東露天煤礦槽倉三維有限元變形分析

楊 喆，晁 軍

(中煤西安設計工程公司，陜西 西安 710054)

隨著我國基礎設施的快速發(fā)展，越來越多的工程都面臨著深基坑的問題。常用的研究方法主要有：理論方法、試驗方法、數值法、理論與實際量測相結合的方法等。因數值方法較傳統(tǒng)方法有許多優(yōu)勢，已成為現(xiàn)今比較流行的方法。國內外學者也對其進行了大量研究。如杜東寧等[1]、張玥[2]、朱建新[3]等采用有限元方法對深基坑開挖過程進行了仿真分析。孟文清等[4]、郭力等[5]、韓健勇等[6]采用數值分析法對深基坑圍護結構受力變形及穩(wěn)定性進行了分析。李四維等[7]、霍潤科等[8]采用有限元與現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法進行了深基坑開挖的變形分析。但是，當前大部分的研究主要是針對高層、地鐵等形狀較為規(guī)則，面積較小，支護結構較為單一的深基坑進行的。

目前，對于大型槽倉，由于基坑支護深度大，結構受限制，倉壁坡度陡，變形控制要求高，有限元網格數目接近100萬單元，鮮見利用商用軟件進行三維計算，商業(yè)軟件也無法計算這樣大的規(guī)模，三維并行計算更是未見先例。本次山西平朔東露天煤礦槽倉的有限元計算，基于彈塑性模型進行三維并行有限元力學分析[9，10]，散粒體計算采用了顆粒離散元算法[11，12]，共86.5萬單元，在曙光并行機上，利用40個節(jié)點即40個CPU進行并行計算，每個方案計算25min左右。尤其是三維并行有限元算法和散粒體離散元算法，具有理論上的開創(chuàng)性，應用于目前國內最大規(guī)模的儲煤槽倉具有示范意義，因此該項目具有理論和應用的雙重意義。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

平朔東露天煤礦選煤廠位于山西省朔州市，2009年1月5日開工建設。槽倉設計儲量為20萬t，服務年限80a，為目前國內最大規(guī)模的儲煤槽倉。槽倉長237.0m，上口寬38.3m，下口寬16.0m，深30.4m，倉壁坡度為60°，槽底布置有高7.7m，寬16.0m的鋼筋混凝土輸煤暗道，暗道上部布置有3個鋼筋混凝土落煤筒。倉體左側設備端開挖深31.2m，右側出口端深44.0m，其中上部32.6～35.0m為填方形成，下部8.4～14.0m開挖形成。槽倉縱向板件跨度2.5～3.0m，最大變形縫間距20mm，基礎底板厚40mm，混凝土強度等級C40，抗?jié)B等級S12，能儲容重為：1×10-5N/mm3，休止角為38°的煤約20萬t。

槽倉位于黃土地層，倉底位于地下水位以下，地層含有紅土軟弱夾層。在場地內存在一走向北東—南西向的基巖陡坎面，基巖陡坎面以西基巖埋深較淺，以東基巖埋深較深，而基巖變化與天然斜坡坡形變化趨勢一致，故倉體分為挖方段和填方段兩部分，挖填方分界線為基巖面變化的分界線[13-16]。

1.2 地質條件

根據鉆孔揭露情況，場地地層自上而下主要有[17]：

⑦強風化泥巖(P1x)：灰色-黃灰色，泥質膠結，具薄層水平層理，上部風化裂隙發(fā)育，巖體破碎，風化后松散，遇水崩解，塑性較強，在該層中發(fā)育有NE及NW兩組節(jié)理裂隙。

2 模型的建立

對于槽倉這種復雜和大型的問題沒有現(xiàn)成的商用軟件，而PFEPG[18]是當前國內外唯一的并行有限元程序自動生成系統(tǒng)，本項目以PFEPG為開發(fā)和計算平臺，采用新的軟件開發(fā)模式，保證了槽倉大型三維有限元計算問題能夠在短期內完成。

為了保證有限元分析的精度和適應槽倉的模型，首先將整個復雜的槽倉模型劃分為很多簡單的子區(qū)域，將計算區(qū)域邊界上地層網格底部固定，作為參考計算平面，地層周邊邊界作為無窮遠邊界處理；黃土地層等土體采用八節(jié)點六面體實體單元模擬，根據固體力學彈性及塑性理論選用適當物理本構模型。鋼筋混凝土部分，如落煤筒、倉下暗道、兩側建筑擋墻等結構，也采用實體單元模擬，采用小變形彈性力學及塑性力學理論分析；錨桿、錨索、土釘等支護，由于使用方式為批量系統(tǒng)使用，故而采用等效剛度方法模擬，其中錨桿采用全程鉸接的小變形小應變桿單元理論模型，選用線彈性本構模型；錨索采用兩端鉸接中間非協(xié)調變形的桿單元理論模型，小變形小應變線彈性本構模型；土釘采用與土體協(xié)調變形的桿單元理論模型，計算本構模型為線彈性模型。

挖方段在地應力平衡的基礎上，做一次性開挖處理，采用巖土彈性塑性模型卸載。為減少程序編寫的工作量，卸載過程和填方過程采用同一計算本構模型。槽倉的開挖和填筑過程采用準靜態(tài)模型分四步模擬，黃土的開挖與支護效果則采用死活單元模擬。

最終依據工程地質資料采用圖形建模軟件GID建立計算幾何模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

3 三維數值模擬結果與分析

在計算中，開挖與回填均分四步完成，每一步開挖都是在前一步計算的基礎上進行，初始地應力下的位移變形與應力分布情況如圖2—圖5所示。

圖2 初始地應力下重力方向變形等值線圖

圖3 初始地應力下南北水平方向變形等值線圖

圖4 初始地應力下重力方向橫剖面處變形等值線圖

圖5 初始地應力下南北方向橫剖面處變形等值線圖

重力方向整體變形發(fā)生在-28.253mm到12.745mm之間，而南北水平方向的變形發(fā)生在-11.294到11.836mm之間。整體上看，初始網格變形量不大。

3.1 挖方段計算結果

限于篇幅，本文僅給出了最后一步即第4步開挖結束時開挖區(qū)重力方向和南北水平方向變形等值線，如圖6、圖7所示。

圖6 第四次開挖區(qū)重力方向變形等值線圖

圖7 第四次開挖區(qū)南北水平方向變形等值線圖

由圖6、圖7可知，開挖區(qū)豎向變形為正，表示地層開挖后基礎向上反彈。在本次分析計算中考慮施工過程與工序的影響，開挖分四次完成。每次開挖后，開挖邊坡向臨空面方向回彈，槽倉兩側壁處變形稍大，表示邊坡變形，兩側壁上部塌縮下部突出，最大回彈位移位于暗道底部。整體變形上為滑動趨勢。槽倉外側支護樁頂部臨時支護梁與暗道頂部橫梁有效抑制了邊坡水平位移，起到了加固的關鍵作用。

每次開挖后，地層會有少量向上反彈。從計算結果中可知開挖區(qū)背離落煤筒的地方向上反彈幅度更大，而靠近落煤筒處開挖過程中變形則相對較小。此外，歷次開挖結果圖表明，挖方區(qū)邊坡開挖過程中，邊坡向臨空面方向滑移，開挖到設計邊坡坡腳時，最大位移位于邊坡坡腳處；繼續(xù)開挖，最大位移處即向下轉移，集中在外側支護樁與左側護壁樁之間。在南北方向的水平其變形幅值不超過為3.5cm，相對整個模型的尺度來說，不易發(fā)生邊坡滑塌問題，由于不考慮地層暴露力學性質的改變，整體開挖區(qū)域有少量回彈，與建筑物接觸處變形量可不計。

槽倉開挖加固后，應力場發(fā)生重新分布，塑性區(qū)位于槽倉暗道底部、暗道頂梁與外側支護樁之間、邊坡坡腳與外側支護樁連接處附件，這些地方是支護設計的重點加固部位，應引起高度重視。

3.2 填方段計算結果

限于篇幅，本文僅給出了最后一步(第4步)回填結束時回填區(qū)重力方向和南北水平方向變形等值線，如圖8—圖11所示。

圖8 第四次回填后重力方向變形圖

圖9 第四次回填后南北水平方向變形圖

圖10 第四次回填后重力方向橫剖面處變形圖

圖11 第四次回填后南北水平方向橫剖面處變形圖

由圖8—圖11可知，填方區(qū)邊坡施工過程中，每次回填都認為是在前次回填穩(wěn)定的基礎上進行，只計算本次回填的沉降和荷載增量對前面回填底層的影響。從歷次回填的計算結果看，隨著填方一層一層固結完畢，水平位移和豎向位移均逐漸增大，但發(fā)生的變形主要以重力方向的變形為主，較大的垂直變形主要發(fā)生在靠近邊坡朝里的一側，坡腳與暗道左側護壁樁底部出現(xiàn)應力集中，并表現(xiàn)出較大水平位移。但每次回填的最大下沉量在5～7cm之間，邊坡在南北水平方向的變形也相對較小，變形幅值不超過1.5cm。

此外在回填過程中，邊坡表層出現(xiàn)部分塑性區(qū)域，表明邊坡表層土體可能會出現(xiàn)淺層滑動，需要進行表層土體的加固防護?；靥钔僚c原狀土連接段及回填土底層部分亦出現(xiàn)塑性區(qū)，表明施工中在該區(qū)域需做好不同土質的壓實銜接。

4 與實測結果比較

為了進一步說明三維并行有限元計算方法的準確性，本文將數值計算結果和現(xiàn)場實際監(jiān)測數據進行了比較，對比結果見表1。

表1 數值模擬與實際監(jiān)測值結果比較 mm

通過計算數據與監(jiān)測數據的比較，槽倉最終累計垂直和水平變形值均較實際監(jiān)測數據值大。其中水平變形值相差較小，誤差率僅6.89%～9.97%；垂直變形值相差雖較大，但總體趨勢基本相同，均滿足工程需要。

此外，監(jiān)測數據反映槽倉的水平變形值較小，說明整個槽倉在施工期間是穩(wěn)定可靠的，沒有發(fā)現(xiàn)任何異常突變，也說明槽倉在開挖期間在一定程度上沒有引起水平位移的變化。而槽倉的垂直變形值較大，說明槽倉的開挖對垂直位移監(jiān)測點有一定影響，但這種影響在安全范圍之內。

5 結 論

1)利用有限元法進行槽倉開挖回填過程的數值模擬研究是切實可行的，模擬分析得到的數值結果滿足工程以及理論上的基本要求，與實際工程測量結果大致吻合。

2)基于數值模擬結果，開挖段每次開挖后，地層會有少量向上反彈。當第四次完成后，槽倉兩側壁處變形稍大，表示邊坡變形，兩側壁上部塌縮下部突出，整體變形上為滑動趨勢。此外，挖方區(qū)邊坡開挖過程中，在南北方向的水平變形幅值不超過為3.5cm，滿足工程需要。

3)基于數值模擬結果，回填段每次回填后，發(fā)生的變形主要為重力方向的變形，南北水平方向的變形相對較小，較大的垂直變形主要發(fā)生在靠近邊坡朝里的一側，每次回填的最大下沉量在5～7cm之間。南北水平方向的變形幅值不超過1.5cm，滿足工程需要。

4)開挖回填完成后，槽倉結構的最大變形發(fā)生在槽倉東側提升間結構的上端和下端。在上端變形顯示為向外膨脹，而在下端為對內擠壓，不過整體來看變形幅度均不大，最大變形1.7cm左右，滿足工程需要。