大面积堆载等效为面荷载可行性研究

王先军

0 引言

在实际工程中,大面积堆载场地(如煤仓、矿石仓库等)承受堆载较大,地基相对较软,一般要进行地基加固处理。采用有限元法研究地基加固方案施加堆载时,常常会遇到如下问题:1)堆载体(如煤、矿石等)本身是一种颗粒材料,力学性能指标相对较低,计算收敛难度较大;2)模拟堆载体与挡墙、土层基础之间的相互作用,使计算模型变得复杂且难以收敛;3)采用结构体模拟堆载实体会大幅度提高有限元网格规模和计算机硬件要求。基于以上考虑,研究者一般将堆载等效为面荷载施加在地基上,然而堆载体自身是有变形的,在地基沉降不均匀的情况下会产生一定程度的流动,因此地基的实际受力情况与将堆载体等效为面荷载施加是有所差异的,这种差异对加固方案的研究成果也会产生影响。本文以某火电厂大型煤仓设计为例,将堆载体分别采用结构体和面荷载进行模拟,通过两种方案的结果研究对大面积堆载等效为面荷载的可行性进行了探讨。

1 工程概况

某火力发电厂大型煤仓,半径为46.5 m,挡墙内侧处堆煤高度18 m,场内最大堆煤高度为28 m,距挡墙内侧15.95 m,属于典型大面积堆载情况。堆载场地土层由上往下依次为:①粉土(厚6m);②粉质粘土(厚 17 m);③粉质粘土夹砂(厚6m);④砾含姜结石(厚7 m);⑤强风化花岗岩(未揭穿)。场地土软土层厚为36m,且含水率大,根据工程经验,决定采用托板—管桩复合地基进行处理,承台下采用钻孔灌注桩。

2 三维有限元计算

2.1 本构模型、材料模拟及边界条件

桩和托板均为C80混凝土材料,承台、挡墙和灌注桩为C30混凝土材料,均采用线弹性本构模型;土层及堆载体采用理想弹塑性模型,屈服准则采用符合关联流动法则的Druker-Prager屈服准则;土层与托板、土层与管桩、土层与碎石垫层,土层与灌注桩之间的相互作用采用接触单元模拟,接触法向不允许相互渗透,切向考虑摩擦,可以相对滑动,其滑动摩擦系数取为恒定值0.25。

承台、挡墙、堆载体及土层周侧面施加垂直面位移约束,土层底部施加竖向位移约束,此外承台与挡墙施加水平向位移约束。

2.2 材料参数

计算所用材料参数如表1所示。

2.3 计算方案

计算方案一:将堆载体等效为面荷载施加;计算方案二:将堆载体作为结构体施加。其他计算条件均相同。

表1 材料参数表

3 计算结果分析

为了研究堆载等效为面荷载对设计成果的影响,本节对两种方案计算得到的土层位移、灌注桩内力等结果进行了对比分析。

3.1 土层位移分析

两种计算方案得到的最大水平位移和最大竖向位移见表2。

表2 土层水平和竖向位移最大值

由表2可以看出,两种方案计算得到的水平向最大位移值仅相差0.01mm,均发生在桩底部土层,可见荷载等效对土层的最大水平位移影响不大;对于竖直向位移最大值,虽然发生的位置基本相同,但方案二计算出来的竖直向最大位移值较方案一减小了大约16.3%。从地基的最大沉降量看来,采用方案一将堆载体等效为面荷载研究地基加固方案偏于安全。

3.2 沉台底下灌注桩的内力

两种方案计算得到的灌注桩内力值如表3,表4所示。

表3 灌注桩最大弯矩值

由表3,表4可知,相对于方案一而言,方案二计算得到的灌注桩内侧和外侧的最大弯矩值以及内侧的负摩擦阻力均有所下降,其中内侧和外侧的最大弯矩值降低了近18.7%,而且灌注桩内侧弯矩最大值的发生位置也有所变化;但内外侧桩顶轴力与最大轴力却有一定程度提高,内侧桩顶轴力由方案一的拉力转为压力,这是因为堆载体的模拟对挡墙产生了向下的摩擦作用,在承台与场地土交接处产生了剪切错动,从而将场地土上方堆载体的一部分自重转移到承台上,增加了桩顶压力,使内侧桩顶轴力由方案一计算得到的拉力变为压力。总的来说,在灌注桩或地基承载力足够的情况下,采用方案一的等效方案也是可以得到偏于安全的设计方案的。

表4 灌注桩轴力值和负摩擦阻力值

4 结语

通过对比分析两种方案计算得到的结果可以得到如下结论:将堆载体等效为面荷载,堆载场地沉降最大值以及灌注桩内外侧最大弯矩值和内侧的负摩擦阻力均有一定程度增加,但灌注桩内外侧桩顶轴力和最大轴力却有所减小,因此在灌注桩和地基承载力足够的情况下,将堆载体等效为面荷载对于地基加固研究是偏于安全的,将堆载体等效为面荷载也是可行的。

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