閆爭(zhēng)科

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，河南 平頂山 467000)

露天粗放式堆料已經(jīng)不符合當(dāng)下的環(huán)保要求，為解決這一問(wèn)題，修建大跨度封閉儲(chǔ)料場(chǎng)十分必要。在軟弱土層上修建儲(chǔ)煤場(chǎng)，需要考慮豎向荷載對(duì)地基承載力的要求，網(wǎng)架支座水平推力和堆煤荷載作用在儲(chǔ)煤場(chǎng)擋墻的水平推力對(duì)基底抗滑移能力的要求，以及建筑物對(duì)沉降的要求，軟弱地基需要經(jīng)過(guò)地基處理后才能滿足設(shè)計(jì)要求。不同的處理方案造價(jià)差異較大，本文結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)數(shù)值分析、試驗(yàn)驗(yàn)證和工程經(jīng)濟(jì)效益分析，研究了斜樁方案在大跨度柱面網(wǎng)殼儲(chǔ)煤場(chǎng)工程中的適用性。

1 工程概況

擬建儲(chǔ)料場(chǎng)跨度114 m，縱向長(zhǎng)185 m，縱向軸距7.4 m，網(wǎng)殼矢高39 m，擋煤墻高4.5 m，縱向支座數(shù)量為26×2=52個(gè)，料場(chǎng)內(nèi)采用落煤筒落煤，推土機(jī)輔助作業(yè)。兩端山墻支座數(shù)量為15×2=30個(gè)，儲(chǔ)煤場(chǎng)剖面如圖1所示。儲(chǔ)料場(chǎng)左側(cè)6.5 m處有現(xiàn)在正在運(yùn)行的主廠房、準(zhǔn)備車(chē)間。右側(cè)6 m處為現(xiàn)有廠區(qū)道路，山墻附近有原煤倉(cāng)。建設(shè)方要求儲(chǔ)料場(chǎng)施工時(shí)不能影響原有建筑和道路，且施工時(shí)不能影響選煤廠運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 儲(chǔ)煤場(chǎng)剖面(mm)

根據(jù)詳勘報(bào)告，場(chǎng)地土大致可分為五層，如下：

第①層，填土：以雜填土為主，有磚塊、混凝土塊、灰渣、碎石塊、煤矸石等。

第②層，濕陷性黃土：稍密，具有濕陷性，濕陷類(lèi)型為非自重，地基濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)(中等)。

第③層，粉質(zhì)黏土：見(jiàn)有風(fēng)化巖碎塊和碎屑、碎石和塊石等，以中壓縮性為主。

第④層，全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖：主要礦物成分為黏土礦物，巖體產(chǎn)狀基本水平，為極軟巖，破碎狀，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

第⑤層，強(qiáng)～中風(fēng)化泥巖：主要為黏土，巖體產(chǎn)狀基本水平，為軟巖，較破碎～較完整狀，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

各層地基土層典型分布情況如圖2所示，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。上部網(wǎng)殼荷載標(biāo)準(zhǔn)值，如圖3所示。Nx=120/-110 kN(沿網(wǎng)殼縱向方向水平推力)；Ny=520/-50 kN(垂直網(wǎng)殼橫向方向水平推力)；Nz=1100/80 kN(網(wǎng)架豎向支座反力)。儲(chǔ)料場(chǎng)堆煤推力：堆煤推力110 kN/m，每個(gè)節(jié)間7.4 m，共814 kN。合計(jì)水平推力1334 kN。

表1 各層土的物理力學(xué)參數(shù)

圖2 典型地層剖面(m)

圖3 網(wǎng)架基礎(chǔ)荷載 (mm)

2 儲(chǔ)煤場(chǎng)基礎(chǔ)地基處理方案論證

根據(jù)規(guī)范要求，乙類(lèi)、丙類(lèi)建筑應(yīng)采取地基處理措施消除地基的部分濕陷量，也可消除地基的全部濕陷量或采用樁基礎(chǔ)穿透全部濕陷性黃土層。因此儲(chǔ)料場(chǎng)擋墻地基要滿足地基承載力要求，同時(shí)需消除土的濕陷性對(duì)基礎(chǔ)的影響。常用的處理方法強(qiáng)夯法、置換法、預(yù)壓法、預(yù)浸水法由于對(duì)工程周邊建筑物地基的影響或處理方法自身的局限性的原因，對(duì)本工程均不適用。復(fù)合地基處理法，由于第一層填土含有較多磚塊、混凝土塊、灰渣、碎石塊、煤矸石，填土中所含石塊粒徑大小不一，填土厚度較厚，深淺不一，承載力較低?；紫碌谝粚油恋某休d力對(duì)復(fù)合地基處理后的地基承載力影響較大，由于第一層填土承載力太低，復(fù)合地基承載力較原來(lái)承載力提高有限。另復(fù)合地基對(duì)原地基土依賴性強(qiáng)，料場(chǎng)堆煤后會(huì)對(duì)地基有一定影響，綜合對(duì)比后未采用復(fù)合地基方案。樁基礎(chǔ)方案：采用灌注樁的基礎(chǔ)形式，結(jié)合工程的實(shí)際情況，樁基礎(chǔ)相對(duì)周?chē)ㄖ镉绊戄^小，設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)入負(fù)摩阻力的影響，方案可行。

2.1 方案一(原樁基設(shè)計(jì)方案)

原設(shè)計(jì)方案(方案一)采用了樁基方案，原設(shè)計(jì)施工圖采用直徑0.8 m灌注樁，樁長(zhǎng)20 m。

根據(jù)樁基規(guī)范，單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為[3]：

Quk=u∑Ψsiqsikli+ΨpqpkAp(1)

Ra=Quk/2(2)

由式(1)、式(2)求得，單樁豎向承載力特征值為1019 kN。

基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

Tuk=∑λiqsikuili(3)

由式(3)求得，基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1172 kN。

對(duì)于ρ>0.65%的基樁，單柱水平承載力特征值估算公式[3]：

由勘察單位提供的用于基樁水平承載力計(jì)算的樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)①層值為10 MN/m4，②層值為12 MN/m4，0.8 m灌注樁單樁水平承重力計(jì)算結(jié)果如下：

由式(6)得，m=11.2 MN/m4；由式(5)得，樁的水平變形系數(shù)α=0.51 m-1。代入νx和EI，由式(4)得，單樁水平承載力特征值Rha=199 kN。

考慮到網(wǎng)架推力和堆煤荷載長(zhǎng)期存在，根據(jù)規(guī)范要求對(duì)該系數(shù)進(jìn)行折減，折減系數(shù)取0.4。由式(4)—(6)得，0.8 m灌注樁單樁水平承重力計(jì)算結(jié)果為：m=4.5 MN/m4，α=0.43 m-1，Rha=115 kN。從水平承載力考慮，每個(gè)支座初步估算需要基樁數(shù)量為n=1334/115=11.6，取12根?？紤]按4×3的布置形式?？v墻需要基樁數(shù)量為52×12=624根。原設(shè)計(jì)方案(方案一)采用了此種布置形式。由于該工程樁頂2(d+1)范圍內(nèi)土層土質(zhì)參數(shù)較差，m值較小，單樁水平承載力計(jì)算值偏低。另外，對(duì)比可知由于基樁受到長(zhǎng)期荷載，承載力折減非常明顯，僅為一般基樁水平承載力特征值的58%，造成了地基處理費(fèi)用遠(yuǎn)超建設(shè)單位的預(yù)期投資。

2.2 方案二(計(jì)入群樁效應(yīng))

根據(jù)單樁承載力計(jì)算結(jié)果，按4×3的布置形式可形成群樁基礎(chǔ)。可以計(jì)入群樁效應(yīng)，對(duì)基樁承載力特征值進(jìn)行調(diào)整。

計(jì)入群樁系數(shù)的單樁水平承載力計(jì)算如下[3]：

Rh=ηhRha(7)

考慮地震左右且Sa/d≤6時(shí)：

ηh=ηiηr+ηl(8)

考慮群樁效應(yīng)對(duì)水平承載力的提高，擬按3×3布樁，驗(yàn)算單樁承載力，由式(7)—(11)得：ηi=0.65，群樁效應(yīng)綜合系數(shù)ηh=1.33，Rh=153 kN。經(jīng)計(jì)算，考慮群樁效應(yīng)時(shí)，每個(gè)承臺(tái)所需樁數(shù)為1334/153=8.7，取3×3的布樁形式，每個(gè)承臺(tái)共需布置9根樁，與假設(shè)情況一致。縱墻需要基樁數(shù)量為52×9=468根。與原設(shè)計(jì)方案對(duì)比工程量節(jié)省25%。

3 斜-直群樁方案

3.1 斜-直群樁方案的有限元分析

考慮工程受力特點(diǎn)，水平力為影響樁基數(shù)量的控制因素，豎向承載力容易滿足[1]。因此，有效提高水平承載力是優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)[2]。斜樁在碼頭橋梁上用于抵抗較大的水平載荷具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)[3]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用模型試驗(yàn)[4，5]、數(shù)值模擬[6]的方式對(duì)斜樁的承載能力進(jìn)行研究[7]，斜樁具有良好的水平承載力特性[8]，選擇合適的傾斜角度，可以做到兼顧豎向承載力的同時(shí)提高水平承載力[9]。

楊征宇等[10]通過(guò)試驗(yàn)得到斜樁的土抗力分布曲線，試驗(yàn)表明，負(fù)斜樁的水平承載力大于豎直樁，樁身?yè)隙群蛢?nèi)力均小于豎直樁。秦力等[11]通過(guò)樁基靜載試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，表明在傾斜角為9.5°時(shí)，斜樁呈八字形布置的水平承載力約為豎直群樁的水平承載力特征值的3倍。何振宇[12]采用模型試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，得出斜-直群樁水平承載力優(yōu)于豎直布置的群樁，且同一布置形式的群樁水平承載力隨斜度的增大而增加。

結(jié)合本工程特點(diǎn)，采用MIDAS GTS有限元數(shù)值模擬分析，通過(guò)各種布置形式對(duì)比，采用3×2的斜-直群樁基礎(chǔ)，根據(jù)相關(guān)研究[13]并結(jié)合施工情況[14，15]，斜樁采用傾斜度11.3°，如圖4所示。

圖4 斜-直群樁承臺(tái)布置(mm)

MIDAS GTS有限元模型土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[16，17]，樁基采用樁單元模擬土層與樁的摩擦特性[18]，濕陷性黃土遇水后力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，黃土濕陷時(shí)土體本構(gòu)變化復(fù)雜無(wú)法完全有效模擬，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有有限元軟件模擬黃土濕陷時(shí)，主要通過(guò)改變黃土的物理力學(xué)參數(shù)來(lái)模擬黃土的變化，根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)果一般取0.7～0.8的折減系數(shù)[19]。模型中通過(guò)增加施工階段的方式模擬浸水后黃土這一特性。施工階段主要如下步驟：①土層建立，初始應(yīng)力場(chǎng)形成；②樁基激活，對(duì)位移清零；③濕陷性土層浸水飽和容重增加，物理力學(xué)參數(shù)折減，模擬濕陷性；④樁基外部荷載施加。土層參數(shù)見(jiàn)表1。

經(jīng)過(guò)有限元分析，在網(wǎng)架荷載和堆煤荷載的共同作用下，樁和土體位移如圖5所示。樁的最大位移發(fā)生在樁頂附近，水平位移隨深度增加而減小，最大位移為8.6 mm，滿足樁基規(guī)范不大于10 mm的要求?；鶚兜淖畲筘Q向位移為12 mm，滿足樁基規(guī)范的不大于40 mm和0.05D的要求。

圖5 樁基位移

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用3×2的斜-直樁群樁布置方式能夠滿足承載力的要求。斜樁在同樣的外荷載作用下，由于力的分解，所受的軸向力比豎直樁大，而橫向力(水平力分解在垂直于樁軸線的力)比豎直樁小。為了樁端進(jìn)入壓縮性低、相對(duì)堅(jiān)硬的4層全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，因此對(duì)樁長(zhǎng)沒(méi)有優(yōu)化，根據(jù)有限元結(jié)果，豎向承載力有足夠的安全儲(chǔ)備。呈八字形布置的斜樁，所形成的獨(dú)特樁、承臺(tái)、土體三維空間體系，能夠有效提高群樁的水平承載力。

3.2 浸水靜載試驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)規(guī)范要求基樁的承載力應(yīng)通過(guò)靜載試驗(yàn)確定，由于存在濕陷性土，靜載試驗(yàn)采用慢速加載的浸水靜載試驗(yàn)。為貼合工程實(shí)際，模擬真實(shí)的受力，取承臺(tái)的一半即采用一組斜-直樁進(jìn)行試驗(yàn)，包含了上部承臺(tái)部分，如圖6所示，每個(gè)支座承受的水平荷載為1334 kN。半幅承臺(tái)承受的水平荷載取總荷載的一半即667 kN，浸水靜載試驗(yàn)的最大水平荷載的加載量取1200 kN，分10級(jí)加載。慢速加載的浸水試驗(yàn)的H-Y0曲線如圖7所示。圖7拐點(diǎn)出現(xiàn)在960 kN時(shí)，水平位移為8.2 mm，對(duì)于配筋率大于0.65%的基樁，基樁的水平極限承載力Hui取拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)的加載值即960 kN，10 mm位移對(duì)應(yīng)的加載量為1020 kN，取小值該組基樁的承載力特征值為0.75Hui即720 kN。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線可知在工程實(shí)際受力的狀態(tài)下承臺(tái)的位移小于有限元分析的計(jì)算值，有限元分析結(jié)果有一定的安全儲(chǔ)備。

圖6 水平靜載試驗(yàn)平面布置

圖7 水平靜載試驗(yàn)H-Y0曲線

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)、抗拔靜載試驗(yàn)結(jié)果：?jiǎn)螛敦Q向靜載試驗(yàn)結(jié)果Rah=1125 kN，Tuk=1300 kN，說(shuō)明斜樁對(duì)豎向承載力影響較小。

4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

為滿足樁間距的要求，承臺(tái)的尺寸隨著基樁數(shù)量的減少而減小。承臺(tái)由原來(lái)的8.8 m×6.4 m優(yōu)化為6.4 m×4.0 m，各方案承臺(tái)的平面尺寸如圖8所示，承臺(tái)的板厚同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。按照預(yù)算計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，定額標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一采用《煤炭建設(shè)地面建筑工程消耗量定額(2015除稅計(jì)價(jià))》，材料調(diào)差均按照施工地定額站下發(fā)的文件進(jìn)行調(diào)整，斜樁造價(jià)結(jié)合施工情況提高0.2的單價(jià)。對(duì)承臺(tái)和基樁的造價(jià)對(duì)比。經(jīng)核算后對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 各方案造價(jià)對(duì)比

圖8 各方案承臺(tái)平面

優(yōu)化方案在減少基樁數(shù)量的同時(shí)可以大幅度節(jié)省承臺(tái)的造價(jià)。優(yōu)化后的方案比原方案節(jié)省投資九百多萬(wàn)元，優(yōu)化比率超過(guò)50%。

5 結(jié) 語(yǔ)

水平承載力為大跨度儲(chǔ)煤場(chǎng)網(wǎng)架基礎(chǔ)控制的重點(diǎn)，基礎(chǔ)穩(wěn)定性主要受抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)控制。數(shù)值分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，表明了斜-直樁群樁基礎(chǔ)較豎直的群樁對(duì)于抵抗水平荷載有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于原設(shè)計(jì)單位的方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出建設(shè)單位預(yù)期造價(jià)，項(xiàng)目一直擱置無(wú)法向前推進(jìn)。優(yōu)化后的方案降低了工程建設(shè)的成本，推進(jìn)了工程的順利開(kāi)展。在國(guó)家不斷提高環(huán)保要求，大力開(kāi)展煤場(chǎng)封閉的浪潮中，斜-直樁群樁的方案為眾多同類(lèi)工程設(shè)計(jì)提供了參考。