李劍峰，田 亮，唐進(jìn)華，李 想，王旭杰，張鴻馳

（1.三明三鋼建筑工程有限公司，福建 三明 353000；2.城固縣建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，陜西 漢中 723200；3.西安建筑科大工程技術(shù)有限公司，陜西 西安 710055）

0 引言

沿海城市是我國最具經(jīng)濟(jì)活力的區(qū)域之一。東南沿海大部分城市均屬于海相軟土地基，隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加速，土地供應(yīng)量相對不足，許多城市選擇對濱海灘涂圍海造地，提供給城市新區(qū)進(jìn)行開發(fā)。

濱海灘涂屬海相與陸相交互沉積地層，地層中以淤泥或淤泥質(zhì)土為主，統(tǒng)稱為濱海軟土層。它是在靜水或非常緩慢的流水環(huán)境中沉積，經(jīng)過生物化學(xué)作用形成。天然含水量大于液限，天然孔隙比大于 1.0 的黏性土，其中當(dāng)天然孔隙比大于 1.0、而小于 1.5 時為淤泥質(zhì)土；當(dāng)天然孔隙比大于 1.5 時為淤泥［1］。

考慮到礦石運(yùn)輸成本、靠近消費(fèi)市場等因素，從 20 世紀(jì) 80 年代寶鋼項(xiàng)目開始，我國陸續(xù)在河北曹妃甸、福建羅源灣、廣東湛江、廣西防城港新建了鋼鐵工業(yè)基地。因冶金工業(yè)的特點(diǎn)，廠房高、堆載重、設(shè)備大，在濱海軟土地區(qū)，尤其是圍海造地、開山拋石等新填場地，更容易發(fā)生嚴(yán)重地基沉降，導(dǎo)致建（構(gòu)）物出現(xiàn)安全隱患，影響生產(chǎn)正常進(jìn)行。

本文以建于某濱海灘涂新填場地的煉鋼廠渣處理和合金庫廠房為例，通過對場地地質(zhì)補(bǔ)充勘探、沉降觀測、結(jié)構(gòu)損傷統(tǒng)計、加固補(bǔ)強(qiáng)、加固后沉降監(jiān)測等工作，提出沿海軟土區(qū)域重型工業(yè)廠房安全可靠使用的建議。

1 工程概況

鋼渣處理和合金庫為不等高兩連跨重鋼廠房（以下簡稱“鋼渣處理廠房”），總建筑面積 8 694 m2，鋼渣處理跨（KL跨）跨度為 24 m，合金庫（LM 跨）跨度為 18 m；縱向總長為 207 m，分一期、二期建成，剖面如圖 1 如所，平面布置如圖 2 所示。K、L 軸柱頂標(biāo)高為 17.500 m，M 軸柱頂標(biāo)高為 15.711 m，屋脊高為 18.430 m。渣跨在 1/3～1/9軸 間、1/1 0 ～1/2 3 軸 間、1/25～1/29 軸間、1/30b～1/35 軸間跨中位置設(shè) 9 m 寬、3.1 m 高的縱向天窗。

圖1 廠房剖面圖（單位：mm）

圖2 廠房建筑平面圖（單位：mm）

下柱采用雙工字型格構(gòu)柱，K、L、M 軸肩梁頂標(biāo)高為 11.980 m，設(shè)有 800 mm 高工字型肩梁，肩梁上翼緣為 20 mm 厚、下翼緣為 10 mm 厚；K、L 軸在標(biāo)高11.980～17.200 m 間、M 軸在標(biāo)高 11.980～15.411 m 間設(shè)實(shí)腹式 H 型上柱。屋面梁采用 H 型實(shí)腹型鋼梁，柱、梁間采用 M24 高強(qiáng)螺栓連接，梁端部加腋。天窗柱與鋼架橫梁采用高強(qiáng)螺栓連接，天窗柱與天窗梁焊接。所有剛架梁、柱、天窗架均采用 Q235 B，構(gòu)件間采用 E 43 型焊條焊接。

廠房渣跨設(shè)有兩部 50/10 t、兩部 20/5 t 天車，合金庫設(shè)兩部 10 t 天車，天車均為 A 7 工作制，軌頂標(biāo)高為 13.000 m。

該廠房于 2008 年兩期施工完畢投入使用，因業(yè)主更替，產(chǎn)能需要提升，點(diǎn)檢發(fā)現(xiàn)建筑物上部嚴(yán)重晃動、天車卡軌溜車、排架柱傾斜、場地沉降，為確保安全，進(jìn)行全面檢測鑒定和加固處理。

2 現(xiàn)場調(diào)查及檢測

根據(jù)該建筑特點(diǎn)，參照檢測鑒定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［2］制定調(diào)查檢測方案，從實(shí)際荷載調(diào)查、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件變形破壞特點(diǎn)、承載能力復(fù)核、沉降及傾斜監(jiān)測等四方面，對廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究［3］。

2.1 實(shí)際荷載調(diào)查

該廠房主要用途為轉(zhuǎn)爐煉鋼廢渣送至本跨，包括進(jìn)行破碎、初步清理和外運(yùn)，以及廢鋼、合金料堆放。根據(jù)工藝特點(diǎn)，該廠房主要存在三方面荷載異常。

1）該廠鋼渣破碎方式較為落后，采用吊重落地錘擊的方式，沖擊振動較大，現(xiàn)場震感明顯，如圖 3 所示。

圖3 吊重落地破碎鋼渣

2）廢鋼區(qū)、合金庫的材料堆積高度較大，其中廢鋼區(qū)局部堆載高度達(dá) 6 m，廢鋼粗料統(tǒng)計重度為 25.0 kN/m3，該區(qū)域地面堆積荷載為150 kN/m；合金庫堆放高度達(dá) 5 層，每包 1 000 kg，堆積荷載為 50 kN/m。廢鋼區(qū)域地面呈“鍋底”狀，跨中位置比柱基位置地面低 50 cm；合金庫地面開裂，柱腳位置錯層最大達(dá) 35 cm，如圖 4、圖 5 所示。

圖4 廢鋼堆積

圖5 地基下沉導(dǎo)致地面開裂

3）鋼渣破碎時產(chǎn)生較大粉塵，屋面板、天窗架和雨棚上積灰較厚。對積灰厚度進(jìn)行抽測量，渣跨南坡屋面存在不同程度積灰，2～14軸間積灰厚度達(dá) 10 0 m m、出現(xiàn)板結(jié)，14 ～18軸間積灰厚度約為 50 mm，18 軸以西區(qū)域依次減小，積灰情況如圖 6 所示。資料［4］顯示燒結(jié)廠房的積灰天然重度為 7.8 kN/m3、飽和重度為 15.8 kN/m3。

圖6 屋面積灰板結(jié)

2.2 上部結(jié)構(gòu)損傷

受生產(chǎn)環(huán)境影響，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件普遍出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損傷。

1）該廠房主要功能為鋼渣破碎、廢鋼堆放、合金料配運(yùn)，天車均為 A7 工作制，受吊重碰撞影響，排架柱翼緣變形，個別腹板與腹板成 45°夾角；格構(gòu)式下柱的斜綴條與雙肢間焊接長度偏小，個別搭接長度僅 30 mm；格構(gòu)式下柱雙肢沿長度拼接時，個別翼緣板錯位、腹板漏焊，如圖 7、圖 8 所示。

圖7 排架下柱受撞變形

圖8 排架柱高度方向拼接質(zhì)量差

2）實(shí)腹式上柱和肩梁連接處，上柱翼緣與肩梁區(qū)域加勁肋嚴(yán)重錯位、個別肩梁無加勁肋；上柱與肩梁間連接薄弱，僅采用角焊縫圍焊，未設(shè)短加勁肋，如圖 9 所示。

圖9 上柱與肩梁勁板錯位

3）上柱與屋面剛性節(jié)點(diǎn)處的高強(qiáng)螺栓松弛剪斷、節(jié)點(diǎn)板間出現(xiàn)較大縫隙，梁柱節(jié)點(diǎn)的剛性連接失效，變成事實(shí)上的鉸接，導(dǎo)致梁跨中彎矩增大，出現(xiàn)承載能力不足的風(fēng)險，如圖 10 所示。

圖10 梁柱節(jié)點(diǎn)處高強(qiáng)螺栓剪斷

2.3 承載能力復(fù)核

參照現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，建立結(jié)構(gòu)模型。按照規(guī)范對吊車荷載組合的要求，驗(yàn)算單層多跨廠房排架時，參與組合吊車荷載不宜超過 4 臺，按照現(xiàn)場吊車實(shí)際布 置，按以 KL 跨為兩臺Q=50/10 t 吊車，LM 跨為一臺Q=10 t 吊車組合考慮，此組合為當(dāng)前生產(chǎn)中吊車荷載對排架柱作用的最大工況。

標(biāo)準(zhǔn)的 6 m 柱距抗力與荷載效應(yīng)比值R/（γ0·S）如圖 11 所示，鋼渣跨的下柱強(qiáng)度不滿足要求；抽柱處的 12 m柱距抗力與荷載效應(yīng)比值 R/（γ0·S）如圖 12 所示，鋼渣跨 K軸、L 軸的下柱強(qiáng)度、平面內(nèi)穩(wěn)定性兩項(xiàng)均不滿足要求，合金庫 M 軸的下柱強(qiáng)度不足。說明在目前實(shí)際荷載作用下，排架柱處于不安全狀態(tài)。

圖11 6 m 跨排架抗力與荷載效應(yīng)比值 R/（γ0·S）

圖12 12 m 跨排架抗力與荷載效應(yīng)比值 R/（γ0·S）

對吊車梁、檁條等構(gòu)件進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，基本滿足要求。

2.4 沉降及傾斜監(jiān)測

該廠房建造時的測量資料已缺失，且無沉降標(biāo)識點(diǎn)。本次對廠房上下柱的傾斜，排架柱的相對不均勻沉降、相對水平位置進(jìn)行了測量。

1）排架柱傾斜測量。GB 50144-2019《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》的 7.3.9 條規(guī)定，有吊車廠房柱的位移限值不得超過H/1250。測量表明，85 % 的下柱傾斜率超過限值要求，其中 M11 下柱的絕對傾斜量為 191 mm，傾斜率達(dá)到 1/62；約 90 % 的上柱傾斜率超過限值要求，其中 K 7 上柱的絕對傾斜量為 113 mm，傾斜率達(dá)到 1/35?，F(xiàn)場判定，傾斜的主要原因是室內(nèi)堆載過大，導(dǎo)致地基的不均勻沉降；安裝偏差也是傾斜因素之一。

2）排架柱不均勻沉降。因排架柱未設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，但考慮到工業(yè)廠房建成時均要求軌頂標(biāo)高差異較小，因此假定排架柱肩梁的上翼緣在竣工時處于同一水平標(biāo)高，本次測量以排架柱肩梁頂面作為沉降觀測點(diǎn)，反映排架柱的不均勻沉降量。按照 GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，相鄰柱基的沉降差為 0.005L，即鋼渣跨 30 mm，合金庫 37.5 mm。測量表明：K 列柱有 3 處相鄰沉降差超過限值，分別為 12 與 13 軸線間的 35 mm、13 與 14 軸線間的 35 mm、30 b 與 31 軸線間的 46 mm；L 列的 30 b 與 31 軸線間沉降差為48mm，超過限值；M 列的 30 b 與 31 軸線間沉降差為 53 mm，超過限值。

K、L、M 列柱相對沉降觀測結(jié)果如圖 13～15 所示，圖中均以 2 軸為參照點(diǎn)，其它各點(diǎn)處的相對沉降量均以此參照點(diǎn)計算而得。K 列柱最大相對沉降量為 46 mm（K-36柱），L 列柱最大相對沉降量為 69 mm（L-31 柱），C 列柱最大相對沉降量為 70 mm（M-33 柱）。

圖13 K 列柱相對沉降觀測結(jié)果

圖14 L 列柱相對沉降觀測結(jié)果

圖15 M 列柱相對沉降觀測結(jié)果

3）排架柱的相對水平位置?，F(xiàn)場依據(jù)定于附近小山的基準(zhǔn)點(diǎn)，測量每個排架柱相對坐標(biāo)位置，然后換算出柱在±0.000 mm 處的水平距離，與原設(shè)計跨度相比較，可測算出鋼柱偏離程度現(xiàn)狀。其中 KL 跨內(nèi)方向、±0.000 mm 標(biāo)高處，9 % 的排架柱向內(nèi)側(cè)偏移，91 % 的排架柱向外側(cè)偏移；26 軸水平偏離值為 399 mm，為該跨最大。LM 跨內(nèi)方向、±0.000 mm 標(biāo)高處，3 % 的排架柱向內(nèi)側(cè)偏移，97 % 的排架柱向外側(cè)偏移；10 軸水平偏離值為 201 mm，為該跨最大。

排架柱相對水平距離表明，大部分的 K L 跨和 LM 跨實(shí)際跨度大于設(shè)計跨度，即大部向跨外偏移；說明廠房排架柱基礎(chǔ)變形主要受大范圍堆載和天車頻繁運(yùn)行影響；同時三列排架柱的水平偏移坐標(biāo)數(shù)據(jù)未反映出廠房整體向南（海灣方向）偏移的趨勢，說明場地整體滑移量不明顯。

3 加固設(shè)計處理

通過對鋼渣廠房存在的問題進(jìn)行歸類，分析受損原因，制定加固方案；現(xiàn)場放樣后進(jìn)行實(shí)際加固處理。

3.1 損傷原因分析

1）通過現(xiàn)場檢測，評定該鋼結(jié)構(gòu)廠房原施工質(zhì)量偏差較大，桿件的截面尺寸不能滿足承載能力要求，桿件的連接和安裝存在嚴(yán)重偏差。80 % 的排架柱、屋面梁采用舊桿件，如：部分排架柱沿縱向隨意拼接，翼緣板下半部分采用 12 mm，上半部分采用 14 mm；梁柱節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓孔隨意設(shè)置，個別節(jié)點(diǎn)后期現(xiàn)場開孔、精度難以保障。

2）通過現(xiàn)場統(tǒng)計，鋼渣跨 42 % 的排架柱受撞變形嚴(yán)重，明顯影響承載能力；30 % 的排架柱存在局部撞傷。合金庫約 40 % 的排架柱存在局部碰撞受損。統(tǒng)計顯示，受碰撞受損影響的排架柱桿件占比較大，需要進(jìn)行加固處理。

3）排架柱存在明顯傾斜和不均勻沉降，廠房內(nèi)側(cè)場地下沉嚴(yán)重。該廠房原場地為沿海灘涂與山地交接區(qū)域，資料和后期補(bǔ)勘顯示從場地標(biāo)高往下依次為：①人工填土，層平均厚度為 4.30 m，以破殘積土和風(fēng)化石為主，局部含有塊石，最大粒徑為 0.50 m，含量不均勻，于 2006 年堆填而成，且未經(jīng)分層壓實(shí)，欠固結(jié)；②淤泥層，深灰色、飽和、流塑，含有少量腐殖質(zhì)、有機(jī)質(zhì)，具有少許腐臭味，層平均厚度為 20.00 m；③以下為：黏土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)礫砂、卵石、泥質(zhì)中砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（松散狀）、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（破裂狀）。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖埋深均在 45 m 以下。排架柱采用管徑 400 mm 的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁端錨入中風(fēng)化花崗巖層，單樁承載力設(shè)計值為 900 kN，但廠房場地未采用樁基處理，僅進(jìn)行上部換填夯實(shí)處理。在大面積堆載作用下，約束較小的場地中間區(qū)域豎向沉降嚴(yán)重，靠近排架柱區(qū)域沉降較輕，廠房內(nèi)地面呈“鍋底”狀。因排架柱下管樁周圍為 20 m 厚的淤泥層，土體對樁的側(cè)向約束小，且重錘擾動較大，導(dǎo)致該區(qū)域的樁體出現(xiàn)傾斜（彎曲），呈現(xiàn)上部排架柱存在沉降高差、嚴(yán)重傾斜現(xiàn)象［5，6］。

3.2 加固設(shè)計方案

根據(jù)損傷統(tǒng)計結(jié)果、分析受損原因后，提出加固設(shè)計方案。

1）排架柱下柱碰撞變形嚴(yán)重、且承載能力驗(yàn)算不足，采用在吊車肢柱外包鋼板、內(nèi)配鋼筋，填灌細(xì)石混凝土方式對三列排架下柱補(bǔ)強(qiáng)加固，L 列下柱加固作法如圖 16 所示。該加固方式既可對下柱的承載能力進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，又可提高廠房整體剛度，減小天車晃動。

圖16 L 列排架下柱加固詳圖（單位：mm）

2）對原施工缺陷進(jìn)行節(jié)點(diǎn)或連接加強(qiáng)處理。如：①上柱與肩梁連接區(qū)域，在肩梁腹板正對上柱翼緣處增設(shè)豎向加勁肋，增強(qiáng)肩梁整體剛度；上柱柱腳有底板的，新增 4 M24 高強(qiáng)螺栓（如上柱柱腳無底板，可新增柱腳柱靴），提高上柱與肩梁間的連接強(qiáng)度；②排架柱沿縱向拼接質(zhì)量較差處，對原拼接焊縫進(jìn)行清理，打磨后貼板補(bǔ)強(qiáng)焊接，提高拼接剛度；③梁柱節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓缺失的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)采用雙螺帽高強(qiáng)螺栓進(jìn)行補(bǔ)設(shè)；同時，梁底部增設(shè)梁托，提供二道防線。節(jié)點(diǎn)加固作法如圖 17 所示。

圖17 節(jié)點(diǎn)連接加固詳圖（單位：mm）

3）原鋼渣跨堆渣區(qū)域僅在排架柱之間設(shè)鋼梁、鋼板作為臨時擋渣墻，裝渣車輛對臨時擋墻撞擊，導(dǎo)致排架柱出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜。本次重新制作混凝土擋渣墻，徹底與排架柱脫離，作法如圖 18 所示。

圖18 節(jié)點(diǎn)連接加固詳圖（單位：mm）

4）鋼渣跨、合金庫整片場地（含排架柱柱基區(qū)域）采用旋噴樁進(jìn)行加固處理，處理深度大于 15 m，樁徑 600 mm，樁間距 1 200 mm，等邊三角形布置，要求處理后復(fù)合地基承載力特征值≥150kPa。旋噴結(jié)束后，清理浮漿虛樁，鋪設(shè) 200 mm 厚的砂石或密實(shí)鋼渣褥墊層并夯實(shí)，要求夯填度不應(yīng)≤ 0.90，夯填墊層處理范圍寬出旋樁外徑≥500 mm。

4 結(jié)論

1）濱海軟土地基的廠房，大面積堆載會對廠房造成明顯的、不容忽視的影響，甚至?xí)斐蓮S房垮塌等惡性事故，應(yīng)引起足夠重視。

2）當(dāng)土層中淤泥或淤泥質(zhì)土厚度較大，且僅排架柱下設(shè)有預(yù)制樁時，后期使用過程中的上部擾動，容易引起樁周土層約束降低、甚至產(chǎn)生負(fù)摩阻力，導(dǎo)致長樁側(cè)向變形、接樁節(jié)點(diǎn)斷裂。

3）采用旋噴樁（或高壓旋噴樁）對濱海軟土層固化加固，能有效降低場地不均勻沉降，并對排架柱柱下預(yù)制樁提供環(huán)向約束，提升地基整體性能。

4）采用旋噴法加固濱海軟土地基，固化周期相對較長，同時有附加沉降，應(yīng)加強(qiáng)后期監(jiān)測。Q