堆煤荷載下軟土-群樁-承臺體系三維數值分析*

席愛斌，王 騰，崔春義，孟 坤，梁志孟，邢國雷

(1.國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095；2.北京工業大學 建筑工程學院，北京 100022；3.大連海事大學 土木工程系，遼寧 大連 116026)

儲煤場作為煤炭的主要儲存場地，經常出現堆載甚至超載現象.儲煤場地樁基礎在煤炭長期堆載作用下可能發生較大側向變形，使得樁身產生較大附加彎矩，從而對樁基承載能力及穩定性產生不利影響，尤其在軟土場地中此種堆載效應對樁基影響更為顯著.本文針對軟土場地中長期堆煤荷載作用下的樁基受力及變形特性進行研究，對于相關巖土工程設計及實踐具有重要的指導作用與參考價值.

國內外諸多學者針對堆載作用下樁基礎的受力變形進行了研究.王愷敏等[1]采用三維有限元方法研究了大面積堆載作用下負摩樁的受力與變形性狀，討論了不同接觸面對樁土沉降差、側移以及樁身軸力的影響，分析了大面積堆載作用下土體沉降、樁身軸力和彎矩的變化規律；李忠誠等[2]建立三維有限元模型針對實際工程堆載事故進行分析，對堆載作用下土體的側向位移模式進行了探討與總結；聶如松等[3]對樁排模型進行三維建模，土體采用摩爾庫倫理想彈塑性模型，提出三折線模型來模擬樁身撓曲變形；梁志榮等[4]通過建立三維數值模型，對地面超載條件下自由場土體側向位移模式進行了探討，得出了土體側向變形規律；吳瓊等[5]應用三維有限元方法對樁側堆載作用下的被動樁受力性狀進行了分析，研究了樁頂荷載對被動樁受力變形的影響；吳江斌等[6]建立大面積填土作用下橋梁樁基三維有限元分析模型，進行優化設計并對現場施工進行指導；胡建榮等[7]推導出考慮樁土相對位移的被動樁彈塑性差分計算格式，基于單樁分析理論，考慮了排架對樁頂的約束作用，同時考慮群樁效應，推導了帶排架排樁的彈塑性差分計算格式；孫曉東[8]通過具體工程實例，對大面積堆載作用下軟土地基變形進行了詳細計算與分析，并與復合地基處理后的地基變形量進行了對比；李志偉[9]利用平面有限元方法，土體本構采用硬化土模型，對軟土地基中堆載作用下橋梁樁基側向偏位進行了研究；吳有霞等[10]對樁基-土體進行三維有限元建模，分析了在大面積堆載情況下臨近樁基對土體位移變形產生的影響.

由于以往計算理論和硬件條件的限制，已有國內外研究成果中大多將軟土地基-群樁體系采用二維平面應變模型或采用簡化計算方法，從而不能真實地反應群樁基礎-軟土地基體系的三維空間效應和受力變形非線性.本文基于已有國內外研究成果的特點，考慮樁-土動力相互作用影響，以馬來西亞某大型儲煤場為具體工程背景，通過建立可考慮空間剛度效應的堆煤荷載作用下軟土-群樁-承臺體系三維彈塑性數值模型，對既定場地群樁基礎方案進行受力變形分析和安全性評價.

1 工程概況與數值計算模型

封閉條形儲煤場最大堆煤高度為12.0 m，封閉煤場跨度為160 m，縱向長度為176 m，采用螺栓球節點的雙層柱面網架結構.鋼筋混凝土柱頂標高(網架支座底標高)1.2 m.條形封閉煤場剖面圖如圖1所示(單位：mm).

圖1 條形封閉煤場剖面圖Fig.1 Profile of strip closed coal yard

儲煤場樁基布置如圖2所示(單位：mm).根據場地的地層分布、地層巖性、埋深和各層土的物理力學性質及各項原位測試結果，確定第4層強風化泥巖為樁端持力層.

圖2 儲煤場樁基布置圖Fig.2 Pile foundation layout of coal storage yard

為考慮空間剛度效應，本文建立軟土-群樁-承臺相互體系三維數值計算模型，如圖3所示.根據場地勘察資料，選取淤泥質土層較厚斷面為最不利斷面，樁身編號如圖4所示.

樁身、承臺及基礎短柱材料為C30混凝土，采用線彈性本構模型，不考慮其開裂和塑性.依據勘察報告地層材料及相關工程經驗，樁徑取為900 mm，樁長取為22 m(根據持力層埋深選取).《建筑樁基技術規范》中規定對樁-承臺體系進行抗沖切、抗剪及受彎等計算時，需按照面積等效原則將圓形樁轉換為方形樁，等效后的樁基尺寸為800 mm×800 mm.混凝土彈性模量取為32.5 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3.

圖3 三維有限元分析模型Fig.3 Three-dimensional finite element analysis model

圖4 樁位布置圖Fig.4 Layout of pile locations

場地地層由第四系全新統人工填土(Q4s)、第四系全新統沼澤沉積層(Q4h)、第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)及第三系上新統(N)構成，巖性主要由素填土、淤泥、黏土、粉土、砂土、強風化泥巖、強風化粉砂巖、煤巖組成.場地計算域選取為：邊承臺外側取40 m，在煤場長度方向選取一個柱間距為8 m，場地底面及邊承臺外側均為固定約束，煤場長度方向為對稱約束.樁周土體采用摩爾庫倫本構模型，土體參數如表1所示.樁與樁周土體之間設置接觸，采用罰函數法，摩擦系數取為0.3，土體(較柔的面)為從面，樁(較剛的面)為主面.計算荷載包括上部結構荷載和堆煤荷載，在施加外荷載之前，首先對場地進行初始地應力平衡.上部結構傳遞的荷載(邊承臺上短柱豎向荷載810 kN，側向荷載520 kN，中承臺上短柱豎向荷載1 200 kN)按均布荷載的形式施加到基礎短柱上.堆煤荷載作用按下述方式進行簡化：取堆煤高度與堆煤重度(取1 800 kN/m3)相乘，得出堆煤壓力荷載.將簡化后的堆煤荷載(梯形荷載)按實際堆煤位置施加到土體表面.

表1 場地土計算參數Tab.1 Computation parameters for on-site soil

注：Es為彈性模量；c為粘聚力；φ為摩擦角；v為泊松比；fpk為承載力特征值.

2 計算結果與分析

在堆煤荷載作用下，左側邊承臺下樁基側向位移隨樁埋深變化如圖5所示.由圖5可知，在堆煤荷載作用下，由于軟土層產生較大變形，對樁基的擠壓作用明顯，進而使得樁身產生顯著側向位移，其中靠近堆煤側的P4、P5號樁側向位移最大，最大值達76.1 mm.

圖5 左側承臺樁身側向位移隨深度變化Fig.5 Variation of lateral displacement of pile bodies with respect of depth for left bearing platform

圖6為中承臺樁身側向位移隨深度變化.由圖6可知，中承臺下樁身同時受到儲煤場中心線兩側堆煤荷載作用，但因左側軟土層較厚使得中承臺下P6、P7號樁產生較大的正向水平位移，最大幅值約為10 mm.

圖6 中承臺樁身側向位移隨深度變化Fig.6 Variation of lateral displacement of pile bodies with respect of depth for middle bearing platform

在堆煤荷載作用下，左側邊承臺下樁身剪力隨樁埋深變化情況如圖7所示.

圖7 承臺下樁身剪力隨深度變化Fig.7 Variation of shear force of pile bodies under bearing platform with respect of depth

由圖7可知，堆煤荷載作用各樁基均產生較大的剪力增幅，其中左側邊承臺較中承臺剪力增幅更為顯著.左側邊承臺中近堆煤側P4、P5號樁樁身剪力增幅最大值為471 kN，中承臺近堆煤側P6、P7號樁樁身剪力增幅最大值為341 kN.

在堆煤荷載作用下，左側邊承臺下樁身彎矩隨樁埋深變化情況如圖8所示.由圖8可知，堆煤荷載作用各樁基均產生較大的彎矩增幅，其中左側邊承臺較中承臺剪力增幅更為顯著.左側邊承臺中近堆煤側P4、P5號樁樁身彎矩增幅最大值為652 kN·m，中承臺近堆煤側P6、P7號樁樁身彎矩增幅最大值為277 kN·m.

圖8 承臺下樁身彎矩隨深度變化Fig.8 Variation of bending moment of pile bodies under bearing platform with respect of depth

圖9為堆煤荷載作用下承臺體系樁身最大拉應力等值圖.由圖9可知，左側邊承臺和中承臺下樁身拉應力最大值分別為8.66和4.73 MPa，拉應力極值位置為左側邊承臺堆煤側P4、P5號樁樁身中部和底部，以及中承臺堆煤側P6號樁頂與承臺連接處.上述各樁樁身最大拉應力極值均超過C30混凝土抗拉強度標準值2.01 MPa，因此，對于該既定樁基設計方案，應采取相應軟土場地地基處理措施，滿足樁基承載力和穩定性要求.

圖9 堆煤荷載作用下承臺體系樁身最大拉應力等值圖Fig.9 Contour diagram of maximum tensile stress of pile bodies for bearing platform system under influence of coal pile load

3 結 論

本文以馬來西亞某大型儲煤場為具體工程背景，采用大型通用數值平臺ABAQUS，通過建立軟土地基-群樁-承臺體系三維彈塑性數值計算模型，對既定場地群樁基礎方案進行受力變形分析和安全性評價，得出如下結論：

1)在堆煤荷載作用下，由于軟土層產生較大變形，使得樁身產生顯著側向位移，靠近堆煤側樁體側向位移最大；

2)在堆煤荷載作用下，左側邊承臺較中承臺剪力和彎矩增幅更為顯著，且在軟弱夾層深度范圍內，樁體內力變化存在突變現象；

3)對于儲煤場軟弱夾層場地，邊承臺樁身中部和底部，以及中承臺樁頂與承臺連接處存在拉應力集中區，在相關設計中應加以重視.