圆形煤场复合地基及灌注桩受力分析研究

张铁军，邬亮，陈少雄，聂晶

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙410007)

圆形煤场复合地基及灌注桩受力分析研究

张铁军，邬亮，陈少雄，聂晶

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙410007)

某沿海电厂建设圆形煤场，地质条件为软弱地基，在堆煤荷载作用下，土体产生侧向位移可能造成挡煤墙下灌注桩的内力和水平径向位移过大，甚至造成土体破坏，严重威胁结构的安全。通过计算分析，在堆煤场地布设CFG桩形成复合地基，能较好的传递堆煤荷载，避免土体侧移和灌注桩内力及水平径向位移过大，是比较合理的地基处理方式。

圆形煤场，复合地基，CFG桩，灌注桩

1 背景

封闭式圆形煤场具有环保效果好、占地面积小、运行方式简单、自动化程度高、抗恶劣天气能力强等优点，能彻底消除露天储煤带来的燃煤损失及粉尘外溢。兼有贮存、缓冲和混煤等多种功能，是大型火力发电厂贮煤方式的发展方向。但软弱地基在堆煤荷载作用下，土体产生侧向位移可能造成挡煤墙下灌注桩的内力和水平径向位移过大，甚至造成土体破坏，严重威胁结构的安全，有必要进行研究。吴有霞、王湛等对软基煤场堆载挡风墙桩基桩土共同作用进行了分析〔1〕。郭力群、梁墨等对反复堆卸载下被动桩土相互作用进行了有限元分析〔2〕。邬亮、陈少雄等对圆形煤仓环形基础天然地基水平刚度影响进行了分析〔3〕。黄小玲、葛小丰等对多重地基处理在软土区大面积堆载中的综合应用进行的分析〔4〕。本文建立桩土地基圆形煤场有限元模型，考虑土的塑性流动、大变形，土层采用理想弹塑性、D－P屈服准则和相关联流动法则，桩与土相互作用采用接触单元模拟〔5〕，同时考虑几何非线性大变形影响。通过有限元分析，找出复合地基及灌注桩受力特点。

2 工程概况

某发电厂工程拟建两座直径Φ120 m的圆形煤场，挡煤墙高22.0 m，挡煤墙处煤堆高20 m。工程位于沿渤海区域。厂址范围内为盐场储水池，自然地面标高在0～2.0 m之间。

软弱地基在堆煤荷载作用下，土体产生侧向位移有可能造成挡煤墙下灌注桩内力和水平径向位移过大，甚至造成土体破坏，严重威胁结构安全。为了避免这类问题，该工程圆形煤场在堆煤场地布设CFG桩形成复合地基，对圆形煤场环基，采用3排Φ800钻孔灌注桩。

3 计算建模

计算采用大型通用有限元计算软件，圆形煤场计算模型分为上部结构和下部结构。上部结构由挡煤墙、环梁、扶壁柱和承台组成；下部结构由CFG桩、灌注桩和场内土体组成。本次计算中取36°模型进行计算，考虑全场堆煤工况。计算模型具体布置如下:

1)上部结构计算模型

圆形煤场上部结构挡煤墙、承台和环梁均环向360°连续设置。挡煤墙内半径为60 m，挡煤墙高22.0 m。扶壁柱按9°布置1个，整个煤场布置40根。挡煤墙下承台高为1.7 m，宽为6.4 m，挡煤墙内表面距离承台内边缘为2.6 m，扶壁柱外边缘距离承台外边缘为1.0 m。挡煤墙、承台、扶壁柱截面示意图如图1。

图1 挡煤墙、承台、扶壁柱截面

2)下部结构计算模型

圆形煤场土体计算范围如下:采用柱坐标系，以煤场中心为坐标原点，沿径向方向，从挡煤墙内表面向内取55 m，向外取30 m，土层计算厚度取65 m。根据勘测报告，计算中将土层简化成5层:分别为素填土或粉质土层 (土层1)，层厚为5 m；粉土或粘细沙 (土层2)，层厚为18 m；粉质粘土、粉土或粉沙层 (土层3)，厚度12 m；粉质粘土或粉土层 (土层4)，厚度15 m；粉细砂或粉质粘土层 (土层5)，厚度15 m。

圆形煤场承台下布置三排Φ800的钻孔灌注桩，沿环向按3.6°等间距排布。灌注桩嵌入土层5，每隔3.6°排列1根，桩长为50 m。堆煤区采用Φ400的CFG桩，满场布桩，CFG桩嵌入土层2，桩长17 m。堆煤荷载示意图如图2，计算模型如图3。

图2 堆煤荷载

图3 CFG桩、混凝土灌注桩、煤场仓壁及土体计算模型

4 结果分析

1)CFG桩结果分析

堆煤荷载作用下，提取部分CFG桩内力，其沿桩身变化曲线如图4—5。由图可知，CFG桩最大轴力值为744 kN，出现在半径为43.8 m第26排CFG桩，次大轴力出现在半径为39 m第22排CFG桩，该2排桩间是最大堆煤高度的位置。最小剪力值出现在半径39 m第22排CFG桩，说明该桩位置在堆煤荷载的平面均衡位置附近。

图4 各排CFG桩轴力沿桩身变化

图5 各排CFG桩剪力沿桩身变化

2)灌注桩结果分析

堆煤荷载作用下，灌注桩内力沿桩身变化曲线如图6—8。第1排灌注桩上部部分桩身产生上拔力，最大上拔力为227 kN，其余灌注桩轴力均为压力，第3排灌注桩的轴压力最大为4 205 kN，分析认为煤场内竖向位移比煤场外大，同时堆煤对挡煤墙的水平推力上小下大，使挡煤墙承台产生环向顺时针方向弯矩，朝煤场内倾斜，因此煤场内侧灌注桩受较大轴压力，煤场外侧灌注桩甚至产生拉力。最大弯矩值为518 kN·m，最大剪力值为247 kN，均出现在第3排桩，说明煤场内侧灌注桩受土体的侧向位移影响最大。

图6 灌注桩轴力沿桩深变化

图7 灌注桩剪力沿桩深变化

图8 灌注桩弯矩沿桩深变化

3)土体计算结果

堆煤荷载作用下，土体位移云图如图9—10。由图可知，朝煤场内最大水平径向位移U1为116.3 mm，出现在半径为55 m第35排CFG桩顶附近土体表面，该位置土体靠近环向承台，朝煤场外变形被约束，故朝煤场内变形。朝煤场外土体最大水平径向位移U1为89.04 mm，出现在半径为53.4 m第34排CFG桩底附近下方，该位置靠近煤场外边缘

图9 土体径向位移U1位移云图

图10 土体竖向位移U3位移云图

但不在煤场外，说明土体受到灌注桩和煤场外土体约束，土体侧向位移再往煤场外则减小。土体最大竖向位移U3为47.36 mm，出现在半径38.5 m第22排CFG桩底附近，该位置接近最大堆煤高度位置。综上，朝煤场外最大径向位移和最大竖向位移均在CFG桩底，说明 CFG桩较好的传递堆煤荷载，因下部土体及灌注桩受到周边土体更大的约束，从而避免土体侧移和灌注桩内力及水平径向位移过大。

5 结论

综上，CFG桩最大轴力值出现在最大堆煤高度位置附近，该附近应加密CFG桩布置。堆煤荷载作用下，挡煤墙承台产生环向顺时针方向弯矩，朝煤场内倾斜，煤场内侧灌注桩受较大轴压力，煤场外侧灌注桩甚至产生拉力，配筋时应注意。土体的位移分析表明复合地基能较好的传递堆煤荷载，避免土体侧移和灌注桩内力及水平径向位移过大，是比较合理的地基处理方式。

〔1〕吴有霞，王湛，钟润辉，等.软基煤场堆载挡风墙桩基桩土共同作用分析 〔J〕.浙江大学学报 (工学版)，2013(03): 502-507.

〔2〕郭力群，梁墨，陈福全.反复堆卸载下被动桩土相互作用有限元分析 〔J〕.华侨大学学报 (自然科学版)，2011(05): 569-578.

〔3〕邬亮，陈少雄，聂晶，等.圆形煤仓环形基础天然地基水平刚度影响分析 〔J〕.武汉大学学报 (工学版)，2014，47 (S1):350-353.

〔4〕黄小玲，葛小丰，葛新锋，等.多重地基处理在软土区大面积堆载中的综合应用 〔J〕.武汉大学学报 (工学版)，2009 (S1):307-311.

〔5〕刘敦平，蒯行成，赵明华.软土运动作用下被动桩桩—土水平相互作用的三维有限元分析 〔J〕.中国公路学报，2008，21 (4):18-24.

Analysis of the Composite Foundation and the Bored Piles Force of Circular Coal Yard

ZHANG Tiejun，WU Liang，CHEN Shaoxiong，NIE Jing
(China Energy Engineering Group Co.Ltd，Hunan Electric Power Design Institute，Changsha 410007，China)

Circular coal yard of a coastal power plant is under construction with soft ground geological condition.Under the action of coal load，the lateral displacement of the soil may cause the internal force and horizontal radial displacement of the bored pile under retaining coal wall exceed the limit，and even cause soil destruction，a serious threat to the safety of the structure.Through the calculation and analysis，the CFG pile is arranged in the heap coalsite to form the composite foundation，which can better convey the pile coal load and avoid the excessive soil lateral displacement and bored pile internal force and horizontal radial displacement.It is a reasonable way of foundation treatment.

circular coal yard；composite foundation；CFG pile；bored piles

TU359；U271.1

:A

:1008-0198(2017)02-0012-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.003

2017-01-11

张铁军(1971)，湖南人，国家一级注册结构师，高级工程师，主要从事大型工程的建筑结构技术管理。