一.   引言

煤矿采空区的地表下沉，对地面建筑物产生诸多破坏影响，早为国内外专家学者所关注，并作了大量研究和探索。多年来，大都采用重点加固、或搬迁另建的措施，然而收效不一。近年来，经济建设迅速发展，特别是城市用地日益紧张。于是，如何科学地利用采空区地表，做到最大限度地节约城市用地，必将越来越显示出它的现实意义。

本文通过某地石油库扩建工程的实践, 提出在采空区下沉盆地范围内, 兴建可调倾斜度的储油罐的技术总结，供设计和有关方面参考。

二.   工程概况

某石油公司油库, 于1966年始建, 位于某矿矿东翼煤层上方, 下有四个煤层组。开采深度距地表为$197 \sim 362 \mathrm{m}$之间, 煤层顶底多为页岩和砂质页岩, 仅少量为砂岩和石灰岩。

地下回采计划与地面拟建油罐的位置对照见图 1所示。

图  1  某地储罐与采煤区位置相关图

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为解决地下煤层开采与地上油库扩建的矛盾, 采用可调筏基方案, 以确保储油罐在采动变形期间的安全和正常运行。

该工程于1983年4月破土, 10月建成四个可调筏基。1984年2月开始罐体及管路安装, 5月竣工。并即对整体工程进行充水试压，以满罐水头$13 \mathrm{m}$静压4天，各罐基下沉渐趋稳定，7天后测得各可调筏基的最大下沉分别为$39、36、27$及$34 \mathrm{mm}$，卸水回弹上升值分别为$4、5、2$及$3 \mathrm{~mm}$, 情况正常。

1984年6月初, 一矿$\mathrm{E}-177$回采面进入库区北侧地下, 自1号罐开始, 各罐逐日发生向北的倾斜下沉。9月初, 4号罐倾斜下沉$110 \mathrm{mm}$, 超过了国家商业部预发的《石油库管理制度》中“罐体倾斜不超过$1\%$，最大限度不超过$5 \mathrm{cm}$”的规定。

于是选定4号罐为倾斜度调整的试点罐, 经过个4个月的调整、观测、分析等工作, 于11月已将4号罐的倾斜下沉调整为$60 \mathrm{mm}$, 并再次做了充水试压, 使最终倾斜稳定为$40 \mathrm{mm}$。在总结4号罐调整方法的基础上，其余的罐都做了相对调整，经有关部门鉴定验收后交付使用。

三.   采动区地表变形特征及对建筑物的影响

采动期间地表之所以发生变形, 是由于地下煤层被采出后, 引起了煤层上方覆岩破坏的结果。而覆岩破坏却是一种复杂条件的力学过程, 它与许多条件有关, 由于人为和赋存条件各异，覆岩的破坏特征及形态也不尽相同。

如以近似水平煤层为例, 地下煤层采出后, 采空区顶板岩层在自重及其以上覆岩的作用下, 向下弯曲移动, 当其内力超过岩石抗拉强度的极限时, 直接顶板首先断裂、破碎而陷落。上部的老顶岩层, 便以梁或悬臂梁的受力形式, 沿层面法线方向向下发生弯曲、移动、进而产生新的断裂、离层, 如图 2所示。随着回采工作面向前推进, 岩层向下弯曲、移动范围越发扩展。当这种扩展过程发展到地表, 便使地面形成下沉的盆状洼地。

图  2  覆岩移动示意图

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据有关资料〔1, 2〕介绍，当工作面推进离开切眼的距离为平均采深$H_{0}$的$\frac{1}{4} \sim \frac{1}{2}$时，开始波及地表引起下沉。移动盆地便是在地下工作面推进过程中由$W_\text{a}$到$W_\text{n}$逐渐形成, 如图 3所示。当工作面推进到回采边界后, 回采停止, 但地表移动并不立即停止, 还要继续一段时间, 直至最后稳定, 形成最终的下沉盆地$W_\text{a0}$。

图  3  地表移动盆地的形成

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地表移动的持续时间，主要与岩性、采深等因素有关。在其他条件相同的情况下，采深与持续时间成正比。据有关资料〔2〕介绍, 采深为$200 \sim 300 \mathrm{m}$时, 地表移动持续时间为$1 \sim 2$年, 其中活跃期为6个月左右。

地表移动稳定后下沉盆地的剖面特性，可用波兰克诺特(Knothe.St.)方法，给出地面某点x的下沉值。

并据此推导出稳定下沉盆地主断面内的倾斜、曲率、水平移动、水平变形等等的表达式, 如图 4所示。

图  4  移动盆地边缘区地表下沉特征

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式中  $S_\text{max}$——最大下沉值;

r——重要影嘲半径。

地表移动与变形，将引起建筑物及其基础有如下的移动和变形:

1. 当地表呈水平均匀下沉，建筑物仅有垂直向下的移动，较少产生破坏影响。

2. 当地表产坐倾斜变形, 将引起建筑物倾斜和基础内力重新分布, 使建筑结构内力发生变化而导致破坏。

3.当地注产生曲率变形, 在正(负) 曲率作用下, 地表发生上凸(下凹)变形，建筑物基础的侧边(中央)将发生部分悬空，使地基应力集中，导致基础及建筑物破坏。

4. 当地表发生水平变形, 将对建筑物的基础产生拉伸或压缩的作用, 也是危害建筑物的一个因素。

上述地表变柇的各种状态, 实际上不以单一状态的形式发生, 乃是随着下沉盆地的形成, 而先后综合出现。

为此, 在油库总平面设计时, 应将油罐布置在预测最终(稳定) 下沉盆地的中央区域, 使油罐最终仅发生垂直下沉, 以减少危害程度。而油罐基础的设计, 要在地表下沉曲线开始进入基底范围的一段时间内, 则必须考虑地表的倾斜、正(负) 曲率变形、水平变形等各种破坏因素, 以确保油罐的安全。

四.   储油罐基础抗地表变形的设计

为适应地表变形对地而建筑物产生的多种破坏作用，油罐基础应采用整体筏型基础为宜。现就这种筏型基础的整体倾覆、悬面积受荷、正(负)曲率影响、水平变形影响等几个特殊问题叙述如下。

1   抗倾覆设计

当地表下沉曲线开始进入基底范围并向基底中心进展, 油罐便自平稳快态向倾料状态讨渡, 罐基以上的负载开始产生偏心, 便引起附加力矩。

但据有关资料〔1〕介绍, 采动后引起高耸建筑物如烟囱等的倾覆力矩, 其值甚小, 构不成倾覆危害。而对于油罐而言, 它在油品储运过程中占有重要地位, 且其本身具有易燃易爆等特点, 为提高其安全度、避免次生灾害, 则应以地基应力不出现拉应力为条件, 进行抗倾覆设计。

图 5为位于地表下沉曲线始端的油罐倾覆计算简图。

图  5  下沉曲线始端油罐倾覆简图

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由“截面核心” (Core of Section) 理论可知, 当此重力作用线偏离基底中心$\mathrm{O}$点的距离$OC \geq(1 / 8) \cdot D$时, 基底一侧将出现拉应力, 从几何关系可知:

此处$\text{tg} \theta$即是罐基中心所在地表的倾斜变形值。为保证油罐安全, 应用所在地表的预测最大倾斜值$T_{{\mathrm{m}}{\mathrm{a}} \mathrm{x}}$来代替$\text{tg} \theta$, 其安全极限条件为:

即要求地表变形出现最大倾斜状态时, 基底也不出现拉应力。为此可将上式改写为:

式中  $D$——油罐筏基直径, $\mathrm{m}$;

$H$——油罐有效高度, $\mathrm{m}$;

$T_{{\mathrm{m}}{\mathrm{a}} \mathrm{x}}$——罐址处预测地表最大倾斜, $\mathrm{m} / \mathrm{m}$;

$\alpha$——油罐重心高程系数。当圆柱体油罐满载时, 取$\alpha$为$1 / 2$，若考虑基础自重在内, 则取小于$1 / 2$的系数。

依此可作为初选筏基平面尺寸的必要条件, 务使筏基直径$D$满足式(1)要求, 以确保油罐整体的抗倾覆安全。

2   悬面积受荷设计

当地表下沉曲线进入罐基范围以内, 地基土体便与基础底面逐渐脱离接触, 特别当曲率半径与基础尺寸相差比较大时, 这种土体与基底脱离接触的状态, 尤为明显, 如图 6所示。

图  6  基础脱离罐底状态

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这时, 地基与基础的接触面积$F_{\mathrm{j}}$逐渐减小, 形成的悬面积$F_{\mathrm{x}}$则逐渐增大, 悬面积以上的部分基础，便处在悬面受荷状态。

式中  $F_{\mathrm{x}}$——罐基下出现的悬面积;

$R$——地应力;

$〔R〕$——地基允许承载力;

$F$——罐基全面积;

$F_{\mathrm{j}}$——罐基在悬面受荷状态下的接触面积。

运用上式计算悬面积$F_{\mathrm{x}}$时，应考虑:

(1) 罐基使用过程中各种超载的可能，应对地应力$R$乘以超载系数$K$;

(2) 悬面积$F$，与基础全面积$F$之比，应小于50%。

则式(2) 可改为:

式中  $K$——使用期间超载系数，可取$1 \sim 1.2$;

其他符号同前。

当油罐筏基平面为圆形时，悬面积将为弓形。这时，计算弓形而积的荷载、重心、力臂等数值, 较为繁琐。表 1列出了悬面积为不同百分率的几何要素, 可使计算工作得以简化。

表  1  圆悬面积几何要素

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于是油罐筏基在悬面受荷状态下的附加内力可表达为:

式中  $M_{\mathrm{max}}$——最大附加弯矩, $\mathrm{t}-\mathrm{m}$;

$Q_{\mathrm{max}}$——最大附加剪力, $t$;

$q$——悬面积上的面布荷载, $t / \mathrm{m}^{2}$;

$p$——悬面积上的线布荷载, $\mathrm{t} / \mathrm{m}$;

$f、l、g_{\mathrm{F}}, g_\mathrm{a} 、 α$为悬面积的几何要素(详见表 1)。

3   正(负)曲率影响设计——影响半径法

考虑到油罐筏基在正(负)曲率变形作用下，并非基础下切进入土体的变形状态，而是地基土体与基础底面逐渐脱离接触, 形成局部顶托的受力快态。其宏观形式(中央顶托或两侧边顶托), 将因地表曲率变形值的正或负而异。但顶托状态下，基础与地基间接触面积的大小, 必将受地基持力层允许承载力〔R〕的制约。为计算正(负) 曲率影响下, 筏基产生的附加应力及附加弯矩, 提出“影响半径法”简述如下。

(1) 正负曲率影响下的基受力状态  移动盆地边缘地区发生正(负)曲率变形时, 地表原赋的平面状态, 将变为上凸(下凹) 的曲面状态, 变形区域筏基下的土体, 自基础两侧(中央) 逐渐脱离接触而下沉, 形成中央(两侧) 局部顶托, 使两测(中央) 呈悬空的状念, 如图 7所示。

图  7  正(负)曲率的筏基受力状态

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当地应力最大值大于地基允许承载力〔R〕时，地基局部出现塑性庄缩区，随着塑性压缩区逐渐扩大，筏基将发主附加下沉，使地基与筏基间的接触面积有所增大；地应力集中的最大值有所减小，于是出现新的平微状态。如此反复，直到下沉稳定为止。

但这种新平衡状态下的地应力, 仍然是非均匀分布, 就必然使筏基产生附加内力, 构成破坏作用。

为了能对地表正(负)曲率变形下筏基附加弯矩进行定量分析，先设如下的假定条件：

a. 地表的正(负) 曲率变形, 按圆孤形状考虑, 其曲率半径等于该处地表的预测曲率半径。

b. 地应力集中的应力分布图形，按线性分布。

c. 罐璧传来的线布荷载，作用于筏基周边; 储油及自重等面布荷载均布于筏基平面。

根据如上假定条件, 筏基在正(负) 曲率变形下, 可以有三种受力状态:

第一种受力状态: 地基承载能力相对较低, 在地表正(负) 的率变形作用下, 附加下沉较迅速, 呈现罐基全面积仍与地基全部接触的地应力集中状态, 如图 8所示。

图  8  地表正(负) 曲率时地应力状态(一)

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第二种受力状态: 地基承载能力比较高, 附加下沉较迟缓, 而罐基两侧(中央) 土体下沉, 则比较迅速, 呈现罐基中央(两侧) 与地基接触, 而两侧(中央) 悬空的状态, 如图 9所示。

图  9  地表正(负) 曲率时地应力状态(二)

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第三种受力状态: 地基允许承载能力与罐基接触压力接近, 地表恰好与罐基侧边相交, 使罐基侧边(中央) 的地应力为零，见图 10。

图  10  地表正(负)曲率时地应力状态(三)

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若设地应力最大值至最小值σ=0之间，沿径向的分布长度r, 并以r表示油罐筏基半径, 则自上述三种受力状态图形中, 可有如下关系:

(2) 地应力集中状态下的地应力影响半径  有正曲率变形及负曲率变形两种的影响半径。

a. 正曲率变形作用时的影响半径: 此时, 筏基底面下地应力集中的分布状态, 可由图 11所示坐标系的函数式表达。

图  11  正曲率变形时筏基地应力坐标系

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式中  ——地应力集中的最大值;

r——油罐筏基半径。

于是可有地应力总和

今取筏基平面图形圆的参数方程

于是得地应力总和

由于地应力总和应与筏基总负荷相平衡, 故可有

式中$q$及$p$分别为筏基上的面布及线布荷载，据此可以求出，当地应力集中最大值为$\sigma_\text{max}$时，用$r$表示地应力分布范围的表达式

又已知筏基发生附加下沉而出现新平衡状态时, 地应力集中最大值$\sigma_{\mathrm{max}}$与地基承载力〔R〕之间，应有如下关系:

今即取$\sigma_{\mathrm{max} }=〔R〕$代入前表达式, 井命名此时的地应力分布范围为“地应力影响半径”, 拟以$\bar{r}$表示, 于是便得到正曲率变形作用时, 地应力集中状态的地应力影响半径方$\bar{r}$

运用式(8) 和式(6)，便可判别地表正曲率变形时, 于不同负荷及不同地基承载力条件下，油罐筏基的不同受力状态。

b. 负曲率变形作用时的影响半径, 此时, 地应力集中的分布状态, 可用图 12所示坐标系的函数式表达

图  12  负曲率变形时筏基地应力坐标系

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运用前节方法

并取$\sigma_{\mathrm{max} }=〔R〕$, 便得到负曲率变形作用时地应力影响半径$r$

运用式(10) 和式(6), 也可以判别地表为负曲率变形时, 筏基的不同受力状态。

(3) 正(负)曲率影响下, 附加应力计算  对油罐筏基的受力状态进行判别, 并选定地应力分布图形后, 便可进行附加应力计算。为节约篇幅, 仅以正(负) 曲率影响下的第一状态简叙如下。

a. 正曲率影响第一状态内力计算, 据叠加原理可知, 第一状态应力图形, 可由图 13的两个图形叠加而得。

图  13  正曲率情况下地应力叠加图

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由于筏基上总负载并末增减, 且有地应力集中后的最大值$\sigma_{{\mathrm{ma}} \mathrm{x}} \leq〔R〕$等条件, 可有以下关系:

并据上述应为图形可有

经过计算可得附加内应力对罐基中央的最大弯矩为:

式中  $a$——线布荷载重心至筏基中心的距离, 查表 1的$g$值得$a=0.6366 r$;

$b$——面布荷载重心至筏基中心的距离，查表 1的$g_{\mathrm{F}}$值得$b=0.4244 r$;

$\Sigma \sigma_{2}$——最大值为$\sigma_{2}$的地应力总合,

(参见图 11地应力总合解析过程)，

$C_{1}$——地应力重心至筏基中心的距离,

将上述各常值代入式(13)，则得附加内力对罐基中央的最大力矩为:

式中  $p$——罐基上线布荷载, $\mathrm{t} / \mathrm{m}$;

$q_{2}$——罐基上部分面有荷载, $t / \mathrm{m}^{2}$;

$\sigma_{2}$——地应力集中的部分最大应力, $t / \mathrm{m}^{2}$;

$r$——罐基半径, $\mathrm{m}$。

b. 负曲率影响第一状态内力计算: 也可由两个图形叠加而得, 如图 14所示。

图  14  负曲率情况下地应力叠加图

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同理，上述图形中各荷载与应力之间，也存在如下式类似关系

解出各应力和荷载的数值后，便可计算对罐基中央的最大附加弯矩为：

式中$a、b$的物理意义和取值大小，与式(13) 相同，仅将$\Sigma \sigma_{4}$及$C_{4}$简叙于下。

$\Sigma \sigma_{4}$为最大应力$\sigma_{4}$的地应力总力(参见图 12地应力总力解析过程)。

而$C_{4}$为地应力重心至罐基中心的距离

将各常量代入式(17) 则得负曲率影响时, 附加内力对罐基中央的最大力矩为:

式中  $q_{4}$——罐基部分面布荷载, $\mathrm{t} / \mathrm{m}^{2}$;

$\sigma_{4}$——地应力集中的部分最大应力, $t / \mathrm{m}^{2}$;

其他符器同前。

c. 正(负)曲率影响下其他受力状态的内力计算, 不再赘述。为计算工作需要, 编制了表 2供查用。

表  2  正负曲率影响下附加弯矩计算表

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4   水平变形影响的分析

地表的水平变形，发生在下沉盆地的边缘区域，及下沉曲线进入罐基范围的一段时间，地表在曲率影响下, 引起相邻两点间水平距离发生变化, 于是产生了地表对建筑物的拉伸或压缩作用。

当地表为正曲率变形时，水平位移为拉伸性变形；而为负曲率变形时，为压缩性变形。

就筏基而言，当处于正曲率影响下时，基础底面应承受附加弯矩的弯曲压应力作用; 而处于负曲率影响下时，则需承受附加弯矩的弯曲拉应力作用。

就地表水平变形对筏基底部的附加拉压作用, 将被同时存在的曲率附加弯矩作用所抵消。

5   设计算例

(1) 已知指标

a. 罐址地表变形预测值:   最大水平变形U_max为5.8mm/m; 最大倾斜T_max为28mm/m; 最大曲率K_max为0.3×10^-3 1/m; 最大下沉S_max为1363mm。

b.地基允许承载力〔R〕为18t/m²。

c. 罐体及筏基有关尺寸:   罐高H为12.65m；罐直径Dg为15.63m;筏基直径D为16.68m(半径r为8.34m); 筏基中央厚度h为2m;筏基投影面积F为218.52m²。

d. 荷载数值: 筏基底面以上面布荷载$q$为$10.93 \mathrm{t} / \mathrm{m}^{2}$; 筏基底面以上线布荷载$p$为$0.83 \mathrm{t} / \mathrm{m}^{2}$; 筏基总负荷$\Sigma(q+p)$为$2431.92 \mathrm{t}$; 基底地应力$R=\Sigma(q+p) / F$为$11.13 \mathrm{t} / \mathrm{m}^{3}$; 使用期间超载系数$K$为1.05。

e.筏基计算草图如图 15所示。

图  15  筏基计算草图

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(2) 抗倾覆设计

复核筏基平面尺寸, 须满足式(1) 要求。当储油为满罐时, 重心位置最高, 将为倾覆的最不利状况, 故取: $\alpha$为$1 / 2$。

(3) 悬面积受荷计算

a. 悬面积百分率:   须满足式(2) 要求，把有关数代入式(2)。

得  $F_{\mathrm{x}} / F=1-(1.05 \times 11.13 / 18)=35\%$, 且小于$50\%$。

b. 最大附加内力

① 切力$Q_{\mathrm{max} }=q \cdot f+p \cdot l$

自表 1查得: $f=1.0996 r^{2}，l=2.6612 r$。代入上式

得  $Q_{\mathrm{max}}=10.93 \times 1.0996 \times 8.34^{2}+0.83 \times 2.6612 \times 8.34=854.38 \mathrm{~t}$

② 弯矩$M_{\mathrm{ma}\mathrm{x}}=q \cdot f\left(q_{\mathrm{F}}-\alpha\right)+p \cdot l(g-\alpha)$

自表 1査得: 、l值同前, 代入上式

(4) 正曲率影响计算

地应力集中影响半径

各处应力及荷载指标等, 按式(11)、(12) 计算

便由式(14) 可求得正曲率影响下最大弯矩

(5) 负曲率影响计算

地应力集中影响半径

按式(15)、(16) 计算各应力及荷载指标

于是由式(18) 可得负曲率影响下最大弯矩

负弯矩说明力矩方向与荷载作用方向相反，即使基顶受压，基底受拉。

(6) 配筋计算^〔3〕

按混凝土标号200号、钢筋Ⅱ级计算主筋

a. 悬面积受荷抗弯主筋(基顶受拉)

筏基计算宽度查表 1得

筏基有效高度

用84根$\phi \;28$钢箭, 得$A_{\mathrm{g}}=517.23 \mathrm{~cm}^{2}$

b. 正曲率影响时抗弯主筋(基顶受拉)

附加弯矩$M_{\mathrm{max} }=1070.21 \mathrm{t} \cdot \mathrm{m} < 2293.34 \mathrm{~t} \cdot \mathrm{m}$, 故不再增加抗弯主筋。

c. 负曲率影响时抗弯主筋(基底受拉)

筏基有效高度$h_{0}=200-5-3=192 \mathrm{~cm}$

筏基计算宽度

用24根$\phi \;28$钢筋, 得$A_\text{g}=147.83 \mathrm{~cm}^{2}$

d. 弯曲应力作用下斜截面抗剪计算

斜截面具有抗剪强度

最大弯矩作用时的切力:

故仅按构造配置抗斜剪钢筋即可。

为节约篇幅, 其他计算、筏基配筋图等从略。

五.   储油罐基础可调倾度的设计

1   可调倾度原理

油罐在采动期间发生倾斜，是由于基础下的地基土体，产生了不均匀下沉所致。如前所述, 当油罐位置选定在预测采动盆地的主剖面中心线上时, 地表下沉稳定后, 其最终下沉仅为垂直下沉。但在地表最终稳定之前的一段时期(一般为$1 \sim 2$年^〔2〕) 盆地范围内的地表, 都要经历正曲率、倾斜、负曲率等变形影响, 而使油罐基础产生不均匀下沉, 导致油罐发生倾斜。如此, 罐体倾斜成为不可避免的过程。

今设在基底以下, 造成某种人为下沉。先使下沉方位为预期方位, 使基础产生反向的不均下沉; 再使下沉易为预期数值, 使基础获得相当于均匀下沉的最终效果, 则油罐的倾斜, 便得以调整。使基础获得均匀下沉最终效果的预期下沉值, 可以通过多种工程措施获得。现介绍“高压水冲砂垫层”法。

仿照建筑施工技术中“砂靴”的实践，于基础下设置能够控制容积、防止随机流散的砂垫层构造。于预期方位, 引出一定体积的砂粒, 形成基底部分悬空面积, 造成地基应力与基础荷载之间的人为偏心，而产生倾覆力矩，使基础获得偏心倾侧变位。

随着对悬空面积大小及形状的控制，倾侧变位的大小也便得以左右。于是，以人为控制下沉量，使基础获得均匀下沉最终效果的预期下沉值。

参考砂基液化的研究成果^〔4〕，对砂土的选择应注意下列问题:

(1) 均匀级配的砂土，易于流动，则应选用不均匀系数小于5~6的砂土；

(2) 粒径较小的砂土, 易于流散, 故应使用细砂。无细砂时使用中砂, 而不使用粗砂;

(3) 饱和状态的沙土易于流动, 自基底下向外引出砂粒时, 可先考虑增加含水量的技术措施。

2   可调倾度的工程措施

为能实现有控人为下沉, 本油罐筏基采用了如下一些措施:

(1) 整体筏形基础  用以平衡采动期间因地表不同变形而引起的各种不同应力, 确保上部罐体的安全及正常运行。筏基的设计, 即如前述。

(2) 基础下砂垫层  充分利用砂土内聚力极微、剪切强度极低的特征, 易于流散而形成人为下沉。

垫层的厚度, 应能容纳预测最大倾斜值发生时, 基础边缘不均匀下沉量所需的高度。当以$\delta$表示砂垫层厚度时, 可用下式估算;

式中  $D$——基础直径;

$\theta$——预测地表倾斜变形角。

今已知: $D$为$16.68 \mathrm{m}, \text{tg} \theta$为$28 / 1000$。

则  $\delta=16.68 \times 0.9996 \times 0.028=0.47 \mathrm{~m}$

考虑到的罐址下尚有$D、F、G$等煤层组存在, 有多次调斜的需要, 故采用基底中央部分为$40 \mathrm{cm}$厚, 基础边缘部分则可有$80 \mathrm{cm}$厚。

(3) 建立观测点  于基础顶面沿周边均布设置8个测点，相对的两点连线应过圆心。

并在罐区地面设置临时水准点, 与库区水准点联通, 以便监测倾斜发展和调整效果。

(4) 设置围护圈梁  为控制垫层砂粒不使随意流散, 以便施行有控排砂, 于基础下沿周边外, 设置钢筋混凝土圈梁。

这时, 砂垫层施加给圈梁的作用力, 可枧为有超载的松散无粘性土对圈梁的主动土压。由于这一存在状态, 符合库伦理论的假设条件^〔5〕, 故可有如图 16的受力状态。

图  16  围护圈梁及其受力状态

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式中  $H$——圈梁高度;

$h$——当量高度;

$q$——基础底面平均压强;

$r$——砂土容重;

$\varphi$——砂土内摩擦角。

当为中砂压密状态时可取$r$为$1.8 \mathrm{t} / \mathrm{m}^{3}, \varphi$为35°。

将圈梁视作无底圆柱筒容器, 则所受环向拉力, 可作如下分析, 如图 17所示计算草图。今取圈梁单位高度, 承受平均侧压力。

图  17  圈梁环向拉力

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式中  $D$——圈梁内壁计算直径;

其余符号同前。

今既知, $r$为$1.8 \mathrm{t} / \mathrm{m}^{3}, \varphi$为$35^{\circ}, H$为$0.8 \mathrm{m}, q$为$11.13 \mathrm{t} / \mathrm{m}^{2}$, 可有当量高度$h$为$11.13 / 1.8=6.18 \mathrm{m}$。

环向拉力$T=\frac{1}{4}(9.3+11.9) \times 16.68 \times 0.8=70.7 \mathrm{~t}$

3   工程实例主要步骤(概述)

(1) 选定出砂洞口位置及常压排砂  据基础顶面测点观测值, 确定罐基南侧的最高点下为出砂洞口的平面位置，见图 18。便自圈梁以下，挖开$1200 \times 1500 \mathrm{mm}$洞口，做为出砂口。

图  18  高压水冲砂垫层工艺剖面草图

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(2) 高压冲水泄砂  采用油库自备消防用高压水枪, 以泵房表压$8 \mathrm{kgf} / \mathrm{cm}^{2}$, 现场水压$6.5 \mathrm{kgf} / \mathrm{cm}^{2}$的压强, 先后四次, 沿基础底面向基底纵深喷射, 使基础底面与砂垫层之间出现50~100 mm间隙，形成基底悬空面积。余砂由洞口随水排出，积于沉砂坑内。

各次高压水冲泄砂后，形成的悬面积和对应的倾斜值变化等等，如图 19所示。

图  19  4号储罐基底悬空面积平面示意图

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(3) 回填砂垫层  经过前述调整措施, 使油罐倾斜逐渐减少接近预期限值之时, 便开始回填措施。

a. 人工回填: 大面积基底回填, 每虚铺砂$10 \sim 15 \mathrm{cm}$, 用木拍板夯实; 与基底面斜交部分, 用木杆捣实。

b. 水砂充填: 出砂洞口高度以上, 利用圈梁与基础的间隙; 用前叙消防水枪冲砂回瑱密实。

出砂洞口的封堵措施, 如图 20所示。

图  20  出砂洞口封堵构造

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(4) 充水试压  为改善基底垫层的不均度，提高调整效果的稳定度，在完成上述措施后，分四次向罐内充水。每次加压的水头为2~2.5m，间歇时间48小时。

(5) 调整成果评述  本试点罐经过倾度调整后，测得其稳定的最大倾斜值σ_max为40mm < 50mm;

罐基直径两端测点间距离D。为15680mm, 则此时油罐稳定的倾斜度为:

上领成果，符合《石油库管理制度》(81) 商燃字第28号文颁发第八章第五十一条; 《石油储运手册》商业部燃料局1957年颁发第三条第三款的规定(该规定都要求：油罐倾斜不得大于$1\%$，绝对值不得大于$50 \mathrm{mm}$)。

调整后的油罐，已进行了前后17天的充水试压，最后7天仅发生$1 \mathrm{mn}$的恢复变化，可以认为趋于稳定且偏于安全。

六.   结语

1.为改善筏基在采动过程中的受力状态, 确保油罐的安全和正常使用, 本工程还采用了以下辅助措施:

(1) 于基础顶面设置了砂垫层和沥青砂垫层各$10 \mathrm{cm}$厚, 使油罐底板与基础顶面为安全的平面柔性接触, 防止罐基倾斜过程中对油罐底板产生局部应力集中。

(2) 在罐基顶面沿油罐周边，预埋了8个$\phi\; 25$螺栓，通过油罐底8个外伸板的椭圆孔，用螺帽固紧, 防止油罐倾斜过程中发生滑移；并防止意外水平作用力可能引起的滑移。

(3) 据地质报告表明, 库区位于山麓第四纪冲积坡积层上, 主要地层为卵石夹砂质粘土、卵石夹灰粘土等等, 全区冲积层厚约$40 \mathrm{m}$左右, 下覆煤系地层。而现场踏勘，砾石、弧石粒经20~$80 \mathrm{cm}$, 个别$100 \mathrm{cm}$以上, 无规律(因系山前坡地, 不可能形成积水洼地)。

由于地表有大量砾石及弧石埋存, 将在较大程度上破坏地表变形的连续性和平缓性, 形成局部凸起或陡陷，对筏基造成不规则顶托，不规则应力集中。故在砂垫层以下$1 \mathrm{m}$以内，将砾石及弧石清除, 再用石屑(松散土) 回填。

2. 由于筏基倾度是可调的，便能保证上部油罐始终在规定倾度限度范围内工作。如此，罐体即可按常规方法安装施工。而输油输水等管路系统, 则采用诸如活节头、蛇形软管、$\Pi$形胀缩节、伸缩支架等等常规技术措施, 便足以适应地表变形的影响。

3.为节约基础用料, 减轻自重, 可考庶采用中空箱渄的可调筏基。其内力分析方法, 将另文详述。

为减少上部油罐因罐体倾斜而产生的附加应力，曾提出过“可调支架的球形储罐”设想方案。因当时当地施工条件所限，未能采纳。窃以为这也是解决在下沉盆地内兴建储油罐问题的途径之一。

4.在采空区上兴建石油储罐，目前尚无先例可鉴。通过多次工程实践和技术经济论证, 认为该基础设计是成功的。

考虑到全国煤矿城市众多，其采空区十分广袤，如何科学地利用这些下沉盆地，为节约城市用地多辟途径，将越来越有其现实意义。