煤礦儲煤倉非典型狀況下基坑變形研究

王靜,徐新斌

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司,江蘇 徐州 221008;2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)與交通工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

煤礦儲煤倉非典型狀況下基坑變形研究

王靜1,徐新斌2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司,江蘇 徐州 221008;2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)與交通工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

以煤礦儲煤倉基坑工程為對象,結(jié)合工程現(xiàn)場實際,模擬儲煤倉基坑工程施工過程中可能發(fā)生的非正常情況下的施工現(xiàn)象,借助有限元分析方法模擬基坑土體及支護結(jié)構(gòu)在非正常狀況下的受力與變形特性.結(jié)果表明：鋼支撐沒有預(yù)加軸力對圍護樁的受力和變形影響較大;樁體嵌固深度不足對位移影響不明顯,但對樁體應(yīng)力增大明顯.

儲煤倉;基坑工程;非典型工況;煤倉安全;變性研究

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展對能源需求的加快,儲煤工程的數(shù)量日益增加,相應(yīng)儲煤量也愈來愈大.有關(guān)煤礦儲煤倉及與施工緊密相連的工程事故頻頻見報[1-3].煤倉施工作為一項耗時最長、影響因素復(fù)雜的工程,控制不當(dāng)引發(fā)工程事故的概率會更大[4].針對非正常情況下的施工現(xiàn)象,借助有限元分析手段,模擬基坑土體及支護結(jié)構(gòu)在非正常狀況下的受力與變形特性.通過與正常施工條件下的基坑形態(tài)作對比分析,總結(jié)出各種施工狀況下基坑形態(tài)的變化特征,作為煤礦儲煤倉基坑工程設(shè)計和施工的參考.HT?

采用巖土工程有限元軟件建立分析模型,模型采用15節(jié)點單元.取基坑標準段進行分析,基坑深度為16 m,寬度為19 m,地下水位為3 m.基坑形狀為軸對稱,取一半平面進行分析,模型邊界取長為40 m,寬為30 m.模型上邊界為自由邊界,左右邊界限制其向基坑方向的位移,底邊界為固定邊界.圍護樁采用板單元,鋼支撐采用錨錠桿單元,土與結(jié)構(gòu)相互作用,采用界面單元[4],并擴展至樁下1.0 m.地面超載按20 kN/m,距基坑邊為2 m,分布寬度取10 m.基坑開挖施工分步進行,每次開挖至鋼支撐下0.5 m即停止開挖,架設(shè)支撐并預(yù)加支撐軸力,第一道支撐預(yù)加軸力為250 k N,第二、三道支撐預(yù)加軸力為600 k N.基坑施工分為6個步驟,工序為 ：1)按照設(shè)計圖紙及實地測量放線位置施工鉆孔灌注樁;2)以地面標高為基準,開挖至1.5m深度處,架設(shè)第一道支撐并預(yù)加軸力;3)開挖至7.0 m深度處,架設(shè)第二道支撐并預(yù)加軸力;4)開挖至12.0 m深度處,架設(shè)第三道支撐并預(yù)加軸力;5)開挖至基坑底部,施工墊層;6)主體結(jié)構(gòu)施工、封頂、填土.

依據(jù)施工工序和上述各項初始條件,建立基坑開挖的二維有限元分析模型.材料本構(gòu)模型選用摩爾-庫侖模型(MC)[5-6].各土層的物理力學(xué)參數(shù)(除彈性模量和泊松比外)見表1.通過計算,圍護樁的模型參數(shù)(有效值)見表2.

表1 摩爾—庫侖模型土體參數(shù)Tab.1 Soil parameters of Mohr—Coulomb Model

表2 圍護樁模型參數(shù)Tab.2 Parameters of retaining piles

鋼支撐的軸向剛度采用有效剛度,計算公式為：

式中：D、d分別為鋼支撐的外徑和內(nèi)徑,m;L為鋼支撐有效長度,m;S為支撐距離,m.

通過計算,第一道支撐有效軸向剛度為9.5×104k N/m2,第二、三道支撐的有效軸向剛度為1.2×105k N/m2.二維有限元分析模型如圖1所示,取圍護樁開挖完成后的最大水平位移為分析目標.

圖1 基坑二維有限元分析模型Fig.1 2D finite element analysis model of foundation pit

2 正常施工狀況下基坑變形分析

2.1 基坑變形形態(tài)分析

基坑開挖過程中的變形形態(tài)如圖2所示.由圖可見,圍護樁在基坑兩側(cè)土壓力差的作用下產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的水平變位,樁體上部位移較大,底部位移相對較小,4個施工步下的最大位移量分別為1.42 mm、9.17 mm、15.08 mm和13.75 mm.圍護樁嵌固在較為堅硬的微風(fēng)化花崗巖層中,能有效地限制樁體底部的水平位移.4個施工步下地表最大沉降量分別為10 mm、16 mm、20.24 mm和23.09 mm.基坑開挖過程中的總位移云圖如圖3所示.

圖2 基坑開挖過程中的變形形態(tài)Fig.2 Foundation pit deformation pattern during excavation process

圖3 基坑施工工況后的總位移云Fig.3 Total displacement map of foundation pit after construction

基坑所處地層地下水位為3 m,圖4則反映了在開挖過程中基坑滲流場的變化情況.可以看出,在樁體兩側(cè)不具滲透性.在大部分土層的滲透性能均較弱的情況下,基坑在施工過程中的滲流現(xiàn)象主要圍繞樁體底部和滲透系數(shù)相對較大的中風(fēng)化花崗巖層進行.其中,樁體底端的滲流現(xiàn)象最為明顯.

圖4 基坑開挖過程中的滲流場Fig.4 Seepage field of foundation pit during excavation process

從基坑變形形態(tài)、總位移大小、有效應(yīng)力場及滲流場的變化情況來看,在正常施工步驟下,基坑在施工全過程中保持了良好的穩(wěn)定性,沒有出現(xiàn)地表坍塌、圍護樁失穩(wěn)及滲流過大而引起的流砂等現(xiàn)象,體現(xiàn)了該工法在深基坑施工過程中的合理性.

2.2 支護結(jié)構(gòu)受力與變形分析

支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對于基坑安全是不言而喻.本工程支護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁和橫向鋼支撐.基坑開挖面內(nèi)設(shè)置三道支撐,圍護樁在4個施工步下的最大位移分別為1.41 mm、9.17 mm、15.08 mm和13.75 mm.除第一開挖步外,其他三種工況下樁體的最大位移發(fā)生位置均位于樁頂,這是由于樁體上部土層剛度較弱,而下部嵌固比較牢,樁體變形曲線形式主要取決于土層性質(zhì)和支撐位置,如圖5所示.

圖5 樁體水平位移Fig.5 Horizontal displacement map of pile

圖6反映了4個施工步下基坑圍護樁的彎矩變化情況.從單個包絡(luò)圖的特征來看,樁身上部主要承受面向坑內(nèi)的正彎矩,這與樁體上部向坑內(nèi)的水平位移較大是相對應(yīng)的.包絡(luò)圖中還呈現(xiàn)了2個比較明顯的拐點,這表明鋼支撐很好地限制了樁體彎矩的增大,優(yōu)化了圍護樁的承載特性.

圖6 樁體彎矩包絡(luò)線Fig.6 Bending moment envelope curve of pile

可見,在正常施工狀況下,無論是從基坑的整體形態(tài),還是支護結(jié)構(gòu)的受力與變形特性,均表明基坑的施工安全在施工過程中是穩(wěn)定可控的.

3 非正常施工狀況下基坑變形分析

絕大多數(shù)情況下,基坑的施工會嚴格按照擬定的施工組織方案一步一步推進.但不可否認的是,工程施工現(xiàn)場情況比較復(fù)雜,有許多不確定的因素會導(dǎo)致工程無法按照正常的施工工序進行.如場地條件的限制、施工機械的選擇、現(xiàn)場突發(fā)情況下的應(yīng)急措施以及人為因素等等,這些因素對基坑工程的影響是不可忽視的.本文所要討論的非正常施工狀況是選取較為典型的鋼支撐無預(yù)加軸力和樁體嵌固深度不足兩種情形.

3.1 鋼支撐無預(yù)加軸力的基坑變形分析

鋼支撐預(yù)加軸力能有效地防止基坑開挖后圍護結(jié)構(gòu)的初期變形.下面討論如果鋼支撐沒有預(yù)加軸力,基坑變形和受力會如何發(fā)展,與正常施工狀況下有何區(qū)別.為了使討論結(jié)果更加全面,分4種情況進行分析：1)三道支撐全部沒有預(yù)加軸力;2)第一道支撐沒有預(yù)加軸力;3)第二道支撐沒有預(yù)加軸力;4)第三道支撐沒有預(yù)加軸力.

采用有限元分析,圖7、8所示為第一種情況下基坑開挖完成后的總位移云圖及變形受力圖.對比正常施工狀況下同工序的變化情況,支護樁的變形與受力與正常狀況相比均有大幅增加,水平位移增大7.72 mm,彎矩增大168.74 k N·m,剪力增大107.3 k N,這對于基坑的整體穩(wěn)定是非常不利的.

圖7 支撐無預(yù)加軸力時的基坑總位移云Fig.7 Total displacement map of foundation pit without brace pre axjal of support

圖8 支撐無預(yù)加軸力時的樁體變形與受力Fig.8 Deformation and stress of pile without brace pre axjal of support

圖9反映了第二種狀況下圍護樁的受力變形形態(tài),樁體的變形和受力同樣增大,與正常狀況相比位移、彎矩和剪力分別增大了4.02 mm、41.51 k N·m和27.38 k N.對第三和第四種狀況作同樣的分析,圖10和圖11分別表達了這兩種狀況下圍護結(jié)構(gòu)的受力情況.其三大指標較之正常施工下分別增加了3.34 mm、82.67 k N·m和51.37 k N以及0.28 mm、40.17 k N·m和29.90 k N.通過上述3組數(shù)據(jù)的對比可以看出,第二道支撐預(yù)加軸力與否,對圍護樁的受力及變形形態(tài)的影響效應(yīng)相對較大.但就支護結(jié)構(gòu)受力性能足以說明支撐預(yù)加軸力能顯著提升基坑的安全系數(shù).

3.2 樁體嵌固深度不足時基坑變形分析

造成樁體嵌固深度不足的原因是：1)測量誤差;2)鉆孔機械操作不當(dāng);3)遇到特殊地層無法鉆入.本工程標準段圍護樁長度為21 m,嵌固深度為5 m,嵌入較堅硬的微風(fēng)化花崗巖層.為了模擬樁體嵌固深度不足的情形,假設(shè)圍護樁長度縮短為18 m,即嵌固深度減少至2 m.通過有限元分析,得出嵌固深度為2 m的情況下,基坑最終的總位移云圖如圖12所示.基坑最大總位移沒有明顯增長,但最終有效應(yīng)力增長幅度非常大,近乎于正常情況下的6倍.樁身嵌固深度不足對基坑位移的影響不明顯,主要是由于樁體底部較為牢固,基本可以看作固支端,但這也恰恰導(dǎo)致了有效應(yīng)力水平的顯著提升.圖13為該狀況下圍護結(jié)構(gòu)的受力與變形特性,與正常情況相比,其彎矩和剪力分別增加了51.93 k N·m和172.59 k N,剪力增長幅度較為明顯.

圖9 第一道支撐無預(yù)加軸力時的樁體變形與受力Fig.9 Deformation and stress of pile without brace pre axjal of first support

圖10 第二道支撐無預(yù)加軸力時的樁體變形與受力Fig.10 Deformation and stress of pile without brace pre axjal of second support

圖11 第三道支撐無預(yù)加軸力時的樁體變形與受力Fig.11 Deformation and stress of pile without brace pre axjal of third support

圖12 樁體嵌固深度不足時的基坑總位移云Fig.12 Total displacement map of foundation pit with deficient pile embedded depth

圖13 嵌固深度不足時的樁體變形與受力Fig.13 Deformation and stress of pile with deficient embedded depth

4 結(jié)論

從上述分析的儲煤倉基坑變形機理的角度分析,對基坑整體形態(tài)的影響最終仍會體現(xiàn)在對支護結(jié)構(gòu)的影響上.在基坑的施工階段,基坑的形態(tài)變化所引起的應(yīng)力場、位移場及滲流場的改變會直接作用在支護結(jié)構(gòu)上,支護結(jié)構(gòu)承擔(dān)了整個施工活動對地層的擾動.

1)正常施工狀況下圍護樁最大水平位移出現(xiàn)在樁頂,其原因是由于樁底嵌固在較堅硬的巖層中,限制了樁身下部的位移.圍護樁最大彎矩和最大剪力位于基坑底部,這與基坑底部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象是吻合的.

2)鋼支撐沒有預(yù)加軸力的情況下,圍護樁的變形和受力均有大幅增長.特別是三道支撐均沒有預(yù)加軸力時,樁身變形、彎矩和剪力較之正常情況下大.第二道支撐預(yù)加軸力與否對圍護樁的受力及變形影響較大.

3)樁體嵌固深度不足對位移的影響不明顯,主要得益于樁底嵌固巖層比較堅硬.但最大有效應(yīng)力增大顯著,約為正常施工狀況下的6倍,過大的應(yīng)力集中對樁體受力性能十分不利.

[1] 唐業(yè)清,李啟民,崔江余.基坑工程事故分析與處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[2] 侯林波.基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的基坑工程優(yōu)化反饋分析[D].大連：大連海事大學(xué),2009.

[3] 王永秀,毛德兵,齊慶新.數(shù)值模擬中煤巖層物理力學(xué)參數(shù)確定的研究[J].煤炭學(xué)報,2003,28(6)：593-597.

[4] 王留東,馬金榮,陶祥令,等.周邊復(fù)雜環(huán)境作用下受煤坑支護研究[J].施工技術(shù),2012,41(13)：21-24.

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On deformation of foundation pit in atypical situation at coal storage bunker

WANG Jing1,XU Xin-bin2
(1.CUMT Geotechnical Engineering&New Technology Development Co.,Ltd,Xuzhou,Jiangsu 221008,China;2.School of Mining and Transportation Engineering,Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

Taking foundation pit project of coal storage bunker as object,this paper simulates atypical situation in foundation pit construction of coal storage bunker combing engineering practice.Through finite element method,it simulates the stress and deformation characteristics of soil mass and supporting structure and foundation pit in atypical situation.Results show that steel support without brace pre axial force has great influence on stress and deformation of retaining piles,deficiency of piles'embedded depth has no obvious influence on displacement,but has obvious influence on increase of pile stress.

storage bunker;foundation pit project;atypical situation;safety of storage bunker;deformation study

TU 46.3

A

2095-3550(2014)01-0001-05

2013-11-26

江蘇省高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進項目 (JHB2011-66,JHB2012-69);江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研資助項目(JYA312-05).

王靜,女,江蘇徐州人,高級工程師,碩士.

E-mail：575988136@qq.com

(責(zé)任編輯：陶紅林)