复杂地质条件下储煤场PHC群桩加固方案研究

梁 庞

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，河南 平顶山 467000)

0 引言

虽然近年来我国加大了清洁能源的建设力度，但火电依然是我国电力能源的主要供应方式。火电生产需要大量的煤炭资源，为了适应环境保护的需要，对储煤场的建设要求也越来越高，朝着规模更大、参数更高的方向发展，因此，当代储煤场具有直径大、堆煤高、桩基受力复杂的特点[1-4]。储煤场的挡土墙不仅要受到自身上部结构和堆煤荷载的作用，还会受到下部地基土变形对桩基产生的侧压力，如若处置不当，就会造成挡煤墙出现沉降变形或者倾倒破坏，对于储煤场的长期运营安全具有重要影响。当前，挡煤墙的主要处理方式是进行多排桩基处理，但是由于多排桩基布置又会导致前后排桩受力出现较大差异，也很可能出现排桩局部受力变形过大而破坏的风险[5-11]。

沿海冲积平原地区，地质构造较为复杂，分布着较厚的软土地层，在此区域修建大型储煤场，需要对软土地基进行特殊的加固处理。而预应力高强混凝土管桩(PHC管桩)是处理软弱地基最常用的方法之一，具有承载力高、施工速度快、环境污染小等诸多优点[12-13]。因此，本文对软弱复杂地质条件下多排群桩的受力和变形特性开展专项研究，以期能为工程设计、施工提供参考。

1 工程概况

沿海某市一火电厂拟新建一座工业储煤场，煤场位于河流入海口冲积平原的前缘，地质条件较差，主要为粉土、细砂、黏性土等软弱地层，在软弱地层之下分布有强度较高的砂性地层，地基土在水平和垂直方向的差异不明显，层位及厚度均相对稳定。煤场设计为圆形构造，上部结构为网架结构，下部结构为整体式挡煤墙，煤场基础拟采用预应力钢筋混凝土管桩(PHC)+桩基承台环形基础的形式进行加固，承台设计埋深3～4 m，PHC桩的混凝土设计强度为C80。为了改善地质条件，在原地基之上进行了大面积的吹填，吹填厚度约为5 m。拟建储煤场地基土基本情况见表1。

表1 储煤场地基土物理力学基本参数

2 群桩布设方案

根据现场地质勘查情况，储煤场地基持力层位于地下约42 m处，而桩基承台设计埋深为3～4 m，因此，承台之下PHC桩的长度应为38～39 m。为了使储煤场群桩基础受力变形更加合理，设计了两种群桩布设方案(图1)。

方案具体情况：

方案一(三排桩布设方案)：储煤场内排桩距离中心半径为48.59 m，外排桩距离中心半径为52.79 m。储煤场埋深设计值为3.5 m，挡煤墙的高度为17.5 m，采用变截面形式布置，从上至下逐渐由0.9 m增加至1.1 m厚，环梁的宽度和厚度分别为2.34 m和1.0 m，承台高度为2.5 m，宽度为6 m，承台下PHC预应力管桩长度为38.5 m，桩径为0.6/0.13 m，沿径向3排布置，PHC管桩桩间距为2.1 m，环向间距设计为2.5°。

方案二(四排桩布设方案)：储煤场内排桩半径为46.3 m，外排桩半径为53.5 m。储煤场的埋深设计值为3 m，挡煤墙的高度仍为17.5 m，也采用变截面形式布置，从上至下逐渐由1.0 m增加至1.3 m厚，环梁的宽度和厚度分别为3.8 m和1.0 m，承台高度为2.0 m，宽度为8.4 m，承台下PHC预应力管桩长度为39 m，桩径为0.6/0.13 m，沿径向4排布置，PHC管桩桩间距为2.4 m，环向间距设计为3°。

图1 群桩布设方案

3 有限元计算模型

3.1 有限元模型

为对比两种群桩布设方案的优劣，选出最合理的布桩方式，拟采取数值分析方法进行模拟分析。数值模拟的范围：沿煤场径向方向取75 m，沿煤场深度方向取60 m，环向圆心角取值为10°。有限元本构模型采用Drucker-Prager 模型来模拟PHC桩-土之间的相互作用力，PHC桩与周围土体采用刚体(PHC桩)-柔体(土体)接触形式的面-面接触单元，桩体选用Targel69单元，土体选用Contal74 单元，接触单元选用Targel70接触单元。建立的有限元模型示意图(图2)。

图2 有限元模型

3.2 荷载及边界条件

荷载条件：PHC桩受力较为复杂，主要包括结构自重、堆煤体产生的水平力以及地下土体变形产生的侧压力。根据工程经验，堆煤体的质量密度可设定为1100 kg/m3，从距离场中心4 m处开始堆积，堆煤体的最大高度为27.5 m，位于堆煤场场中心距离约35 m处，在挡煤墙处，堆煤体高度为16.5 m，堆煤倾角大约为38°，将堆煤体侧压力系数取值为0.5。网架传给环梁支点的竖向力和径向水平力分别为370 kN和48 kN。

边界条件：沿桩基环向布设方向对土体施加左右环向对称约束，同时对土体前后两侧施加径向变形约束，对土体底部施加全约束。在桩基施工之前，场地土体已经完成固结，因而在模拟计算时，需要先将桩基和承台单元固定，使地基土在自重荷载作用下保持位移为0，待地基土完成自地应力平衡后，再施加堆煤体荷载，从而计算桩-土受力和变形。

3.3 土层参数修正

为进一步简化计算过程，根据土体性质将地基土体划分为吹填土、粉质黏土和砂土三层，经简化过后的土体需要进行土层参数优化，调整后的各土层参数见表2。根据调整后各土层参数，在现场进行了单桩试验，并与室内有限元模拟值进行对比，结果见图3。由图3可见，随着荷载增加，水平位移和竖向位移近似呈线性增长，采用优化后的土层参数进行计算分析，水平位移数值模拟结果与单桩试验结果相差不明显，平均误差值仅为9.6%，竖向位移数值模拟结果与单桩试验结果基本一致，平均误差值仅为7.7%，表明优化之后的土层参数与实际情况基本符合，模拟计算结果合理可信。

表2 土层简化后基本物理力学参数

图3 数值模拟与单桩试验结果对比

4 布桩方案数值模拟对比

4.1 水平剪力

模拟得到的两种群桩布设方案下的水平剪力随桩身长度的变化特征见图4。由图4可知，不论是三排桩还是四排桩布设，水平剪力最大值均出现在桩顶附近，且内排桩的水平剪力大于外排桩的水平剪力；三排桩时，桩顶和桩底受到的是反向水平剪力，而四排桩时，第一、二排桩桩顶受到的是反向水平剪力，而第三、四排受到的是正向水平剪力，桩底均为反向水平剪力；随着桩身长度(埋深)的增加，桩体受到的水平剪力逐渐减小并稳定在10 kN～20 kN，当桩身长度达到10 m之后，三排桩和四排桩的水平剪力值基本相等，这表明排桩布设形式对桩体水平剪力的影响较小。

图4 水平剪力模拟结果

4.2 轴向受力

模拟得到的两种群桩布设方案下的轴力随桩身长度的变化特征见图5。由图5可见，在三排桩布设情况下，第一、第二排桩的轴力随着桩身长度的增加呈先增大后减小的变化特征，最大轴力出现在桩体约20 m处，分别为2100 kN和1780 kN；第三排桩轴力随着桩身长度的增加而逐渐减小，在10～25 m深度下，轴力比较均衡，约保持在1650 kN。在四排桩布设方案下，第一、二排桩的轴力也呈先增大后减小的变化特征，最大轴力均出现在20 m深处，分别为2475 kN和1820 kN，而第三、四排桩的轴力则是呈逐渐减小的变化趋势，并且在10～30 m时，轴力保持较为均衡，且分别保持在1510 kN和1250 kN附近。三排桩桩顶受力分别为1275 kN、1425 kN和1940 kN，四排桩桩顶受力分别为1220 kN、1490 kN、1640 kN和1500 kN，从受力情况来讲，四排桩的轴向受力更加均衡，三排桩的布置形式较为不利。

图5 轴力模拟结果

4.3 桩身弯矩

模拟得到的两种群桩布设方案下的桩身弯矩随长度的变化特征见图6。由图6可见，不论是三排桩还是四排桩，最大弯矩均出现在桩顶或者表层(吹填土层)。在三排桩布设方案下，最大桩身弯矩都出现在桩顶处，第一、二、三排桩的桩顶弯矩分别为185 kN、118 kN和70 kN；在四排桩布设方案下，第一、二排桩的最大弯矩出现在桩顶处，分别为131 kN和70 kN，第三、四排桩的最大弯矩出现在桩身长度约10 m处，最大弯矩分别为55 kN和45 kN。从桩身弯矩情况来看，三排桩布置形式较为不利。

图6 弯矩模拟结果

4.4 水平位移

模拟得到的两种群桩布设方案下的水平位移随桩身长度的变化特征见图7。由图7可见，随着桩身长度的逐渐增加，桩体水平位移呈先增大后减小的变化特征，外排桩的水平位移小于内排桩的水平位移，最大水平位移均出现在吹填土和粉质黏土的交界处(约15 m深处)，这是因为两个地层之间的交界面胶结联结力较弱，在受力作用下易产生变形。在三排桩布设方案下，最大水平位移分别为42 mm、37 mm和32 mm；在四排桩布设方案下，最大水平位移分别为39 mm、34 mm、29 mm和24 mm。根据《建筑桩基检测技术规范》(JGJ106-2014)中的相关规定[14]，在软土地基中，当桩身水平位移超过40 mm时，会造成桩基发生失稳破坏。因此，从水平位移模拟结果可知，三排桩第一排桩很可能会发生桩基破坏，故而此种布设方案不利。

4.5 方案对比

从两种布设方案的群桩受力变形可知，三排桩布设方案轴向受力和桩身弯矩更大，且第一排桩最大水平位移超过40 mm，容易导致桩体发生破坏；与此同时，在非饱和土体中，工程中常用的最小桩中心间距为4倍桩体直径，本工程PHC桩体直径为0.6 m，因此，理论上最小桩间距应为2.4 m，因此，从各项因素对比来讲，选取四排桩布设方案较为合理。

图7 水平位移模拟结果

5 应用效果

由于储煤场位于沿海软弱地基上，因此设计采用PHC管桩对其进行加固处理，PHC管桩相对于其他处理方式，具有沉降小、单桩承载力高、桩身混凝土强度等级高、抗弯性能良好、能适应复杂的地质条件、施工速度快工期短、检测方便、地区适应性强、对环境污染小、成桩质量可靠、施工质量易控制等诸多优点。通过计算分析，最终确定了四排桩的布设方案进行施工，在施工过程中，在距离桩顶每隔3 m预埋测斜仪，通过测斜仪观测桩基水平位移。施工结束后，测得地基最大竖向沉降值为13.5 mm，出现在第一排桩基承台附近，最大水平位移为6.2 mm，出现在距桩顶约 30 m的桩基附近。煤场堆满煤岩后，地基最大沉降值为127.3 mm，出现在堆煤区域的最高点附近；最大水平位移35.2 mm，出现在桩基下约15 m处。通过现场应用效果可知，采用四排PHC管桩方案对该煤场进行地基加固合理可行。

6 结语

1)土体参数对桩基受力和变形有较为重要的影响，因此，在利用有限元对两种布桩方案进行模拟计算前，需要对土层参数进行简化和修正，经修正后的水平位移与竖向位移值与单桩试验结果基本吻合，平均误差均控制在10%以内。

2)三排桩布设方案轴向受力和桩身弯矩更大，且第一排桩最大水平位移超过规范40 mm的限值，容易导致桩体发生破坏，同时考虑到非饱和土体中桩间最小间距要求，最终决定采用四排桩布设方案进行地基加固。

3)经PHC管桩加固后，地基最大竖向沉降和水平位移分别为13.5 mm和6.2 mm，堆满煤岩后，最大竖向沉降和水平位移分别为127.3 mm和35.2 mm，均满足工程规范要求。