软土地基大型设备基础沉降问题的分析及处理

2022-09-11

1 工程概述

本大型设备基础为某钢铁厂轧机车间轧机设备基础, 该项目场地位于珠江三角洲珠江北岸, 场区标高变化在106.63m～107.48m之间。

地质条件为典型软土地基, 场地主要土层为淤泥 (属很不均匀的高灵敏度、高压缩性土) , 一般厚度在4.00～13.60m, 呈流塑状态, 该土层在场区内普遍分布;水文地质条件为场地地下水由人工填土中的潜水和第四系土层内埋藏的潜水组成, 其中人工填土潜水与场地局部地段的表面水相同, 受季节和河水涨、退潮的影响, 水位时高时底。第四系土层内埋藏的潜水与珠江有一定的水力联系, 受季节影响较小, 水位标高变化在105.17m～107.30m之间。

本设备基础为该项目主生产线主体设备—热轧机组设备基础, 基础底标高深达-7.50m到——8.50m, 设备基础底板厚达1m, 混凝土体积达:5851.03m3, 埋植深度全在流塑淤泥层, 基础下部持力结构采用Ф500和Ф400砼PHC管桩。在热轧基础上需安装6机架进口轧机, 每台轧机的最大荷重为V=5 5 0 0 k N (5 5 0 t) , 水平最大拉力H=4500kN (450t) 力臂高度3.1m, 根据其工艺要求, 设备运行时, 对基础的沉降要求十分严格, 尤其不允许出现沉降差异。

2 问题的提出

设备基础浇筑完毕, 开始组织安装轧机牌坊, 为保证设备安装的工艺要求, 在轧机基础上选取了N O 3和N O 9两点进行沉降观测。经观测, 发现该设备基础不象一般构筑物浇筑后因荷重产生正常的沉降, 而是产生的一些异常情况, 即基础在总体下沉的情况下, 发生上下波动状态。其中N O 3点在观测初期出现累计上浮+0.1 7 m m, 之后N O 3和N O 9两天沉降最大累计为-4.3 1 m m。

此事引起足够重视, 为何该基础在总体下沉的情况下会发生上浮?而该设备基础的这种上下波动能否在短期内达到稳定, 这将直接影响设备安装的质量和工程总工期。

3 沉降现象原因分析

承上所述, 该设备基础沉降产生了上下波动的状态, 原因何在?监理公司、设计院、业主等有关部门和技术专家对此进行了分析, 并提出了初步处理意见。

3.1 沉降观测的依据和手段:

观测依据高程控制点为本场地勘测成果的厂区基岩水准点J 1, 其高程为H=1 0 7.63360m;观测手段为选用W I L D N A 2+G P M 3精密水准仪, 仪器编号分别为“5016274”、“5017195”;观测的方法为采用二等水准测量组成一个闭合路线, 按测站平差定人、定时进行观测而得出可靠测量成果。

3.2 基础总体下沉分析

轧机基础面积约2200m2, 基础深度在-7.5 0 m到-8.5 0 m之间, 基础总体积约为7271.47m3, 暂按2.5t/m3考虑, 估计基础总重量约为1 8 1 7 8.7 t, 另加上厂房重量约1000t和已安装就位2片轧机机架约890t, 此时总体荷载约为:20069t。而轧机牌坊基础有Φ500PHC承重管桩572根, 按照单桩设计承载力2 2 0 t考虑, 总体P H C管桩承重达125840t。因而随着设备安装施工的开展, 上部设备不断增加, 逐步接近管桩总体承载力, 基础下沉为必然现象。

3.3 基础上下波动现象分析

一般情况下基础加荷下沉是必然现象, 但本基础为什么会出现上浮现象?经分析后认为该基础上下波动现象应是正常现象。具体原因分析如下。

由于雨季引起珠江潮水的涨落, 从前述该场地地质水文资料看出, 该场地地下水受地表水和珠江水位影响较大, 雨季时地下水位上涨, 而该设备基础全部是在地下-7.5 0～-8.5 0之间, 地下水对其影响非常之大, 基础承受地下水上浮力增大而相当于基础荷载减少而给PHC管桩卸荷, 地下水位下降时基础荷载恢复而给P H C管桩加荷。

从基础总体荷载受地下水影响而造成P H C管桩受荷变化情况来看, 类似于P H C管桩试桩试验加荷到三级至四级之间, 参照PHC管桩的试验报告可看出, 管桩在加荷后下沉, 最大下沉量约为1 6 m m～2 4 m m, 卸荷后出现混凝土管桩回弹, 回弹率约在6 8%～7 8%之间。由此可依据两者之间受荷上的相似, 可推理本基础上下浮动现象也正是在地下水影响下, P H C管桩加荷下沉、卸荷后回弹原因引起的, 进而表现为轧机基础上浮与下沉上下波动的现象。 (由于本次沉降观测为每天观测一次, 而PHC管桩试桩为每1～2小时观测一次, 且为短期荷载, 因而不能完全以试桩观测的沉降数据为基准, 只能依据两种情况下的管桩受力的类似, 从理论上对其规律尽心参考性分析。

4 处理意见

经过如上的分析后, 对轧机基础的沉降问题处理有了全面的认识, 但在这种基础不稳定情况是否能正常进行设备安装以及安装施工又该如何进行?同时如何能加快基础稳定?针对这些问题可以做如下处理。

(1) 这种基础稳定的情况是否能正常进行设备安装, 以及应采取何种安装施工措施, 如何加快基础稳定。根据混凝土PHC管桩受力状态下在土体内的物理特征, 随着时间的推移, 回弹率逐渐减弱, 回弹量逐渐减小, 表现为轧机基础上下波动幅度逐渐缩小, 轧机基础沉降表现为趋于稳定。

(2) 分析认为设备安装能够正常进行。由于设备基础下沉情况为整片基础统一沉降, 基础面各点的相对标高不变, 因而设备就位安装能正常进行。在施工中对于设备安装中心线标高的选取, 因F1、F2机架已经就位安装, 基础该部位正常荷载已全部堆积, 其沉降必先达到稳定, 因而可选取F2机架基础上的点为相对参考基准点, 作为设备安装标高的控制依据。就能达到在基础整体沉降中设备安装相对控制中心线标高一致的目的。

(3) 此外, 若采取基础自然沉降需较长时间, 必然使整条生产线的中心线调整延期, 在本工程紧张的工期情况下是行不通的。因而如何加快基础稳定是十分必要的。为使轧机基础能尽快趋于稳定, 保证设备安装顺利进行, 经研究讨论可以采用“模拟生产配重预压方案”, 即在该基础上按正常生产重量调配摆置重物进行预压, 针对轧机设备荷重大和安装工期紧迫的特点, 可以尝试将设备基础上的全部设备尽快安装, 使基础在设备荷载作用下既达到预压的效果, 又缩短基础沉降趋于稳定时间, 在设备安装过程中对基础标高进行复测, 及时调整产生的问题。

(4) 根据生产工艺对基础沉降的要求, 因此必须进一步对沉降进行观测, 减小检测误差, 使观测效果更准确, 通过适当加大控制点密度, 继续进行观测, 及时跟踪掌握基础下沉的变化情况。根据基础沉降稳定情况逐步减少观测次数。

5 问题处理的效果

为进一步验证分析情况和了解设备的沉降情况, 决定设置12点 (第Ⅰ批) 进行观测, 观测情况如下:根据对1500个观测数据进行分析表明, 除N O 3、N O 9点外, 其余各点均呈现:初期上浮而后下沉的规律。从所有观测点的总体下沉规律来讲, 表现为:基础总体下沉的趋势中, 上浮与下沉成上下有规律波动, 上下最大波动幅度在+0.0 0 2 5 9 m至-0.0 0 2 2 8 m (见框线内部分曲线) , 同时波动幅度逐步缩小, 观测数据报告表明波动幅度基本在±0.50mm以内, 总体下沉趋于动态稳定。其中最大沉降量:09-10.87mm。基础波动沉浮曲线见图1。

而后在基础面又加设10个观测点作为第Ⅱ批观测, 观测周期由7天至2 0天逐步拉长, 经对300个观测数据进行分析表明, 在设备安装高峰期表现为以下沉趋势为主 (见框线内部分曲线) , 后期虽呈现上下波动, 经过五个月时间的观察, 波动幅度逐步减小, 波动量已完全收缩在±0.5 m m以内;基础每次下沉量停留在0.1-0.256mm之间且呈减少趋势。基础沉浮曲线见图2。

6 结语与建议

经对一段时间地观测分析, 基础下沉已基本稳定, 上下波动量已回落在设备安装中心线允许标高误差范围±0.5mm内, 这表明实施“模拟生产配重预压方案”达到了短期内基础稳定的效果, 保证了设备安装的质量, 同时设备安装进度较为理想。

建议:在此类软土地基情况下, 解决大型设备基础因沉降而影响设备安装的问题, 除选取相对参照点外, 可采取“模拟生产配重预压方案”, 即在该基础上按正常生产重量调配摆置重物进行预压再组织安装, 也可以采用在设备基础上尽快安装全部设备, 使设备基础在设备荷载的直接作用下, 达到预压的效果, 缩短基础沉降趋于稳定的时间效果, 从而满足设备安装进度的要求。

摘要：通过对软土地基大型设备基础的沉降问题, 采取有效的观测手段和合理的分析, 寻找到科学的处理解决方法, 从而保证设备安装的质量和满足工程的进度要求。

关键词：软土地基,设备基础沉降,分析,处理