筒倉結構整體破壞的幾種可能

??? 2005年，浙江某日產5000T水泥廠60m高生料均化庫“爆炸”，頃刻間濃煙四起，方圓一里內塵土飛揚，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，收塵器被砸壞，全廠停產，損失巨大。事故后行業內反響巨大，勘察，設計，施工，監理等相關方立刻展開調查。不少業主因此擔心，“我的筒倉安全嗎？”

??? 近年來水泥工業蓬勃發展，大型新型干法水泥廠象雨后春筍般在全國各地興建。鋼筋混凝土筒倉結構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。由于結構的重要性，在設計，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。筒倉一般設計為筒壁支撐，倉體部分經嚴格裂縫驗算，一般結構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壓力所需要的配筋。支撐筒壁內的壓應力也遠遠低于混凝土極限抗壓強度。雖然經受著內部物料磨蝕的考驗，由筒倉上部結構破壞導致的整體倒塌的案例極其罕見。

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

筒倉計算模型筒倉支座編號(18個樁基)

筒倉水平張拉應力圖(MPa)

筒倉支撐筒壁豎向壓應力圖(MPa)

筒倉支座位移表（U3為豎向位移）

??? 從筒倉應力圖及支座位移表分析，支座位移均勻，各樁基能均勻受力，結構沉降較小。倉體部分最大張應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。可見倉壁結構距離徹底破壞狀態相差甚遠。再看支撐筒壁壓應力，支座處及洞口局部約16MPa，但該部分有加強結構和鋼筋，剛度和強度均遠大于筒壁，結構安全是有保證的。其余大部分筒壁壓應力在8-12MPa，若用C30混凝土，其設計抗壓強度fc=14.3MPa，而混凝土的極限抗壓強度fu應大于30MPa。可見支撐筒壁被壓碎的可能性極小，除非施工質量極差。況且，目前絕大數大型筒倉一般用C40混凝土，加上豎向鋼筋作用，強度更有保障。

??? 顯然，導致筒倉結構整體破壞的原因，極可能在基礎和地基方面。

??? 當工程地質良好，地基土承載力較高，比如大于500Kpa時，或者基巖埋深較淺，采用淺基礎比較經濟時，筒倉均采用環板基礎。環板基礎整體剛度大，與上部結構協調工作，抵抗地基不均勻沉降的彈性好。這類基礎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，筒倉因為地基問題發生整體破壞的可能性極小，除非產生更大范圍的地基整體失效，如大型滑坡。

??? 當地基持力層以上軟弱覆蓋土層厚度較大時，筒倉一般采用樁基礎。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，從數百噸到數千噸。本文算例設18個樁基，通過三維整體分析可以得出支座反力標準值如下表。

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準值在2100噸左右，如此巨大的荷載作用在單個構件上，如果樁基質量存在問題導致樁身強度偏低，或樁端持力層強度不足，或其它不良地質情況，均可能造成樁體破壞進而導致結構整體倒塌。

??? 首先從不良地質情況分析導致筒倉整體破壞的可能性。從業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，基礎簡單，經濟。多數情況下，這種直覺是正確的。然而，由于巖石是非均勻的物質，基巖分布情況，軟弱面構造，走向，傾斜，邊坡，溶蝕，裂隙等，決定了巖體結構異常復雜。而基巖一般埋藏在土體深處，完整、準確判斷巖石的具體狀態并不容易。物探可以探明大型斷裂構造，鉆探可以取芯查明巖石樣本物理指標，但目前還沒有一種方法可以明確判斷場地范圍內基巖的整體外貌以及巖體內部溶蝕裂隙和軟弱面的具體分布，導致結構基礎設計所依賴的地質資料具有不完整性，它并非總是具有大于1.0的安全系數，這是對結構安全的潛在威脅。

??? 筒倉結構整體倒塌有以下幾種可能：

一、結構位于基巖凌空面附近，基巖存在軟弱結構面。

??? 這種軟弱結構面如果分布不普遍，地勘鉆孔如果剛好不在該結構面處，則很難發現。就算沒有軟弱面，當樁基荷載很大時，基巖凌空面也可能整體被剪切破壞，導致結構整體倒塌。應對措施是，地勘明確判斷基巖凌空面及走向，結構物遠離凌空面。在初步勘察階段一般能發現基巖面標高有突變，詳細勘察階段則應增加布孔數量和加大勘察范圍，明確指出基巖凌空面具體位置和走向。如果結構物因為工藝布置不能遠離基巖凌空面，應將樁基底部標高控制在能滿足基巖邊坡穩定的標高。

基巖凌空軟弱結構面破壞示意圖

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，設計時應適當加大樁基嵌巖深度。施工時則務必以基底最低點計算樁基入巖深度，切忌因施工或測量誤差導致樁基嵌巖深度不足，這將導致樁基滑移，進而造成結構整體倒塌的事故。基巖面陡峭情況還應注意樁間距與樁底高差的關系，應根據地勘報告要求驗算巖石邊坡穩定性。地勘報告缺少此項參數時，應要求地勘單位補充該數據。

三、樁基位于溶洞頂部

??? 巖溶地區的樁基危險性極高，詳細地質勘察不可能完全找出整個場地內的溶洞。樁基規范規定，對于一柱一樁結構，應進行施工勘察，查明樁底5m或3d范圍內的地質情況。對于筒倉這種重型結構，當然不能認為是群樁而放松對地質勘察的要求。尤其在巖溶地區，對所有樁底進行地質勘察是絕對必要的。

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壁法施工，可能因為地質資料不夠準確，施工設備局限，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，導致部分或全部樁基存在質量缺陷。而目前絕大多數地區樁基質量檢查規定只對樁基采用抽樣檢查，極有可能漏掉存在質量隱患的樁基。根據本模型，假設單樁豎向承載力特征值為2200噸。計算顯示，當局部樁基失效后，由于基礎和上部結構的剛度大，基底反力傳遞給相鄰樁基。根據樁基設計，當單樁荷載標準值超過其設計承載能力兩倍時可能達到破壞極限狀態。即當樁頂壓力接近或超過4400噸時，樁基極有可能發生破壞。計算顯示，當僅一根或兩根樁失效時，相鄰樁基荷載增加幅度尚不能達到破壞極限狀態。當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1164, 1165, 1166, 1167四條樁失效后，相鄰兩個樁1163 1168豎向反力分別達到4327噸和4533噸，接近或大于極限破壞狀態。從支座位移表看出，當三個或四個樁基失效后，失效樁基的豎向下沉量不超過50mm，結構整體傾斜尚不明顯，肉眼甚至無法判斷結構已經傾斜。然而此刻數個樁基已經失去工作能力，隨著倉內物料不斷增加，時間不斷推移，緊接著導致失效樁基臨近兩個或多個樁反力急劇增加，并很快達到破壞極限狀態，從而失去承載能力。這樣，結構樁基極有可能在短時間內勢如破竹一般一個接著一個發生破壞，從而導致上部結構整體倒塌。這種狀況更具有隱蔽性，從表面看是由于“人力所不及”所造成的災難。只有加強施工過程監控及竣工驗收質量檢查才能完全避免此類事故發生。

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力圖

四個樁失去功能后庫壁壓應力圖

??? 從庫壁壓力圖看出，三個樁發生失效后，庫壁混凝土壓應力在13-18MPa，遠未達到破壞極限。四個樁發生失效后，庫壁混凝土壓應力仍未達到破壞極限，僅洞口處局部壓應力到達27MPa。由此可見，筒倉結構由于支撐筒壁被壓碎導致結構整體倒塌的可能性極小。

??? 雖然導致結構破壞的原因可能多種多樣，由于不良地質或跟不良地質有關的原因產生結構破壞的可能性很大，且具有隱蔽性和直接性，如果在項目前期地質勘察階段忽略掉一些不利因素，在項目實施階段是很難控制的。“5.12”汶川大地震顯示，地質災害可能帶來比地震本身更加可怕的災難。工程建設地質勘察在任何項目中都極其重要。當以一棟建筑作為一個項目時，對于該建筑的地質勘察是詳細的。但當以幾十個建筑，上百個建筑群作為一個項目進行地質勘察時，對于某一個單體建筑來講，其地質勘察的詳細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，除在結構投影面積內布置地勘鉆孔外，適當在建筑物以外布置鉆孔是必要的。特別是地質復雜場地，適當增加地質鉆孔絕對不會是浪費。地勘報告不僅要分析整個項目場地的穩定性，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定性進行研究。施工中如果發生樁基實際深度超過地勘鉆孔深度，應當補充地勘鉆孔，探明樁底標高以下5m范圍內的地質情況，并對每一個樁進行承載力驗算。本文的樁基失效推算是建立在地基均勻，樁身強度完全滿足設計要求情況下。如果樁身質量存在缺陷，或地基不均勻，一個或兩個樁基失效也可能導致“多米勒骨牌效應”，結構在較短時間內由局部破壞發展為整體破壞。當樁基持力層為強度較高的基巖時，由于筒倉結構的剛度極大，變形協調能力差，支座沉降將直接導致該支座反力傳遞給相鄰支座，該類樁基基底務必清理干凈，防止樁基受力不均導致嚴重后果。對于大直徑樁基，最好參照廣東省地基規范的要求，在每個樁內預埋超聲波檢測管，便于100%樁身質量檢查，避免因抽查取樣的局限性釀成重大事故。