堆煤软土场地中群桩体系工作性能的数值分析

王 腾，席爱斌，崔春义，孟 坤，梁志孟，邢国雷

1)大连海事大学土木工程系，辽宁大连 116026；2)国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095

随着现今社会对环境保护的关注度日益提升，中国不断增强对环境保护的重视，越来越多的大型火力发电厂的储煤场地采用全封闭式处理. 为满足煤场内部作业和储煤量要求，储煤场结构需要足够的跨度和高度. 此外，为满足地基承载力要求，这种大跨度和高度储煤场结构多采用群桩基础形式. 在软土场地中修建大型储煤场结构，由于堆煤荷载形式和软土场地特性，软土场地-群桩相互作用体系受力变形特性较为复杂. 因此，研究堆煤荷载作用下软土场地中群桩基础受力变形特性具有重要的实际意义和工程应用价值. 近年来诸多学者做了大量研究. 李志伟[1]利用平面应变有限元模型，采用硬化土本构模型，对软土地基中堆载作用下桥梁桩基侧向偏位进行了研究. 吴有霞等[2]对软土场地-群桩体系进行三维有限元建模，分析了在大面积堆载情况下临近桩基对土体位移变形产生的影响. 张琰等[3]对处于沿海软土基础的桩基进行了竖向抗压等力学实验，得到挤扩支盘桩基的力学响应规律.郭志广等[4-5]采用反分析法给出了目标函数的确定方法，探讨了桩基的荷载-沉降关系曲线. 彭龙仕等[6]采用PLAXIS 8.2软件，分析了新建于软基上高速公路的堆载对现有桥梁桩基的影响作用规律. WU等[7]采用FLAC3D软件，对建于软土基础上的高速公路进行群桩的实验和数值分析. 陈福江等[8]对铁路桥梁软土基础的桩基进行竖向位移检测，并将实测结果与规范算法进行比对. 丁任盛[9]通过开展现场原位试验，对深厚软土地基堆载对桩基影响规律进行研究. SHARAFI等[10]分析了边坡桩基在地面荷载作用下的动力效应. 郑明新等[11]基于ABAQUS数值分析平台，采用Drucker-Prager本构模型，分析了台后填土对桩基受力及变形的影响规律. 赵文强等[12]通过开展软土路基砂砾桩现场试验，研究了砂砾桩对处理高速公路软基的效果的影响因素. 周小文等[13]针对膜袋围堰堆载的特性，进行了软土基础的模型试验和数值计算分析，给出了新的软基破坏分辨性. CAI等[14]研究了桩基堆载作用对桩侧向位移的影响. 但上述研究未考虑桩的尺寸效应. 为进一步探讨堆煤荷载作用下软土场地中群桩基础桩身内力及变形规律，本研究基于堆煤荷载作用下的软土场地-群桩基础体系有限元分析模型，考虑地基土非线性，进行了既定煤场堆载工况下考虑桩土相互作用的软土场地-群桩体系二维有限元数值分析， 进一步探讨堆煤荷载作用下软土场地中群桩基础桩身内力及变形规律.

1 工程概况

封闭条形储煤场最大堆煤高度为12 m，封闭煤场跨度为160 m，纵向长176 m，采用螺栓球节点的双层柱面网架结构. 钢筋混凝土柱顶标高(网架支座底标高)1.2 m. 条形封闭煤场剖面图如图1.

图1 条形封闭煤场剖面图(单位：mm)Fig.1 The section of closed coal field(unit：mm)

场地地层岩性主要由素填土、淤泥、黏土和泥岩4层组成. 各地层岩性及主要计算参数如表1. 其中，Es为弹性模量；v为泊松比；c为内聚力；φ为内摩擦角；fpk为黏结强度特征值.储煤场群桩布置如图2. 根据场地的地层分布、地层岩性、埋深和各层土的物理力学性质及各项原位测试结果，第4层强风化泥岩为桩端持力层. 承台桩位布置如图3.

表1 地层岩性及计算参数Table 1 Soil parameters of coal field

图2 储煤场群桩布置图(单位：mm)Fig.2 The layout of pile groups(unit：mm)

图3 承台桩位布置图 (单位：mm)Fig.3 The layout of pile position (unit：mm)

2 有限元模型

2.1 参数选取

1)桩身、承台及基础短柱材料为C30混凝土，采用线弹性本构模型. 混凝土弹性模量取32.5 GPa，泊松比为0.2，密度为2 500 kg/m3.

2)桩周土体采用Mohr-Coulomb本构模型，具体参数按表1选取.

3)土-桩界面采用罚函数法设置接触，摩擦系数取0.3.

2.2 有限元模型

2.2.1 几何模型

煤场呈长方形分布，建模过程中根据现场勘查报告，依据典型勘探孔点地层信息，桩外侧土体取40 m，土体底部约束竖向和侧向自由度，土体两侧只约束侧向自由度，土-桩有限元模型如图4.

2.2.2 初始地应力场模拟

为使数值分析时场地获得一个存在的初始应力场，而无初始变形状态，首先对自重作用下场地进行计算，获得初始应力场数据，然后将该数据导入模型中，获得自重作用下相互平衡的初始应力场.

图4 桩-土数值计算模型Fig.4 (Color online) Numerical model of pile-soil

2.2.3 加 载

平衡初始应力后，上部结构传递荷载，按均布荷载的形式施加到基础短柱上. 堆煤荷载则按照实际的堆煤曲线简化为梯形荷载，施加到土体表面．

3 计算结果分析

3.1 桩身位移分析

桩身竖向位移等值云图如图5. 由图5可知，左侧边桩竖向位移最大值为83.2 mm，最小值为-59.1 mm(位移正负以建模坐标方向为准)；右侧边桩竖向位移最大值为27.8 mm，最小值为-21.1 mm；中桩竖向位移最大值为-8.0 mm，最小值为-9.3 mm. 由于左侧土体淤泥质土层较厚，左侧边桩竖向位移较中桩和右侧边桩竖向位移幅值水平显著.

桩身水平位移云图如图6. 由图6可见，左侧边桩的正向和负向水平位移最大值分别为23.2 mm和-510.4 mm，右侧边桩的正向和负向侧向位移最大值分别为156.4 mm和-3.4 mm，中桩的正向和负向侧向位移分别为7.1 mm和-0.2 mm. 由于左侧土体淤泥质土层较厚，使得左侧边桩在较大的土体挤压作用下产生很大的侧向位移. 中桩在两侧堆煤荷载作用下，土体挤压作用相互抵消，使得中桩侧向位移幅值水平较低.

图5 桩身竖向位移云图Fig.5 (Color online) Contours of vertical displacement of piled caps

图6 桩身水平位移云图Fig.6 (Color online) Contours of horizontal displacement of piled caps

3.2 桩身内力分析

桩身轴力沿埋深分布如图7(拉力为正值，压力为负值). 由图7可见，左侧2号桩、3号桩和右侧1号桩(桩身按自左至右编号，下同)在堆煤荷载作用下产生较大的拉力，拉力最大值为309 kN，发生在左侧3号桩. 左侧边桩轴力沿桩身埋深分布趋势与右侧边桩一致，且由于左侧淤泥质土层较厚使得左侧边桩轴力水平较右侧边桩高. 中桩在两侧堆煤荷载作用下仅受到压力作用未出现拉力，受力状态较为安全.

桩身剪力分布如图8. 由图8可知，左侧边桩剪力最大值为308 kN，发生在左侧3号桩；右侧边桩剪力最大值为262 kN，发生在右侧1号桩；中桩剪力最大值为212 kN，发生在中桩1号桩. 左侧边桩剪力沿桩身埋深分布趋势同右侧边桩一致，且由于左侧淤泥质土层较厚使得左侧边桩剪力值较右侧边桩略大. 中桩1号桩和2号桩剪力基本呈对称分布，且中桩1号桩剪力水平较中桩2号桩高，同样是由于左侧淤泥质土层较厚导致.

桩身弯矩沿埋深的分布如图9. 由图9可知，左侧边桩弯矩最大值为518 kN·m，发生在左侧3号桩；右侧边桩弯矩最大值为603 kN·m，发生在右侧1号桩；中桩弯矩最大值为184 kN·m，发生在中桩1号桩. 左侧3号桩弯矩反弯点明显比右侧3号桩身弯矩反弯点埋深大，且反弯点所在位置与淤泥质土层分布位置一致. 中桩1号桩和2号桩弯矩基本呈对称分布，且由于左侧淤泥质土层较厚，使得中桩1号桩弯矩水平较中桩2号桩高.

图7 桩身轴力沿埋深的变化情况Fig.7 (Color online) Variations of axial force of piles with depth

图8 桩身剪力沿埋深的变化情况Fig.8 (Color online) Variations of shearing force of piles with depth

图9 桩身弯矩沿埋深的变化情况Fig.9 (Color online) Variations of ending moment of piles with depth

3.3 桩身应力

桩身混凝土应力分布云图如图10. 由图10(a)可见，左侧边桩桩身拉应力最大值为5.37 MPa，发生在堆煤侧3号桩底端，其他部位拉应力水平均较低. 由图10(b)可见，右侧边桩拉应力最大值为6.06 MPa，发生在堆煤侧1号桩底部，其他部位所受拉应力值均较小. 左侧边桩3号桩和右侧边桩1号桩最大拉应力超标，即在堆煤荷载作用下桩身靠近堆煤侧的桩基础由于较大拉应力的产生极易发生破坏. 由图10(c)可见，中桩最大拉应力值为1.45 MPa，未超过C30混凝土抗拉强度标准值，因此中桩桩身在堆煤荷载作用下偏于安全.

图10 桩身混凝土的应力分布云图Fig.10 (Color online) Stress contours of pile concrete

4 结 论

本研究通过建立堆煤荷载作用下软土场地-群桩基础体系有限元分析模型，分析了既定工况下软土场地群桩基础受力及变形规律，结果发现：

1)软土场地中，在堆煤荷载和上部结构荷载共同作用下群桩基础桩身侧向位移较大(最大值为510.4 mm)，无法满足桩身稳定性和变形要求.

2)群桩基础桩身产生较大拉力，左侧边桩和右侧边桩最大拉应力值超限，在较大拉力作用下桩身易发生破坏，无法满足承载力的要求.

3)建议针对软弱场地土层采取真空预压地基处理措施，并进行计算校核，使得软土场地-群桩相互作用体系达到承载变形要求.