章亞申,張坤勇

(1.河海大學(xué)　巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇　南京　210098；

2.河海大學(xué)　巖土工程科學(xué)研究所，江蘇　南京　210098)

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堆煤與地基相互作用的有限元分析討論

章亞申1,2,張坤勇1，2

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京210098；

2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098)

摘要：針對某堆煤球形倉項目的樁基基礎(chǔ)設(shè)計分析，利用PLAXIS有限元分析軟件，分別采用施加分布荷載和實體作用作為堆煤荷載的施加形式，同時參考分層總和法計算結(jié)果，對比討論不同方法得到的沉降、樁身內(nèi)力及變形等結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不考慮堆煤與地基的相互作用會大大高估地基的沉降變形值，造成設(shè)計過于保守，同時對于樁基礎(chǔ)的受荷分布也會產(chǎn)生改變，若樁基承載力不足，會對樁基加固位置產(chǎn)生錯誤的判斷。

關(guān)鍵詞：堆煤加載；有限元分析；相互作用；PLAXIS

土與結(jié)構(gòu)的相互作用問題是地基基礎(chǔ)學(xué)科中的經(jīng)典問題[1-2]，以有限元為主的數(shù)值方法在處理復(fù)雜模型和邊界問題時顯得更具優(yōu)勢，因此常常運用于基坑開挖、樁基礎(chǔ)分析等典型土與結(jié)構(gòu)相互作用的實際工程分析中，然而在這類問題分析中，如何將外部荷載很好地考慮到模型中，這對結(jié)果會產(chǎn)生很大的影響[3-7]?，F(xiàn)實中，許多有限元分析為了便于建模和計算，常常將實體作用簡化成荷載形式施加于待分析物體，這樣就忽略了荷載與結(jié)構(gòu)的相互作用，而堆煤倉對于地基結(jié)構(gòu)的作用無疑也屬于這一范疇[8-10]。本文的目的是借助某堆煤倉的實際案例，分別采用傳統(tǒng)的荷載-結(jié)構(gòu)模型以及堆煤-結(jié)構(gòu)相互作用模型來進(jìn)行有限元分析計算，來發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果之間的差別，并給出堆煤倉地基基礎(chǔ)設(shè)計有限元分析甚至其他類似有限元分析過程中的建議。

1工程概況

1.1　項目概況

某堆煤球形倉，初步設(shè)計為6座直徑120m儲煤中轉(zhuǎn)庫，現(xiàn)在分步進(jìn)行實施，初期建造2座直徑120m儲煤庫。該球形倉的建筑高度約68m，球面半徑約69m,高度約48m。球面外殼表面積19200m2，水平投影面積11880m2，穹頂?shù)撞堪霃郊s63m。本工程球形倉采用分段式鋼筋混凝土環(huán)形檔料墻結(jié)構(gòu)，屋蓋采用雙層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。該球形倉的環(huán)形擋料墻基礎(chǔ)采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁方案，庫芯區(qū)采用PCC現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁復(fù)合地基方案，但最終由于施工困難，仍采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁作為樁基礎(chǔ)加固，中心堆取料機設(shè)備基礎(chǔ)采用后注漿灌注樁方案。

表1　球形倉地基土物理力學(xué)參數(shù)表

1.2　工程地質(zhì)條件

該場地位于鹽田和海產(chǎn)養(yǎng)殖池，人類生產(chǎn)和工程活動使得勘察區(qū)表層的土質(zhì)差別較大，屬于不均勻地基。表層粉質(zhì)粘土、粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土多呈軟塑—可塑狀，表層粉土為稍密狀，土質(zhì)較差，壓縮性高，承載力低，未經(jīng)處理不宜直接作為基礎(chǔ)持力層。①粉土呈中密—密實狀，土質(zhì)相對較好，該層土可作為一般淺基礎(chǔ)持力層，由于粉土有擾動后易液化現(xiàn)象，因此對其利用時，施工過程中應(yīng)避免過大的擾動。①粉土下部的②粘土為高壓縮性土層，地基承載力較小，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)進(jìn)行軟弱下臥層驗算。地基土物理力學(xué)參數(shù)可見表1。

2有限元模型建立

本案例的有限元建模分析采用Plaxis2D軟件進(jìn)行，其程序中板單元可以用來模擬地層中細(xì)長的、且具有相當(dāng)抗彎剛度和軸向剛度的結(jié)構(gòu)對象，如擋土墻、隧道襯砌、樁基礎(chǔ)等[11]。板的材料性質(zhì)主要由兩個參數(shù)決定，即抗彎剛度EI和軸向剛度EA，板的等效厚度可由公式(1)確定。

(1)

Plaxis中還設(shè)置了用于模擬土與結(jié)構(gòu)相互作用的界面單元，眾所周知，樁基礎(chǔ)打入地層后會使得基樁周圍的土層松動、強度降低，因此，在Plaxis中可以設(shè)置樁周土體強度的折減系數(shù)Rinter來模擬松動區(qū)域的土層的強度降低，是一種有效的模擬方法。

2.1　計算區(qū)域及邊界條件

鑒于整體堆煤倉模型關(guān)于中心取料機中心對稱，因此模型選擇為軸對稱模型，如圖1。

對于模型的邊界條件，如選取不當(dāng)，可能會對計算結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。進(jìn)行有限元分析時，主要需要考慮的是地基的邊界范圍和約束條件的確定。一般來說，地基邊界采用截斷邊界不會引起太大的誤差，截斷邊界應(yīng)遠(yuǎn)離受力區(qū)域[12]，因此，本模型在水平范圍內(nèi)，截斷邊界距離樁基礎(chǔ)仍留有2～3倍基礎(chǔ)寬度，深度方向考慮建模至變形微小的土層，因此最終確定的模型土層范圍選取為180m×70m。

對于截斷邊界的描述為：模型兩側(cè)邊界的水平向位移被限制，而模型底部的水平及豎直兩個方向的位移都被限制。

2.2　土層參數(shù)

土體模型選擇莫爾-庫侖模型，根據(jù)地質(zhì)勘查報告顯示的土層信息，將土層劃分為9層，具體計算參數(shù)見表1。

2.3　模型附加材料

(1)樁基礎(chǔ)：根據(jù)設(shè)計方案，樁基礎(chǔ)采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁，采用板單元模擬，等效厚度0.6m，樁土之間的相互作用采用界面單元模擬，界面強度折減系數(shù)根據(jù)樁體和土體材料性質(zhì)可選為0.7。

(2)墊層：由于在堆煤過程中需要考慮避免荷載的受力集中而鋪設(shè)墊層，因此在建模時樁基礎(chǔ)區(qū)域范圍內(nèi)的地表處設(shè)置厚度為1m的墊層材料，用于分散上部堆煤荷載傳下來的壓力。

(3)扶壁式擋墻：考慮到扶壁式擋墻是重力式結(jié)構(gòu)而非以彎曲受力為主的板式結(jié)構(gòu)，故采用一個大剛度實體塊來模擬。

(4)取料機下的加固土層：由于并不是關(guān)注重點，中心取料機下部的灌注樁在建模時并沒有設(shè)置，而是通過提升該塊區(qū)域的土體模量來模擬材料力學(xué)性質(zhì)的加強。

2.4　分布荷載與實體堆載模型

針對堆煤荷載的模擬，分布荷載分別施加于墊層以及扶壁式擋墻之上，設(shè)置實體堆煤區(qū)域形成與地基基礎(chǔ)的相互作用。荷載-結(jié)構(gòu)模型見圖2。

2.5　分析步驟

(1)地應(yīng)力平衡：在有限元分析中，由于土體受自重荷載會產(chǎn)生變形，加上樁基礎(chǔ)和擋土墻施工，又會產(chǎn)生新的變形，在進(jìn)行本文問題的研究中，可以將以上因素產(chǎn)生的變形予以忽略，只關(guān)心堆煤荷載作用在地基結(jié)構(gòu)之后的變形和受力情況。

表2　兩種模型最大樁身內(nèi)力統(tǒng)計表

(2)堆煤荷載的施加：分別采用分布荷載施加以及堆煤實體作用兩種施加荷載的方式，以探索兩種不同加荷模式對計算結(jié)果帶來的影響。

3結(jié)果分析與討論

3.1　地基沉降

如圖3的地基沉降計算云圖所示，分布荷載模型在靠近地表和樁間土體沉降量明顯大于實體堆載模型。前者的地表沉降為34.4cm，后者為19.1cm，而根據(jù)傳統(tǒng)的分層總和法計算得到的地基土沉降值為29.2cm，更接近分布荷載模型的結(jié)果，而這也正說明將實體重力荷載作用簡化成作用于受力表面的上部自重分布荷載往往會高估地基的沉降變形，這是因為分層總和法的計算荷載也是通過簡化成分布荷載完成的。

二維分布荷載的有限元模型在計算地基沉降時相較于一維的分層總和法考慮了土體側(cè)向的壓力，而不是如一維條件下的完全側(cè)向約束，因此結(jié)果會比分層總和法的計算結(jié)果偏大，然而在考慮實體作用的有限元分析后，實際的沉降值更小，所以采用分布荷載去模擬豎向堆載的實例仍趨于保守，對于以土體沉降為控制標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計會造成不小的浪費。

3.2　樁身內(nèi)力與變形

將本模型的14根豎樁按圖2所示從左至右依次排列命名，根據(jù)有限元的計算結(jié)果，兩種計算模型存在以下的差別：

(1)最大樁身變形：由于該案例主要為豎向受荷，對樁的水平作用不明顯，而計算結(jié)果也顯示各根樁的水平位移相對于豎向位移可忽略不計，因此僅比較兩種模型豎向位移的差別。根據(jù)計算結(jié)果顯示，分布荷載模型中樁身變形最大位置出現(xiàn)在P8號樁，為21.8cm，而實體堆載模型出現(xiàn)在P5號樁，為17.7cm,由此可見，簡化分布荷載不僅會使得變形量增大，還會使樁基礎(chǔ)最大受力點向集度最大點偏移，而實際情況下，上部堆煤體會朝著最高點往下滑動變形，由此使得地層最大受荷點偏離預(yù)想簡化荷載最大集度處，從而使得分布荷載模型的計算結(jié)果與實際產(chǎn)生一定的偏差。

(2)最大樁身內(nèi)力：最大樁身內(nèi)力統(tǒng)計情況如表2所示，從內(nèi)力值來看兩種模型的結(jié)果相差不大，主要的區(qū)別在于最大受荷點的位置，分布荷載模型最大受荷點在分布荷載集度最大值附近，即P8至P10號樁之間，而實體堆載模型中最大受荷點的位置處于P2至P4號樁之間，這和上述最大樁身變形的規(guī)律是相符的。

4結(jié)論

1)上部堆煤體簡化成分布荷載的有限元分析結(jié)果顯示土體變形明顯大于考慮堆煤與地基相互作用的模型，會使得以地基變形為控制量的地基基礎(chǔ)設(shè)計過于保守。

2)堆載的簡化同時也會造成樁基最大內(nèi)力位置的偏移，如果樁基承載力不滿足需要進(jìn)行加固，會對加固位置的判斷造成錯誤。

3)如果在有限元分析中由于建模的復(fù)雜不得不簡化荷載，需要動態(tài)地考慮上覆堆煤體或是其他需要簡化成荷載的實體的變形趨勢，準(zhǔn)確地預(yù)估荷載作用面上的荷載壓力值，否則結(jié)果的可參考性將大大降低。

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(特約編輯李軍)

Discussionoffiniteelementanalysisofcoal-foundationinteraction

ZHANGYa-shen1,2,ZHANGkun-yong1,2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Jiangsu

Nanjing210098,China;2.GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

Abstract：Combiningwithsomecoalbunkerproject,twokindsofmodelingmethodsareusedthroughthesoftwarePLAXIS.Theloadingeffectofcoalissimplifiedasdistributedloadonthefoundationintheformermodelwhileinteractionofcoalandfoundationisemphasizedinthelatterone.Consideringtheresultofsplittingsummationmethod,wecantellthedifferenceofthetwomodelingmethodsintermsofgroundsettlementandstructuralresponseofpilefoundation.Itisfoundoutthatthesettlementoffoundationcanbeoverestimatedwithoutconsiderationofcoal-foundationinteractionwhichisthoughttobeconservativeindesign.Moreover,astotheformermodel,thedistributionofloadtransferredfromcoalalsodiffersalotfromtheonetakingaccountofcoal-foundationinteraction,thusmaycausingmisjudgmentifpilecapacityisnotsatisfied.

Keywords：coalloading;finiteelementanalysis;interaction;PLAXIS

中圖分類號：TU470

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)04-0029-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.007

作者簡介：章亞申(1990-)，男，上海人，碩士，從事土與結(jié)構(gòu)相互作用方面的研究。

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(B15020060)

收稿日期：2015-09-22