煤场大面积堆载作用下CDM保护桩的效果分析

闫华林

（中国华电科工集团有限公司，北京 100160）

0 工程背景

越南某燃煤电站工程，电厂厂址位于入海口的滨海地带。场地土层相关参数如表1所示，软土层分布范围广，厚度大，煤场区域采用真空-堆载联合预压[1-4]。整个煤场设置两个全封闭式干煤棚，如图1所示。单个干煤棚宽138 m×长264 m，干煤棚剖面如图2所示。堆煤最大高度为16.5 m，煤重度按10 kN/m3考虑。干煤棚采用桩基础，PHC预应力高强混凝土管桩直径600 mm，桩长约40 m。

图1 封闭式干煤棚Fig.1 Closed dry coal shed

图2 干煤棚剖面Fig.2 Dry coal shed section

表1 土层相关参数Table 1 Soil layer related parameters

为满足桩基础 PHC桩的抗弯承载能力要求，设计采取了保护措施，即在干煤棚内侧和斗轮机基础两侧设置水泥搅拌桩列（后称CDM桩）对PHC桩身进行保护，CDM 桩直径 1 000 mm，桩长约30 m。CDM桩采用专用矿渣水泥，水泥掺入量14%，无侧限抗压强度为1 MPa。

1 数值计算

为研究堆载对CDM保护桩及PHC桩的影响，主要进行两种工况分析，工况1：未设置CDM桩的整体分析；工况2：设置CDM桩的整体分析。通过两种工况的分析，量化CDM桩对PHC桩的保护作用。

计算采用PLAXIS 3D，建立三维分析模型，如图3所示。从图4和图5可看出干煤棚PHC桩和CDM 保护桩之间的几何关系。CDM 桩中心距离PHC桩承台中心3.25 m。

图3 三维模型Fig.3 3 D model

图4 干煤棚桩基础局部布置图Fig.4 Partial layout of pile foundation of dry coal shed

图5 地基剖面1-1图Fig.5 1-1 section profile of the foundation

1.1 计算分析

以未设置CDM桩的工况1进行分析为例，得到沉降量如图6所示，PHC桩身弯矩图7所示。

图6 沉降量Fig.6 Settlement distribution

图7 PHC桩身弯矩Fig.7 PHC pile bending moment

1.2 计算汇总

煤场区域沉降量为747.6 mm，对比工况1和工况2，干煤棚PHC桩弯矩如表2所示。

表2 PHC桩弯矩值Table 2 PHC pile bending moments kN·m

计算结果可看出增设CDM保护桩，PHC桩身弯矩得以减小，减小约12%，使其设计值低于桩身极限弯矩。通过CDM保护桩使得深层地基土体的承载力得到充分发挥，CDM桩及CDM桩与PHC桩之间的地基土通过直接和间接参与的方式与PHC桩基础一起分担上部结构荷载和煤堆荷载，是桩土共同作用的效果[5]。

2 模型试验

模型试验场地为离心机试验室，布置如图8所示。根据干煤棚基础平面设计图，结合地层特点、模型箱尺寸、模型制作和边界条件等因素，选定模型比尺为 N=70。根据相似原理，模型采用原型混凝土材料将导致结构过于薄弱，按照等效刚度相似原则选取与原型密度、泊松比相近的材料。PHC桩采用铝合金材料进行替代，CDM桩采用ABS塑料板。试验模拟了 30年运行期内地基沉降和桩身弯矩等值。试验完成地基表面照片如图9所示。

图8 离心机试验室Fig.8 Centrifuge laboratory

图9 试验完成地基表面照片Fig.9 Foundation surface after test

2.1 地基沉降

图10为堆载区域内地基表层t-S曲线。沉降量在前5年增长较快，达到567.6 mm；25年后才开始趋于平稳，30年的整体沉降量约为852.9 mm。

图10 煤场堆载区域内地基表层t-S曲线Fig.10 Settlement curve of foundation surface in coal field storage area

2.2 PHC桩弯矩

图11所示各桩的桩身弯矩整体呈增长趋势，前5年增长速度较快，25年后基本趋于稳定。桩身弯矩形态呈S型分布，30年后的弯矩最大值位于桩体中部，约为373 kN·m。

图11 PHC桩身弯矩曲线图Fig.11 Bending moment curve of PHC pile

3 数值分析与试验结果的比较

离心模型和软件计算的数据结果有所差异如表3所示。

表3 软件模型和模型试验的结果Table 3 Results of numerical models and centrifuge tests

由于桩基础及承台模型加工工艺的限制，模型试验的承台和基础采用刚性连接的方式，而实际施工采用接近于铰接的方式。另外试验加载的方式，导致软件计算和模型试验的结果有所差异。

4 结 论

（1）通过数值计算和模型试验两种不同的研究方式，探究CDM保护桩的桩土共同作用机理，CDM桩及CDM桩与PHC桩之间的地基土与PHC桩基础一起分担上部结构荷载和煤堆荷载。桩-土体的相互作用与桩、土的相对刚度相关。

（2）CDM桩如同是在PHC桩前的一道屏障，承受和消散部分荷载，待CDM桩破坏后，由PHC桩截面抗拒和土抗力来承担水平荷载。