王先軍

0 引言

在實(shí)際工程中,大面積堆載場(chǎng)地(如煤倉(cāng)、礦石倉(cāng)庫(kù)等)承受堆載較大,地基相對(duì)較軟,一般要進(jìn)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(shí),常常會(huì)遇到如下問(wèn)題:1)堆載體(如煤、礦石等)本身是一種顆粒材料,力學(xué)性能指標(biāo)相對(duì)較低,計(jì)算收斂難度較大;2)模擬堆載體與擋墻、土層基礎(chǔ)之間的相互作用,使計(jì)算模型變得復(fù)雜且難以收斂;3)采用結(jié)構(gòu)體模擬堆載實(shí)體會(huì)大幅度提高有限元網(wǎng)格規(guī)模和計(jì)算機(jī)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(huì)產(chǎn)生一定程度的流動(dòng),因此地基的實(shí)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(duì)加固方案的研究成果也會(huì)產(chǎn)生影響。本文以某火電廠大型煤倉(cāng)設(shè)計(jì)為例,將堆載體分別采用結(jié)構(gòu)體和面荷載進(jìn)行模擬,通過(guò)兩種方案的結(jié)果研究對(duì)大面積堆載等效為面荷載的可行性進(jìn)行了探討。

1 工程概況

某火力發(fā)電廠大型煤倉(cāng),半徑為46.5 m,擋墻內(nèi)側(cè)處堆煤高度18 m,場(chǎng)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(chǎng)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(jié)石(厚7 m);⑤強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(未揭穿)。場(chǎng)地土軟土層厚為36m,且含水率大,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),決定采用托板—管樁復(fù)合地基進(jìn)行處理,承臺(tái)下采用鉆孔灌注樁。

2 三維有限元計(jì)算

2.1 本構(gòu)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(tái)、擋墻和灌注樁為C30混凝土材料,均采用線彈性本構(gòu)模型;土層及堆載體采用理想彈塑性模型,屈服準(zhǔn)則采用符合關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的Druker-Prager屈服準(zhǔn)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(duì)滑動(dòng),其滑動(dòng)摩擦系數(shù)取為恒定值0.25。

承臺(tái)、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(tái)與擋墻施加水平向位移約束。

2.2 材料參數(shù)

計(jì)算所用材料參數(shù)如表1所示。

2.3 計(jì)算方案

計(jì)算方案一:將堆載體等效為面荷載施加;計(jì)算方案二:將堆載體作為結(jié)構(gòu)體施加。其他計(jì)算條件均相同。

表1 材料參數(shù)表

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了研究堆載等效為面荷載對(duì)設(shè)計(jì)成果的影響,本節(jié)對(duì)兩種方案計(jì)算得到的土層位移、灌注樁內(nèi)力等結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

3.1 土層位移分析

兩種計(jì)算方案得到的最大水平位移和最大豎向位移見(jiàn)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(jì)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(jiàn)荷載等效對(duì)土層的最大水平位移影響不大;對(duì)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(jì)算出來(lái)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(lái),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(tái)底下灌注樁的內(nèi)力

兩種方案計(jì)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(duì)于方案一而言,方案二計(jì)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(fù)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?yàn)槎演d體的模擬對(duì)擋墻產(chǎn)生了向下的摩擦作用,在承臺(tái)與場(chǎng)地土交接處產(chǎn)生了剪切錯(cuò)動(dòng),從而將場(chǎng)地土上方堆載體的一部分自重轉(zhuǎn)移到承臺(tái)上,增加了樁頂壓力,使內(nèi)側(cè)樁頂軸力由方案一計(jì)算得到的拉力變?yōu)閴毫?。總的?lái)說(shuō),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(shè)計(jì)方案的。

表4 灌注樁軸力值和負(fù)摩擦阻力值

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析兩種方案計(jì)算得到的結(jié)果可以得到如下結(jié)論:將堆載體等效為面荷載,堆載場(chǎng)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(fù)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(duì)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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