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岩土研究院

【加固纠偏工程案例】预应力技术在回转窑墩基加固工程中的应用

32 2023-09-13 10:00:41

贵州省某水泥厂回转窑为长100.94m、直径3m的筒体,由4个窑墩基础支承,筒体安装坡度为4%。转窑投产运行仅3个月,厂方便发现2号墩基在距墩顶下2.5m处,有1条最大缝宽达3.2mm的水平裂缝,此裂缝与窑筒体坡度方向恰相反。由于墩基摇动幅度越来越大,故被迫停产。

2号墩基的建筑场地位于岩溶洼地中部,地势平坦,地表水排泄不畅,雨季时局部有积水,其地质状况自上而下为:(1)人工填土,为黄褐色粘土含少量砖屑和碎石,结构松散,厚0.7m;(2)第四系残积土层,为黄褐色粘土,可塑或软塑状,厚7.6~8.4m,fk=110kPa;(3)三叠系中统关岭组岩石强风化带,厚1.0~1.4m,泥质白云岩破碎疏松,呈粉砂或碎块状,黄灰色,fk =300kPa;(4)岩石中风化带,泥质白云岩较坚硬完整,有风化褪色现象,fk =1500kPa。

 为控制墩基沉降,设计以岩石中风化带作持力层。2号窑墩由4根桩身直径为1.3m、扩底直径为2.0m的人工挖孔灌注桩支承,要求桩嵌入泥质白云岩中风化带不小于0.5m。

据资料显示,桩下部在灌注混凝土时,投放了约20%的毛石,使设计C18的混凝土变成了毛石混凝土。并在毛石抛入过程中,打坏了固定桩竖筋用的三角加强箍筋,造成有的竖筋环向间距偏移84~116mm,设计单位曾在桩顶使用5Φ25钢筋与各桩伸出的竖筋作过焊接连接处理。墩基施工时,混凝土又未能连续浇注,两次混凝土浇灌间隔时间达2个月之久,在距墩顶2.5m处留下了施工缝。


1、裂缝原因分析


转窑简体通过托轮对2号墩基作用的竖向力为1900kN,水平推力为380kN,设计动力系数取值为1.2。墩基裂缝开展与筒体坡度方向相反的原因成为分析时争议的焦点。

原设计2号窑墩在转窑及墩基自重作用下总的竖向力为6.0×103kN,由水平推力作用在墩基底面及合力偏心引起的弯矩值为3.94×103kN.m,用它们来复核桩身及桩扩底后地基土对端承桩的承载能力,设计均能满足使用要求。考虑到桩下部混凝土放有部分毛石,使混凝土强度等级降低,采用C13来验核桩身,仍留有足够的安全储量。因此,原设计及加部分毛石于桩下部混凝中致使窑墩产生裂缝的可能性应予排除。

从施工资料了解到,墩基下桩深虽达10m,但在第四系土层挖孔成型较好,施工中又是按先做100~150mm厚混凝土护壁,后灌注混凝土桩的工序施工的,从未发生过垮塌,因此存在断桩的可能性极小。如果墩基裂缝是由桩的施工质量使桩沉降引起,则转窑筒体以1.35r/min的速度运行时,由于筒体有一定的挠曲,会造成筒体与托轮的间隙的大小随筒体的运转不断变化,墩基侧面会因此每隔0.74min被反复拉开又被反复压紧,位于露天的窑墩,遇雨地表水渗入会引起地基上逐渐软化成泥浆,通过墩基与基土之间的缝隙不断被挤出,在基础与地坪两侧就会出现泥浆。而现场观察未见此种痕迹,也无墩基斜倾、下陷等现象发生。因此亦可排除因沉降诱发窑墩产生裂缝的可能。

根据计算,2号窑墩在裂缝截面处最大压应力为82.5kPa,最大拉应力为26.5kPa;在上下模板交界处恰为施工缝位置。由于距窑墩顶2.5m处的施工缝界面,未经适当的技术处理,上下混凝土结合差,抗拉强度很低,在窑体往上窜的水平推力作用下,就会发生与转窑筒体坡度方向相反的窑墩水平裂缝。


2、加固设计


因对原墩基竖向配筋不明,且混凝土己产生较宽的裂缝,故本工程加固不宜在计算中考虑原墩基竖向钢筋的作用。加固计算按《混凝土结构设计规范》中预应力混凝土结构有关计算公式进行,主要验算墩基正截面承载力及抗裂。在计算预应力损失时,因本加固预应力筋上端锚固与原墩基顶部钢筋用焊接连接,下端锚固在墩基底部扩展基础中,无张拉端锚具变形和钢筋内缩问题,但考虑到原墩基有较宽的水平裂缝,虽用环氧树脂浆液注入填满,但两个裂开的块体会有一定的预压变形,其值取α=lmm计算。对构件抗裂验算,要求加固后的墩基在使用阶段,混凝土受拉边缘处不应出现裂缝,并仅验算原墩基已产生水平裂缝的最薄弱处,其截面只用加固后新增的外包矩形环截面,换算成工字形偏心受压构件来计算。


3、结语


用折线法预应力加固水泥回转窑墩产生的水平裂缝,其结构受力状况比常规加大截面法更合理经济,施工也简单有效。窑墩仅经15d抢救即投产运行,比预计提前一半时间,仅计算水泥熟料产值便可增加120万元,经济效果十分显著。转窑运行2年后复查,墩基无裂缝等异常现象产生,说明加固方案正确。

原墩基顶以下2.5m水平裂缝处,经计算混凝土边缘受拉应力并不大,如施工时混凝土能连续浇注,不留施工缝,一般不会造成事故,应引以为戒。

墩基产生的水平裂缝方向与转窑简体坡度方向相反,是一次少见的事故实例,认识它对事故产生原因及设计加固方案正确与否起关键的作用。从事故处理中得到的启示是建筑物鉴定工作者不但须具备设计与施工经验,还须熟知生产工艺流程,才不致失误。




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