堆煤軟土場地中群樁體系工作性能的數(shù)值分析

王 騰，席愛斌，崔春義，孟 坤，梁志孟，邢國雷

1)大連海事大學(xué)土木工程系，遼寧大連 116026；2)國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100095

隨著現(xiàn)今社會對環(huán)境保護(hù)的關(guān)注度日益提升，中國不斷增強(qiáng)對環(huán)境保護(hù)的重視，越來越多的大型火力發(fā)電廠的儲煤場地采用全封閉式處理. 為滿足煤場內(nèi)部作業(yè)和儲煤量要求，儲煤場結(jié)構(gòu)需要足夠的跨度和高度. 此外，為滿足地基承載力要求，這種大跨度和高度儲煤場結(jié)構(gòu)多采用群樁基礎(chǔ)形式. 在軟土場地中修建大型儲煤場結(jié)構(gòu)，由于堆煤荷載形式和軟土場地特性，軟土場地-群樁相互作用體系受力變形特性較為復(fù)雜. 因此，研究堆煤荷載作用下軟土場地中群樁基礎(chǔ)受力變形特性具有重要的實(shí)際意義和工程應(yīng)用價值. 近年來諸多學(xué)者做了大量研究. 李志偉[1]利用平面應(yīng)變有限元模型，采用硬化土本構(gòu)模型，對軟土地基中堆載作用下橋梁樁基側(cè)向偏位進(jìn)行了研究. 吳有霞等[2]對軟土場地-群樁體系進(jìn)行三維有限元建模，分析了在大面積堆載情況下臨近樁基對土體位移變形產(chǎn)生的影響. 張琰等[3]對處于沿海軟土基礎(chǔ)的樁基進(jìn)行了豎向抗壓等力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到擠擴(kuò)支盤樁基的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律.郭志廣等[4-5]采用反分析法給出了目標(biāo)函數(shù)的確定方法，探討了樁基的荷載-沉降關(guān)系曲線. 彭龍仕等[6]采用PLAXIS 8.2軟件，分析了新建于軟基上高速公路的堆載對現(xiàn)有橋梁樁基的影響作用規(guī)律. WU等[7]采用FLAC3D軟件，對建于軟土基礎(chǔ)上的高速公路進(jìn)行群樁的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析. 陳福江等[8]對鐵路橋梁軟土基礎(chǔ)的樁基進(jìn)行豎向位移檢測，并將實(shí)測結(jié)果與規(guī)范算法進(jìn)行比對. 丁任盛[9]通過開展現(xiàn)場原位試驗(yàn)，對深厚軟土地基堆載對樁基影響規(guī)律進(jìn)行研究. SHARAFI等[10]分析了邊坡樁基在地面荷載作用下的動力效應(yīng). 鄭明新等[11]基于ABAQUS數(shù)值分析平臺，采用Drucker-Prager本構(gòu)模型，分析了臺后填土對樁基受力及變形的影響規(guī)律. 趙文強(qiáng)等[12]通過開展軟土路基砂礫樁現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了砂礫樁對處理高速公路軟基的效果的影響因素. 周小文等[13]針對膜袋圍堰堆載的特性，進(jìn)行了軟土基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)和數(shù)值計算分析，給出了新的軟基破壞分辨性. CAI等[14]研究了樁基堆載作用對樁側(cè)向位移的影響. 但上述研究未考慮樁的尺寸效應(yīng). 為進(jìn)一步探討堆煤荷載作用下軟土場地中群樁基礎(chǔ)樁身內(nèi)力及變形規(guī)律，本研究基于堆煤荷載作用下的軟土場地-群樁基礎(chǔ)體系有限元分析模型，考慮地基土非線性，進(jìn)行了既定煤場堆載工況下考慮樁土相互作用的軟土場地-群樁體系二維有限元數(shù)值分析， 進(jìn)一步探討堆煤荷載作用下軟土場地中群樁基礎(chǔ)樁身內(nèi)力及變形規(guī)律.

1 工程概況

封閉條形儲煤場最大堆煤高度為12 m，封閉煤場跨度為160 m，縱向長176 m，采用螺栓球節(jié)點(diǎn)的雙層柱面網(wǎng)架結(jié)構(gòu). 鋼筋混凝土柱頂標(biāo)高(網(wǎng)架支座底標(biāo)高)1.2 m. 條形封閉煤場剖面圖如圖1.

圖1 條形封閉煤場剖面圖(單位：mm)Fig.1 The section of closed coal field(unit：mm)

場地地層巖性主要由素填土、淤泥、黏土和泥巖4層組成. 各地層巖性及主要計算參數(shù)如表1. 其中，Es為彈性模量；v為泊松比；c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角；fpk為黏結(jié)強(qiáng)度特征值.儲煤場群樁布置如圖2. 根據(jù)場地的地層分布、地層巖性、埋深和各層土的物理力學(xué)性質(zhì)及各項(xiàng)原位測試結(jié)果，第4層強(qiáng)風(fēng)化泥巖為樁端持力層. 承臺樁位布置如圖3.

表1 地層巖性及計算參數(shù)Table 1 Soil parameters of coal field

圖2 儲煤場群樁布置圖(單位：mm)Fig.2 The layout of pile groups(unit：mm)

圖3 承臺樁位布置圖 (單位：mm)Fig.3 The layout of pile position (unit：mm)

2 有限元模型

2.1 參數(shù)選取

1)樁身、承臺及基礎(chǔ)短柱材料為C30混凝土，采用線彈性本構(gòu)模型. 混凝土彈性模量取32.5 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3.

2)樁周土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，具體參數(shù)按表1選取.

3)土-樁界面采用罰函數(shù)法設(shè)置接觸，摩擦系數(shù)取0.3.

2.2 有限元模型

2.2.1 幾何模型

煤場呈長方形分布，建模過程中根據(jù)現(xiàn)場勘查報告，依據(jù)典型勘探孔點(diǎn)地層信息，樁外側(cè)土體取40 m，土體底部約束豎向和側(cè)向自由度，土體兩側(cè)只約束側(cè)向自由度，土-樁有限元模型如圖4.

2.2.2 初始地應(yīng)力場模擬

為使數(shù)值分析時場地獲得一個存在的初始應(yīng)力場，而無初始變形狀態(tài)，首先對自重作用下場地進(jìn)行計算，獲得初始應(yīng)力場數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，獲得自重作用下相互平衡的初始應(yīng)力場.

圖4 樁-土數(shù)值計算模型Fig.4 (Color online) Numerical model of pile-soil

2.2.3 加 載

平衡初始應(yīng)力后，上部結(jié)構(gòu)傳遞荷載，按均布荷載的形式施加到基礎(chǔ)短柱上. 堆煤荷載則按照實(shí)際的堆煤曲線簡化為梯形荷載，施加到土體表面．

3 計算結(jié)果分析

3.1 樁身位移分析

樁身豎向位移等值云圖如圖5. 由圖5可知，左側(cè)邊樁豎向位移最大值為83.2 mm，最小值為-59.1 mm(位移正負(fù)以建模坐標(biāo)方向?yàn)闇?zhǔn))；右側(cè)邊樁豎向位移最大值為27.8 mm，最小值為-21.1 mm；中樁豎向位移最大值為-8.0 mm，最小值為-9.3 mm. 由于左側(cè)土體淤泥質(zhì)土層較厚，左側(cè)邊樁豎向位移較中樁和右側(cè)邊樁豎向位移幅值水平顯著.

樁身水平位移云圖如圖6. 由圖6可見，左側(cè)邊樁的正向和負(fù)向水平位移最大值分別為23.2 mm和-510.4 mm，右側(cè)邊樁的正向和負(fù)向側(cè)向位移最大值分別為156.4 mm和-3.4 mm，中樁的正向和負(fù)向側(cè)向位移分別為7.1 mm和-0.2 mm. 由于左側(cè)土體淤泥質(zhì)土層較厚，使得左側(cè)邊樁在較大的土體擠壓作用下產(chǎn)生很大的側(cè)向位移. 中樁在兩側(cè)堆煤荷載作用下，土體擠壓作用相互抵消，使得中樁側(cè)向位移幅值水平較低.

圖5 樁身豎向位移云圖Fig.5 (Color online) Contours of vertical displacement of piled caps

圖6 樁身水平位移云圖Fig.6 (Color online) Contours of horizontal displacement of piled caps

3.2 樁身內(nèi)力分析

樁身軸力沿埋深分布如圖7(拉力為正值，壓力為負(fù)值). 由圖7可見，左側(cè)2號樁、3號樁和右側(cè)1號樁(樁身按自左至右編號，下同)在堆煤荷載作用下產(chǎn)生較大的拉力，拉力最大值為309 kN，發(fā)生在左側(cè)3號樁. 左側(cè)邊樁軸力沿樁身埋深分布趨勢與右側(cè)邊樁一致，且由于左側(cè)淤泥質(zhì)土層較厚使得左側(cè)邊樁軸力水平較右側(cè)邊樁高. 中樁在兩側(cè)堆煤荷載作用下僅受到壓力作用未出現(xiàn)拉力，受力狀態(tài)較為安全.

樁身剪力分布如圖8. 由圖8可知，左側(cè)邊樁剪力最大值為308 kN，發(fā)生在左側(cè)3號樁；右側(cè)邊樁剪力最大值為262 kN，發(fā)生在右側(cè)1號樁；中樁剪力最大值為212 kN，發(fā)生在中樁1號樁. 左側(cè)邊樁剪力沿樁身埋深分布趨勢同右側(cè)邊樁一致，且由于左側(cè)淤泥質(zhì)土層較厚使得左側(cè)邊樁剪力值較右側(cè)邊樁略大. 中樁1號樁和2號樁剪力基本呈對稱分布，且中樁1號樁剪力水平較中樁2號樁高，同樣是由于左側(cè)淤泥質(zhì)土層較厚導(dǎo)致.

樁身彎矩沿埋深的分布如圖9. 由圖9可知，左側(cè)邊樁彎矩最大值為518 kN·m，發(fā)生在左側(cè)3號樁；右側(cè)邊樁彎矩最大值為603 kN·m，發(fā)生在右側(cè)1號樁；中樁彎矩最大值為184 kN·m，發(fā)生在中樁1號樁. 左側(cè)3號樁彎矩反彎點(diǎn)明顯比右側(cè)3號樁身彎矩反彎點(diǎn)埋深大，且反彎點(diǎn)所在位置與淤泥質(zhì)土層分布位置一致. 中樁1號樁和2號樁彎矩基本呈對稱分布，且由于左側(cè)淤泥質(zhì)土層較厚，使得中樁1號樁彎矩水平較中樁2號樁高.

圖7 樁身軸力沿埋深的變化情況Fig.7 (Color online) Variations of axial force of piles with depth

圖8 樁身剪力沿埋深的變化情況Fig.8 (Color online) Variations of shearing force of piles with depth

圖9 樁身彎矩沿埋深的變化情況Fig.9 (Color online) Variations of ending moment of piles with depth

3.3 樁身應(yīng)力

樁身混凝土應(yīng)力分布云圖如圖10. 由圖10(a)可見，左側(cè)邊樁樁身拉應(yīng)力最大值為5.37 MPa，發(fā)生在堆煤側(cè)3號樁底端，其他部位拉應(yīng)力水平均較低. 由圖10(b)可見，右側(cè)邊樁拉應(yīng)力最大值為6.06 MPa，發(fā)生在堆煤側(cè)1號樁底部，其他部位所受拉應(yīng)力值均較小. 左側(cè)邊樁3號樁和右側(cè)邊樁1號樁最大拉應(yīng)力超標(biāo)，即在堆煤荷載作用下樁身靠近堆煤側(cè)的樁基礎(chǔ)由于較大拉應(yīng)力的產(chǎn)生極易發(fā)生破壞. 由圖10(c)可見，中樁最大拉應(yīng)力值為1.45 MPa，未超過C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，因此中樁樁身在堆煤荷載作用下偏于安全.

圖10 樁身混凝土的應(yīng)力分布云圖Fig.10 (Color online) Stress contours of pile concrete

4 結(jié) 論

本研究通過建立堆煤荷載作用下軟土場地-群樁基礎(chǔ)體系有限元分析模型，分析了既定工況下軟土場地群樁基礎(chǔ)受力及變形規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)軟土場地中，在堆煤荷載和上部結(jié)構(gòu)荷載共同作用下群樁基礎(chǔ)樁身側(cè)向位移較大(最大值為510.4 mm)，無法滿足樁身穩(wěn)定性和變形要求.

2)群樁基礎(chǔ)樁身產(chǎn)生較大拉力，左側(cè)邊樁和右側(cè)邊樁最大拉應(yīng)力值超限，在較大拉力作用下樁身易發(fā)生破壞，無法滿足承載力的要求.

3)建議針對軟弱場地土層采取真空預(yù)壓地基處理措施，并進(jìn)行計算校核，使得軟土場地-群樁相互作用體系達(dá)到承載變形要求.