大面積堆載等效為面荷載可行性研究

王先軍

0 引言

在實際工程中,大面積堆載場地(如煤倉、礦石倉庫等)承受堆載較大,地基相對較軟,一般要進行地基加固處理。采用有限元法研究地基加固方案施加堆載時,常常會遇到如下問題:1)堆載體(如煤、礦石等)本身是一種顆粒材料,力學性能指標相對較低,計算收斂難度較大;2)模擬堆載體與擋墻、土層基礎之間的相互作用,使計算模型變得復雜且難以收斂;3)采用結構體模擬堆載實體會大幅度提高有限元網(wǎng)格規(guī)模和計算機硬件要求?；谝陨峡紤],研究者一般將堆載等效為面荷載施加在地基上,然而堆載體自身是有變形的,在地基沉降不均勻的情況下會產(chǎn)生一定程度的流動,因此地基的實際受力情況與將堆載體等效為面荷載施加是有所差異的,這種差異對加固方案的研究成果也會產(chǎn)生影響。本文以某火電廠大型煤倉設計為例,將堆載體分別采用結構體和面荷載進行模擬,通過兩種方案的結果研究對大面積堆載等效為面荷載的可行性進行了探討。

1 工程概況

某火力發(fā)電廠大型煤倉,半徑為46.5 m,擋墻內(nèi)側(cè)處堆煤高度18 m,場內(nèi)最大堆煤高度為28 m,距擋墻內(nèi)側(cè)15.95 m,屬于典型大面積堆載情況。堆載場地土層由上往下依次為:①粉土(厚6m);②粉質(zhì)粘土(厚 17 m);③粉質(zhì)粘土夾砂(厚6m);④礫含姜結石(厚7 m);⑤強風化花崗巖(未揭穿)。場地土軟土層厚為36m,且含水率大,根據(jù)工程經(jīng)驗,決定采用托板—管樁復合地基進行處理,承臺下采用鉆孔灌注樁。

2 三維有限元計算

2.1 本構模型、材料模擬及邊界條件

樁和托板均為C80混凝土材料,承臺、擋墻和灌注樁為C30混凝土材料,均采用線彈性本構模型;土層及堆載體采用理想彈塑性模型,屈服準則采用符合關聯(lián)流動法則的Druker-Prager屈服準則;土層與托板、土層與管樁、土層與碎石墊層,土層與灌注樁之間的相互作用采用接觸單元模擬,接觸法向不允許相互滲透,切向考慮摩擦,可以相對滑動,其滑動摩擦系數(shù)取為恒定值0.25。

承臺、擋墻、堆載體及土層周側(cè)面施加垂直面位移約束,土層底部施加豎向位移約束,此外承臺與擋墻施加水平向位移約束。

2.2 材料參數(shù)

計算所用材料參數(shù)如表1所示。

2.3 計算方案

計算方案一:將堆載體等效為面荷載施加;計算方案二:將堆載體作為結構體施加。其他計算條件均相同。

表1 材料參數(shù)表

3 計算結果分析

為了研究堆載等效為面荷載對設計成果的影響,本節(jié)對兩種方案計算得到的土層位移、灌注樁內(nèi)力等結果進行了對比分析。

3.1 土層位移分析

兩種計算方案得到的最大水平位移和最大豎向位移見表2。

表2 土層水平和豎向位移最大值

由表2可以看出,兩種方案計算得到的水平向最大位移值僅相差0.01mm,均發(fā)生在樁底部土層,可見荷載等效對土層的最大水平位移影響不大;對于豎直向位移最大值,雖然發(fā)生的位置基本相同,但方案二計算出來的豎直向最大位移值較方案一減小了大約16.3%。從地基的最大沉降量看來,采用方案一將堆載體等效為面荷載研究地基加固方案偏于安全。

3.2 沉臺底下灌注樁的內(nèi)力

兩種方案計算得到的灌注樁內(nèi)力值如表3,表4所示。

表3 灌注樁最大彎矩值

由表3,表4可知,相對于方案一而言,方案二計算得到的灌注樁內(nèi)側(cè)和外側(cè)的最大彎矩值以及內(nèi)側(cè)的負摩擦阻力均有所下降,其中內(nèi)側(cè)和外側(cè)的最大彎矩值降低了近18.7%,而且灌注樁內(nèi)側(cè)彎矩最大值的發(fā)生位置也有所變化;但內(nèi)外側(cè)樁頂軸力與最大軸力卻有一定程度提高,內(nèi)側(cè)樁頂軸力由方案一的拉力轉(zhuǎn)為壓力,這是因為堆載體的模擬對擋墻產(chǎn)生了向下的摩擦作用,在承臺與場地土交接處產(chǎn)生了剪切錯動,從而將場地土上方堆載體的一部分自重轉(zhuǎn)移到承臺上,增加了樁頂壓力,使內(nèi)側(cè)樁頂軸力由方案一計算得到的拉力變?yōu)閴毫Α？偟膩碚f,在灌注樁或地基承載力足夠的情況下,采用方案一的等效方案也是可以得到偏于安全的設計方案的。

表4 灌注樁軸力值和負摩擦阻力值

4 結語

通過對比分析兩種方案計算得到的結果可以得到如下結論:將堆載體等效為面荷載,堆載場地沉降最大值以及灌注樁內(nèi)外側(cè)最大彎矩值和內(nèi)側(cè)的負摩擦阻力均有一定程度增加,但灌注樁內(nèi)外側(cè)樁頂軸力和最大軸力卻有所減小,因此在灌注樁和地基承載力足夠的情況下,將堆載體等效為面荷載對于地基加固研究是偏于安全的,將堆載體等效為面荷載也是可行的。

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