圓形煤場(chǎng)復(fù)合地基及灌注樁受力分析研究

張鐵軍，鄔亮，陳少雄，聶晶

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙410007)

圓形煤場(chǎng)復(fù)合地基及灌注樁受力分析研究

張鐵軍，鄔亮，陳少雄，聶晶

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙410007)

某沿海電廠建設(shè)圓形煤場(chǎng)，地質(zhì)條件為軟弱地基，在堆煤荷載作用下，土體產(chǎn)生側(cè)向位移可能造成擋煤墻下灌注樁的內(nèi)力和水平徑向位移過大，甚至造成土體破壞，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的安全。通過計(jì)算分析，在堆煤場(chǎng)地布設(shè)CFG樁形成復(fù)合地基，能較好的傳遞堆煤荷載，避免土體側(cè)移和灌注樁內(nèi)力及水平徑向位移過大，是比較合理的地基處理方式。

圓形煤場(chǎng)，復(fù)合地基，CFG樁，灌注樁

1 背景

封閉式圓形煤場(chǎng)具有環(huán)保效果好、占地面積小、運(yùn)行方式簡單、自動(dòng)化程度高、抗惡劣天氣能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能徹底消除露天儲(chǔ)煤帶來的燃煤損失及粉塵外溢。兼有貯存、緩沖和混煤等多種功能，是大型火力發(fā)電廠貯煤方式的發(fā)展方向。但軟弱地基在堆煤荷載作用下，土體產(chǎn)生側(cè)向位移可能造成擋煤墻下灌注樁的內(nèi)力和水平徑向位移過大，甚至造成土體破壞，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的安全，有必要進(jìn)行研究。吳有霞、王湛等對(duì)軟基煤場(chǎng)堆載擋風(fēng)墻樁基樁土共同作用進(jìn)行了分析〔1〕。郭力群、梁墨等對(duì)反復(fù)堆卸載下被動(dòng)樁土相互作用進(jìn)行了有限元分析〔2〕。鄔亮、陳少雄等對(duì)圓形煤倉環(huán)形基礎(chǔ)天然地基水平剛度影響進(jìn)行了分析〔3〕。黃小玲、葛小豐等對(duì)多重地基處理在軟土區(qū)大面積堆載中的綜合應(yīng)用進(jìn)行的分析〔4〕。本文建立樁土地基圓形煤場(chǎng)有限元模型，考慮土的塑性流動(dòng)、大變形，土層采用理想彈塑性、D－P屈服準(zhǔn)則和相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，樁與土相互作用采用接觸單元模擬〔5〕，同時(shí)考慮幾何非線性大變形影響。通過有限元分析，找出復(fù)合地基及灌注樁受力特點(diǎn)。

2 工程概況

某發(fā)電廠工程擬建兩座直徑Φ120 m的圓形煤場(chǎng)，擋煤墻高22.0 m，擋煤墻處煤堆高20 m。工程位于沿渤海區(qū)域。廠址范圍內(nèi)為鹽場(chǎng)儲(chǔ)水池，自然地面標(biāo)高在0～2.0 m之間。

軟弱地基在堆煤荷載作用下，土體產(chǎn)生側(cè)向位移有可能造成擋煤墻下灌注樁內(nèi)力和水平徑向位移過大，甚至造成土體破壞，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。為了避免這類問題，該工程圓形煤場(chǎng)在堆煤場(chǎng)地布設(shè)CFG樁形成復(fù)合地基，對(duì)圓形煤場(chǎng)環(huán)基，采用3排Φ800鉆孔灌注樁。

3 計(jì)算建模

計(jì)算采用大型通用有限元計(jì)算軟件，圓形煤場(chǎng)計(jì)算模型分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)由擋煤墻、環(huán)梁、扶壁柱和承臺(tái)組成；下部結(jié)構(gòu)由CFG樁、灌注樁和場(chǎng)內(nèi)土體組成。本次計(jì)算中取36°模型進(jìn)行計(jì)算，考慮全場(chǎng)堆煤工況。計(jì)算模型具體布置如下:

1)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圓形煤場(chǎng)上部結(jié)構(gòu)擋煤墻、承臺(tái)和環(huán)梁均環(huán)向360°連續(xù)設(shè)置。擋煤墻內(nèi)半徑為60 m，擋煤墻高22.0 m。扶壁柱按9°布置1個(gè)，整個(gè)煤場(chǎng)布置40根。擋煤墻下承臺(tái)高為1.7 m，寬為6.4 m，擋煤墻內(nèi)表面距離承臺(tái)內(nèi)邊緣為2.6 m，扶壁柱外邊緣距離承臺(tái)外邊緣為1.0 m。擋煤墻、承臺(tái)、扶壁柱截面示意圖如圖1。

圖1 擋煤墻、承臺(tái)、扶壁柱截面

2)下部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圓形煤場(chǎng)土體計(jì)算范圍如下:采用柱坐標(biāo)系，以煤場(chǎng)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿徑向方向，從擋煤墻內(nèi)表面向內(nèi)取55 m，向外取30 m，土層計(jì)算厚度取65 m。根據(jù)勘測(cè)報(bào)告，計(jì)算中將土層簡化成5層:分別為素填土或粉質(zhì)土層 (土層1)，層厚為5 m；粉土或粘細(xì)沙 (土層2)，層厚為18 m；粉質(zhì)粘土、粉土或粉沙層 (土層3)，厚度12 m；粉質(zhì)粘土或粉土層 (土層4)，厚度15 m；粉細(xì)砂或粉質(zhì)粘土層 (土層5)，厚度15 m。

圓形煤場(chǎng)承臺(tái)下布置三排Φ800的鉆孔灌注樁，沿環(huán)向按3.6°等間距排布。灌注樁嵌入土層5，每隔3.6°排列1根，樁長為50 m。堆煤區(qū)采用Φ400的CFG樁，滿場(chǎng)布樁，CFG樁嵌入土層2，樁長17 m。堆煤荷載示意圖如圖2，計(jì)算模型如圖3。

圖2 堆煤荷載

圖3 CFG樁、混凝土灌注樁、煤場(chǎng)倉壁及土體計(jì)算模型

4 結(jié)果分析

1)CFG樁結(jié)果分析

堆煤荷載作用下，提取部分CFG樁內(nèi)力，其沿樁身變化曲線如圖4—5。由圖可知，CFG樁最大軸力值為744 kN，出現(xiàn)在半徑為43.8 m第26排CFG樁，次大軸力出現(xiàn)在半徑為39 m第22排CFG樁，該2排樁間是最大堆煤高度的位置。最小剪力值出現(xiàn)在半徑39 m第22排CFG樁，說明該樁位置在堆煤荷載的平面均衡位置附近。

圖4 各排CFG樁軸力沿樁身變化

圖5 各排CFG樁剪力沿樁身變化

2)灌注樁結(jié)果分析

堆煤荷載作用下，灌注樁內(nèi)力沿樁身變化曲線如圖6—8。第1排灌注樁上部部分樁身產(chǎn)生上拔力，最大上拔力為227 kN，其余灌注樁軸力均為壓力，第3排灌注樁的軸壓力最大為4 205 kN，分析認(rèn)為煤場(chǎng)內(nèi)豎向位移比煤場(chǎng)外大，同時(shí)堆煤對(duì)擋煤墻的水平推力上小下大，使擋煤墻承臺(tái)產(chǎn)生環(huán)向順時(shí)針方向彎矩，朝煤場(chǎng)內(nèi)傾斜，因此煤場(chǎng)內(nèi)側(cè)灌注樁受較大軸壓力，煤場(chǎng)外側(cè)灌注樁甚至產(chǎn)生拉力。最大彎矩值為518 kN·m，最大剪力值為247 kN，均出現(xiàn)在第3排樁，說明煤場(chǎng)內(nèi)側(cè)灌注樁受土體的側(cè)向位移影響最大。

圖6 灌注樁軸力沿樁深變化

圖7 灌注樁剪力沿樁深變化

圖8 灌注樁彎矩沿樁深變化

3)土體計(jì)算結(jié)果

堆煤荷載作用下，土體位移云圖如圖9—10。由圖可知，朝煤場(chǎng)內(nèi)最大水平徑向位移U1為116.3 mm，出現(xiàn)在半徑為55 m第35排CFG樁頂附近土體表面，該位置土體靠近環(huán)向承臺(tái)，朝煤場(chǎng)外變形被約束，故朝煤場(chǎng)內(nèi)變形。朝煤場(chǎng)外土體最大水平徑向位移U1為89.04 mm，出現(xiàn)在半徑為53.4 m第34排CFG樁底附近下方，該位置靠近煤場(chǎng)外邊緣

圖9 土體徑向位移U1位移云圖

圖10 土體豎向位移U3位移云圖

但不在煤場(chǎng)外，說明土體受到灌注樁和煤場(chǎng)外土體約束，土體側(cè)向位移再往煤場(chǎng)外則減小。土體最大豎向位移U3為47.36 mm，出現(xiàn)在半徑38.5 m第22排CFG樁底附近，該位置接近最大堆煤高度位置。綜上，朝煤場(chǎng)外最大徑向位移和最大豎向位移均在CFG樁底，說明 CFG樁較好的傳遞堆煤荷載，因下部土體及灌注樁受到周邊土體更大的約束，從而避免土體側(cè)移和灌注樁內(nèi)力及水平徑向位移過大。

5 結(jié)論

綜上，CFG樁最大軸力值出現(xiàn)在最大堆煤高度位置附近，該附近應(yīng)加密CFG樁布置。堆煤荷載作用下，擋煤墻承臺(tái)產(chǎn)生環(huán)向順時(shí)針方向彎矩，朝煤場(chǎng)內(nèi)傾斜，煤場(chǎng)內(nèi)側(cè)灌注樁受較大軸壓力，煤場(chǎng)外側(cè)灌注樁甚至產(chǎn)生拉力，配筋時(shí)應(yīng)注意。土體的位移分析表明復(fù)合地基能較好的傳遞堆煤荷載，避免土體側(cè)移和灌注樁內(nèi)力及水平徑向位移過大，是比較合理的地基處理方式。

〔1〕吳有霞，王湛，鐘潤輝，等.軟基煤場(chǎng)堆載擋風(fēng)墻樁基樁土共同作用分析 〔J〕.浙江大學(xué)學(xué)報(bào) (工學(xué)版)，2013(03): 502-507.

〔2〕郭力群，梁墨，陳福全.反復(fù)堆卸載下被動(dòng)樁土相互作用有限元分析 〔J〕.華僑大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2011(05): 569-578.

〔3〕鄔亮，陳少雄，聶晶，等.圓形煤倉環(huán)形基礎(chǔ)天然地基水平剛度影響分析 〔J〕.武漢大學(xué)學(xué)報(bào) (工學(xué)版)，2014，47 (S1):350-353.

〔4〕黃小玲，葛小豐，葛新鋒，等.多重地基處理在軟土區(qū)大面積堆載中的綜合應(yīng)用 〔J〕.武漢大學(xué)學(xué)報(bào) (工學(xué)版)，2009 (S1):307-311.

〔5〕劉敦平，蒯行成，趙明華.軟土運(yùn)動(dòng)作用下被動(dòng)樁樁—土水平相互作用的三維有限元分析 〔J〕.中國公路學(xué)報(bào)，2008，21 (4):18-24.

Analysis of the Composite Foundation and the Bored Piles Force of Circular Coal Yard

ZHANG Tiejun，WU Liang，CHEN Shaoxiong，NIE Jing
(China Energy Engineering Group Co.Ltd，Hunan Electric Power Design Institute，Changsha 410007，China)

Circular coal yard of a coastal power plant is under construction with soft ground geological condition.Under the action of coal load，the lateral displacement of the soil may cause the internal force and horizontal radial displacement of the bored pile under retaining coal wall exceed the limit，and even cause soil destruction，a serious threat to the safety of the structure.Through the calculation and analysis，the CFG pile is arranged in the heap coalsite to form the composite foundation，which can better convey the pile coal load and avoid the excessive soil lateral displacement and bored pile internal force and horizontal radial displacement.It is a reasonable way of foundation treatment.

circular coal yard；composite foundation；CFG pile；bored piles

TU359；U271.1

:A

:1008-0198(2017)02-0012-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.003

2017-01-11

張鐵軍(1971)，湖南人，國家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)師，高級(jí)工程師，主要從事大型工程的建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)管理。