筒仓结构整体破坏的几种可能

    2005年，浙江某日产5000T水泥厂60m高生料均化库“爆炸”，顷刻间浓烟四起，方圆一里内尘土飞扬，遮天蔽日。该事故中两人死亡，多人受伤。2009年，重庆某水泥厂60m高均化库倒塌，临近高速公路中断，窑尾提升机，收尘器被砸坏，全厂停产，损失巨大。事故后行业内反响巨大，勘察，设计，施工，监理等相关方立刻展开调查。不少业主因此担心，“我的筒仓安全吗？”

    近年来水泥工业蓬勃发展，大型新型干法水泥厂象雨后春笋般在全国各地兴建。钢筋混凝土筒仓结构可谓大型水泥厂一大特色，直径从10m到60m，高度从20m到70m，储存物包括生料，掺和料，粉煤灰，碎石，熟料，水泥等，储量从几百吨到几万吨。由于结构的重要性，在设计，施工过程中，对于筒仓的安全性考虑和采取的措施是到位的。筒仓一般设计为筒壁支撑，仓体部分经严格裂缝验算，一般结构裂缝宽度平均不超过0.2mm，所配置的水平钢筋均大于抵抗物料侧压力所需要的配筋。支撑筒壁内的压应力也远远低于混凝土极限抗压强度。虽然经受着内部物料磨蚀的考验，由筒仓上部结构破坏导致的整体倒塌的案例极其罕见。

    以外径23m，高60m均化库为例，减压锥底部标高10m，有效储料高度48m。建立立体模型进行三维结构分析，可得出筒仓应力图谱及支座位移和支座反力表。其中地基假设为基岩，大直径桩基础。基岩弹性模量E=5400MPa, 变形模量S=4700MPa，单轴天然抗压强度37MPa。物料重量按照库壁圆周单位面积以重力荷载输入，结构自重自动计算。物料水平压力按照每8m分段计算后输入。除重力荷载和仓体水平压力，模型还同时考虑0.1KPa风荷载，30℃温度应力作用。荷载组合COMB1=1.0水平荷载+1.0竖向荷载+1.0风荷载+1.0温度荷载。

筒仓计算模型筒仓支座编号(18个桩基)

筒仓水平张拉应力图(MPa)

筒仓支撑筒壁竖向压应力图(MPa)

筒仓支座位移表（U3为竖向位移）

    从筒仓应力图及支座位移表分析，支座位移均匀，各桩基能均匀受力，结构沉降较小。仓体部分最大张应7MPa，控制水平张力需要水平钢筋3d25@150（二级钢筋）。而裂缝控制需要的水平钢筋为3d25@90，此时仓壁平均裂缝在0.18mm左右，仅比肉眼能够分辨的大小0.1mm稍大。可见仓壁结构距离彻底破坏状态相差甚远。再看支撑筒壁压应力，支座处及洞口局部约16MPa，但该部分有加强结构和钢筋，刚度和强度均远大于筒壁，结构安全是有保证的。其余大部分筒壁压应力在8-12MPa，若用C30混凝土，其设计抗压强度fc=14.3MPa，而混凝土的极限抗压强度fu应大于30MPa。可见支撑筒壁被压碎的可能性极小，除非施工质量极差。况且，目前绝大数大型筒仓一般用C40混凝土，加上竖向钢筋作用，强度更有保障。

    显然，导致筒仓结构整体破坏的原因，极可能在基础和地基方面。

    当工程地质良好，地基土承载力较高，比如大于500Kpa时，或者基岩埋深较浅，采用浅基础比较经济时，筒仓均采用环板基础。环板基础整体刚度大，与上部结构协调工作，抵抗地基不均匀沉降的弹性好。这类基础施工采取大面积开挖，整个地基被揭露出来，可以直观判断地基的状况，筒仓因为地基问题发生整体破坏的可能性极小，除非产生更大范围的地基整体失效，如大型滑坡。

    当地基持力层以上软弱覆盖土层厚度较大时，筒仓一般采用桩基础。由于筒仓自重加上储料的总重量大，每跟桩的压力一般较大，从数百吨到数千吨。本文算例设18个桩基，通过三维整体分析可以得出支座反力标准值如下表。

筒仓支座反力表（F3为竖向反力）

    从上表看出，最大桩顶荷载1166支座为2176吨，平均单个桩顶荷载标准值在2100吨左右，如此巨大的荷载作用在单个构件上，如果桩基质量存在问题导致桩身强度偏低，或桩端持力层强度不足，或其它不良地质情况，均可能造成桩体破坏进而导致结构整体倒塌。

    首先从不良地质情况分析导致筒仓整体破坏的可能性。从业人员往往会相信基岩埋深比较浅的工程场地是好的场地，基岩给人的感觉就等于安全，可靠，基础简单，经济。多数情况下，这种直觉是正确的。然而，由于岩石是非均匀的物质，基岩分布情况，软弱面构造，走向，倾斜，边坡，溶蚀，裂隙等，决定了岩体结构异常复杂。而基岩一般埋藏在土体深处，完整、准确判断岩石的具体状态并不容易。物探可以探明大型断裂构造，钻探可以取芯查明岩石样本物理指标，但目前还没有一种方法可以明确判断场地范围内基岩的整体外貌以及岩体内部溶蚀裂隙和软弱面的具体分布，导致结构基础设计所依赖的地质资料具有不完整性，它并非总是具有大于1.0的安全系数，这是对结构安全的潜在威胁。

    筒仓结构整体倒塌有以下几种可能：

一、结构位于基岩凌空面附近，基岩存在软弱结构面。

    这种软弱结构面如果分布不普遍，地勘钻孔如果刚好不在该结构面处，则很难发现。就算没有软弱面，当桩基荷载很大时，基岩凌空面也可能整体被剪切破坏，导致结构整体倒塌。应对措施是，地勘明确判断基岩凌空面及走向，结构物远离凌空面。在初步勘察阶段一般能发现基岩面标高有突变，详细勘察阶段则应增加布孔数量和加大勘察范围，明确指出基岩凌空面具体位置和走向。如果结构物因为工艺布置不能远离基岩凌空面，应将桩基底部标高控制在能满足基岩边坡稳定的标高。

基岩凌空软弱结构面破坏示意图

倾斜基岩面桩基滑移示意图

二、基岩面倾斜角度大，桩基嵌入岩石深度不足，导致桩基滑移。

    这种情况一般从地勘资料能够判断基岩面的倾斜角度，设计时应适当加大桩基嵌岩深度。施工时则务必以基底最低点计算桩基入岩深度，切忌因施工或测量误差导致桩基嵌岩深度不足，这将导致桩基滑移，进而造成结构整体倒塌的事故。基岩面陡峭情况还应注意桩间距与桩底高差的关系，应根据地勘报告要求验算岩石边坡稳定性。地勘报告缺少此项参数时，应要求地勘单位补充该数据。

三、桩基位于溶洞顶部

    岩溶地区的桩基危险性极高，详细地质勘察不可能完全找出整个场地内的溶洞。桩基规范规定，对于一柱一桩结构，应进行施工勘察，查明桩底5m或3d范围内的地质情况。对于筒仓这种重型结构，当然不能认为是群桩而放松对地质勘察的要求。尤其在岩溶地区，对所有桩底进行地质勘察是绝对必要的。

溶洞顶部破坏示意图

四、局部桩基失效

    当桩基位于地下水丰富，软弱土层较厚，桩身长度较大时，一般采用钻孔或冲孔桩。这种桩基施工一般采用泥浆护壁法施工，可能因为地质资料不够准确，施工设备局限，桩底沉渣清理不完全，或混凝土浇筑过程中塌孔，漏浆等原因，导致部分或全部桩基存在质量缺陷。而目前绝大多数地区桩基质量检查规定只对桩基采用抽样检查，极有可能漏掉存在质量隐患的桩基。根据本模型，假设单桩竖向承载力特征值为2200吨。计算显示，当局部桩基失效后，由于基础和上部结构的刚度大，基底反力传递给相邻桩基。根据桩基设计，当单桩荷载标准值超过其设计承载能力两倍时可能达到破坏极限状态。即当桩顶压力接近或超过4400吨时，桩基极有可能发生破坏。计算显示，当仅一根或两根桩失效时，相邻桩基荷载增加幅度尚不能达到破坏极限状态。当1165, 1166, 1167三根桩同时失效后，相邻桩基1164, 1168号桩反力接近极限。当1164, 1165, 1166, 1167四条桩失效后，相邻两个桩1163 1168竖向反力分别达到4327吨和4533吨，接近或大于极限破坏状态。从支座位移表看出，当三个或四个桩基失效后，失效桩基的竖向下沉量不超过50mm，结构整体倾斜尚不明显，肉眼甚至无法判断结构已经倾斜。然而此刻数个桩基已经失去工作能力，随着仓内物料不断增加，时间不断推移，紧接着导致失效桩基临近两个或多个桩反力急剧增加，并很快达到破坏极限状态，从而失去承载能力。这样，结构桩基极有可能在短时间内势如破竹一般一个接着一个发生破坏，从而导致上部结构整体倒塌。这种状况更具有隐蔽性，从表面看是由于“人力所不及”所造成的灾难。只有加强施工过程监控及竣工验收质量检查才能完全避免此类事故发生。

三个桩失效后支座反力表（F3为竖向反力）

四个桩失效后支座反力表（F3为竖向反力）

四个桩失效时支座位移表（U3为竖向位移）

四个桩失去功能后库壁压应力图

四个桩失去功能后库壁压应力图

    从库壁压力图看出，三个桩发生失效后，库壁混凝土压应力在13-18MPa，远未达到破坏极限。四个桩发生失效后，库壁混凝土压应力仍未达到破坏极限，仅洞口处局部压应力到达27MPa。由此可见，筒仓结构由于支撑筒壁被压碎导致结构整体倒塌的可能性极小。

    虽然导致结构破坏的原因可能多种多样，由于不良地质或跟不良地质有关的原因产生结构破坏的可能性很大，且具有隐蔽性和直接性，如果在项目前期地质勘察阶段忽略掉一些不利因素，在项目实施阶段是很难控制的。“5.12”汶川大地震显示，地质灾害可能带来比地震本身更加可怕的灾难。工程建设地质勘察在任何项目中都极其重要。当以一栋建筑作为一个项目时，对于该建筑的地质勘察是详细的。但当以几十个建筑，上百个建筑群作为一个项目进行地质勘察时，对于某一个单体建筑来讲，其地质勘察的详细程度往往会大打折扣，有些重要建筑甚至可能只有1-2个钻孔，这显然是不利的。对于象筒仓这样荷载巨大的建筑物，除在结构投影面积内布置地勘钻孔外，适当在建筑物以外布置钻孔是必要的。特别是地质复杂场地，适当增加地质钻孔绝对不会是浪费。地勘报告不仅要分析整个项目场地的稳定性，还要对每一个单体建筑物，尤其是象筒仓这类建筑物的局部场地稳定性进行研究。施工中如果发生桩基实际深度超过地勘钻孔深度，应当补充地勘钻孔，探明桩底标高以下5m范围内的地质情况，并对每一个桩进行承载力验算。本文的桩基失效推算是建立在地基均匀，桩身强度完全满足设计要求情况下。如果桩身质量存在缺陷，或地基不均匀，一个或两个桩基失效也可能导致“多米勒骨牌效应”，结构在较短时间内由局部破坏发展为整体破坏。当桩基持力层为强度较高的基岩时，由于筒仓结构的刚度极大，变形协调能力差，支座沉降将直接导致该支座反力传递给相邻支座，该类桩基基底务必清理干净，防止桩基受力不均导致严重后果。对于大直径桩基，最好参照广东省地基规范的要求，在每个桩内预埋超声波检测管，便于100%桩身质量检查，避免因抽查取样的局限性酿成重大事故。