性，为掌握环形基础实际的受力状态，所以在环形基础选择3个典型的断面进行基底压力监测。每断面分别在基底按1m间距布设土压力盒5支(分别布置在桩上和桩间土上，来获得桩顶应力和桩间土应力)。另在西北方位1#暗道底部及1#和2#暗道之间的环形基础下部安装2支土压力盒，掌握环形基础在暗道周围的受力，如图5所示。

图5 环形基础基底压力监测布点

在环形基础、基础直墙段和侧壁埋设应变计和土压力盒，如图6所示。其中为进一步把握环形基础直墙段内外拉应力的不同，于环形基础南侧单独安装4支内、外排环向应变计。

图6 环形基础应力应变监测点平面和剖面

3.3 暗道压力、应变监测

为准确把握暗道在反复堆煤和出煤过程中的受力状态，选择2#暗道(中间及靠东四分之一断面)和1#暗道(中间断面)在直墙距离碎石垫层1.5m高位置、直墙与拱圆相交位置以及仰拱顶各选取1个监测点，其中1#暗道中间断面和2#暗道靠东四分之一断面监测的是土压力与三向应变，2#暗道中间断面监测的是土压力和双向应变。合计需要应变计23支，土压力盒6支，土压力盒量程为400kPa，测点布置如图7所示。

图7 暗道监测平面布置和断面布置

3.4 土体侧向土压力及分层沉降监测

依据土层分布、现场建筑物位置和施工进度等，在球形仓西北方位钻5个孔分别埋设土压力盒和分层沉降计。测点1#、2#和3#分别距离直墙段6.5m、8.5m和10.5m，且三点位于一条穿过球形仓中心的直线上，4#和5#分别位于距离直墙段6.5m和8.5m，同样其两点的连接线过球形仓中心，如图8所示。

图8 测点布置(mm)

测点1#、2#和3#为土压力测点，在距地面8m、12m、17m、23m和24m处，土压力盒竖向放置，用于监测侧向土压力，距地面23.5m处土压力盒横向放置，用于监测竖向土压力。测点4#和5#为沉降测点，布置分层沉降计，其中4#测点埋设观测六层沉降，分别为6m、10m、14m、18m、24m和30m；5#测点埋设观测五层沉降，分别为6m、10m、14m、18m和23m。分层沉降计采用电感调频式的多点位移传感器，由传感器、测杆、PVC保护管、锚固头等部分组成，在不同的深度下放锚固头，用测杆将锚固头和传感器连接，当某一深度的土体发生沉降时，该处的锚固头带动测杆向下移动，传感器产生读数。该分层沉降计采用全数字监测，精度高，灵敏度高，受温度影响较小，抗干扰能力强，适用于长期测量和远距离传输。

4 监测结果及数据分析

所有自动采集模块之间采用485有线的方式进行通讯，交汇于地面安装的中央控制器，采用无线发射装置可实时将现场数据发送至远程计算机。球仓结构关键测点的监测数据如图9所示。球仓2021年10月底开始落煤，图9(a)可以看出，落煤后22m深度范围内(加固区)沉降量增大趋势明显，表明堆煤荷载产生的沉降主要集中在下卧层，且30m深度范围内沉降量最大约为34.85mm；图9(b)表明，堆煤期间越靠近球仓中心的暗道的侧壁所受压力越大，但在施工期间越靠近外侧的暗道所受压力越大，这可能是由于外壁喷射混凝土导致；由图9(c)数据显示，环形基础竖向微应变累积量随堆煤荷载最大可达-184με，约为径向微应变累积量的两倍。在刚性桩桩端深处附近，图9(d)数据显示越靠近复合地基测得的侧向应力值越大，约为235kPa。

图9 监测系统典型部位监测结果

环形基础竖向应变累积量远大于径向累积量，说明堆煤对竖向应力的影响要大于径向应力；与现场施工日志核对，卸煤只是减缓了累积速度，二次堆煤后应变累积趋势再次加快。环形基础施工时应对混凝土做好养护等，确保环形基础的强度，防止在反复堆煤、卸煤时产生蠕变或者剪切破坏。

落煤之前暗道侧壁的压力值最大出现在1#暗道中间断面北侧，这说明落煤前，整体结构荷载向下传递的方位偏向于球仓外侧，分析原因可能有内部喷射混凝土和仓内漏斗的施工堆载有关；相比而言，落煤之后紧靠球仓中心的2#暗道侧壁数值增大较为显著，猜测可能与落煤的位置有很大的关系。大直径球仓在设计计算时，偏向结构中心的暗道受力强度应符合满堆煤时的荷载核算，偏向结构外侧的暗道要根据施工期间的荷载重点关注。

对于复合地基，堆煤阶段荷载增加引起的沉降主要由下卧层承担，复合地基刚性桩很好限制了加固区的沉降，24m以下范围由于砂岩的存在沉降量差别不大。在相同深度，随着测点越靠近复合地基，测得侧向土压力值越大且波动明显，表明受刚性桩复合地基的影响明显；此外，同一测点的侧向土压力随深度增加而增大，最大值位于刚性桩的桩端，可能是在上部荷载作用下有向外运动的趋势，对周围土体产生明显的挤压效果。复合地基设计施工时可适当扩大刚性桩的布置范围或夯实周围土体等措施以防止刚性桩桩端在受荷载时外扩，从而导致更大的沉降量。

5 结 语

此类球形仓作为特殊的大跨空间结构，在国内引进晚，使用率不高，尚无成熟的设计、使用规范，尤其地基承载力计算与验算等关键技术仍待攻关。通过结合球形仓的结构设计方案、工程地质条件以及地基处理等参数，设计了一套多方位、多层面的自动化监测系统。初步成果表明该监测系统布置合理，自动化程度高，可充分掌握暗道等上部结构、环形基础及复合地基的受力特点，也可进一步掌握大直径球形仓运营期间球仓各结构的应力疲劳响应及安全运营状态，为此后的设计计算提供参考。