堆煤荷载下软土-群桩-承台体系三维数值分析*

席爱斌，王 腾，崔春义，孟 坤，梁志孟，邢国雷

(1.国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095；2.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100022；3.大连海事大学 土木工程系，辽宁 大连 116026)

储煤场作为煤炭的主要储存场地，经常出现堆载甚至超载现象.储煤场地桩基础在煤炭长期堆载作用下可能发生较大侧向变形，使得桩身产生较大附加弯矩，从而对桩基承载能力及稳定性产生不利影响，尤其在软土场地中此种堆载效应对桩基影响更为显著.本文针对软土场地中长期堆煤荷载作用下的桩基受力及变形特性进行研究，对于相关岩土工程设计及实践具有重要的指导作用与参考价值.

国内外诸多学者针对堆载作用下桩基础的受力变形进行了研究.王恺敏等[1]采用三维有限元方法研究了大面积堆载作用下负摩桩的受力与变形性状，讨论了不同接触面对桩土沉降差、侧移以及桩身轴力的影响，分析了大面积堆载作用下土体沉降、桩身轴力和弯矩的变化规律；李忠诚等[2]建立三维有限元模型针对实际工程堆载事故进行分析，对堆载作用下土体的侧向位移模式进行了探讨与总结；聂如松等[3]对桩排模型进行三维建模，土体采用摩尔库伦理想弹塑性模型，提出三折线模型来模拟桩身挠曲变形；梁志荣等[4]通过建立三维数值模型，对地面超载条件下自由场土体侧向位移模式进行了探讨，得出了土体侧向变形规律；吴琼等[5]应用三维有限元方法对桩侧堆载作用下的被动桩受力性状进行了分析，研究了桩顶荷载对被动桩受力变形的影响；吴江斌等[6]建立大面积填土作用下桥梁桩基三维有限元分析模型，进行优化设计并对现场施工进行指导；胡建荣等[7]推导出考虑桩土相对位移的被动桩弹塑性差分计算格式，基于单桩分析理论，考虑了排架对桩顶的约束作用，同时考虑群桩效应，推导了带排架排桩的弹塑性差分计算格式；孙晓东[8]通过具体工程实例，对大面积堆载作用下软土地基变形进行了详细计算与分析，并与复合地基处理后的地基变形量进行了对比；李志伟[9]利用平面有限元方法，土体本构采用硬化土模型，对软土地基中堆载作用下桥梁桩基侧向偏位进行了研究；吴有霞等[10]对桩基-土体进行三维有限元建模，分析了在大面积堆载情况下临近桩基对土体位移变形产生的影响.

由于以往计算理论和硬件条件的限制，已有国内外研究成果中大多将软土地基-群桩体系采用二维平面应变模型或采用简化计算方法，从而不能真实地反应群桩基础-软土地基体系的三维空间效应和受力变形非线性.本文基于已有国内外研究成果的特点，考虑桩-土动力相互作用影响，以马来西亚某大型储煤场为具体工程背景，通过建立可考虑空间刚度效应的堆煤荷载作用下软土-群桩-承台体系三维弹塑性数值模型，对既定场地群桩基础方案进行受力变形分析和安全性评价.

1 工程概况与数值计算模型

封闭条形储煤场最大堆煤高度为12.0 m，封闭煤场跨度为160 m，纵向长度为176 m，采用螺栓球节点的双层柱面网架结构.钢筋混凝土柱顶标高(网架支座底标高)1.2 m.条形封闭煤场剖面图如图1所示(单位：mm).

图1 条形封闭煤场剖面图Fig.1 Profile of strip closed coal yard

储煤场桩基布置如图2所示(单位：mm).根据场地的地层分布、地层岩性、埋深和各层土的物理力学性质及各项原位测试结果，确定第4层强风化泥岩为桩端持力层.

图2 储煤场桩基布置图Fig.2 Pile foundation layout of coal storage yard

为考虑空间刚度效应，本文建立软土-群桩-承台相互体系三维数值计算模型，如图3所示.根据场地勘察资料，选取淤泥质土层较厚断面为最不利断面，桩身编号如图4所示.

桩身、承台及基础短柱材料为C30混凝土，采用线弹性本构模型，不考虑其开裂和塑性.依据勘察报告地层材料及相关工程经验，桩径取为900 mm，桩长取为22 m(根据持力层埋深选取).《建筑桩基技术规范》中规定对桩-承台体系进行抗冲切、抗剪及受弯等计算时，需按照面积等效原则将圆形桩转换为方形桩，等效后的桩基尺寸为800 mm×800 mm.混凝土弹性模量取为32.5 GPa，泊松比为0.2，密度为2 500 kg/m3.

图3 三维有限元分析模型Fig.3 Three-dimensional finite element analysis model

图4 桩位布置图Fig.4 Layout of pile locations

场地地层由第四系全新统人工填土(Q4s)、第四系全新统沼泽沉积层(Q4h)、第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)及第三系上新统(N)构成，岩性主要由素填土、淤泥、黏土、粉土、砂土、强风化泥岩、强风化粉砂岩、煤岩组成.场地计算域选取为：边承台外侧取40 m，在煤场长度方向选取一个柱间距为8 m，场地底面及边承台外侧均为固定约束，煤场长度方向为对称约束.桩周土体采用摩尔库伦本构模型，土体参数如表1所示.桩与桩周土体之间设置接触，采用罚函数法，摩擦系数取为0.3，土体(较柔的面)为从面，桩(较刚的面)为主面.计算荷载包括上部结构荷载和堆煤荷载，在施加外荷载之前，首先对场地进行初始地应力平衡.上部结构传递的荷载(边承台上短柱竖向荷载810 kN，侧向荷载520 kN，中承台上短柱竖向荷载1 200 kN)按均布荷载的形式施加到基础短柱上.堆煤荷载作用按下述方式进行简化：取堆煤高度与堆煤重度(取1 800 kN/m3)相乘，得出堆煤压力荷载.将简化后的堆煤荷载(梯形荷载)按实际堆煤位置施加到土体表面.

表1 场地土计算参数Tab.1 Computation parameters for on-site soil

注：Es为弹性模量；c为粘聚力；φ为摩擦角；v为泊松比；fpk为承载力特征值.

2 计算结果与分析

在堆煤荷载作用下，左侧边承台下桩基侧向位移随桩埋深变化如图5所示.由图5可知，在堆煤荷载作用下，由于软土层产生较大变形，对桩基的挤压作用明显，进而使得桩身产生显著侧向位移，其中靠近堆煤侧的P4、P5号桩侧向位移最大，最大值达76.1 mm.

图5 左侧承台桩身侧向位移随深度变化Fig.5 Variation of lateral displacement of pile bodies with respect of depth for left bearing platform

图6为中承台桩身侧向位移随深度变化.由图6可知，中承台下桩身同时受到储煤场中心线两侧堆煤荷载作用，但因左侧软土层较厚使得中承台下P6、P7号桩产生较大的正向水平位移，最大幅值约为10 mm.

图6 中承台桩身侧向位移随深度变化Fig.6 Variation of lateral displacement of pile bodies with respect of depth for middle bearing platform

在堆煤荷载作用下，左侧边承台下桩身剪力随桩埋深变化情况如图7所示.

图7 承台下桩身剪力随深度变化Fig.7 Variation of shear force of pile bodies under bearing platform with respect of depth

由图7可知，堆煤荷载作用各桩基均产生较大的剪力增幅，其中左侧边承台较中承台剪力增幅更为显著.左侧边承台中近堆煤侧P4、P5号桩桩身剪力增幅最大值为471 kN，中承台近堆煤侧P6、P7号桩桩身剪力增幅最大值为341 kN.

在堆煤荷载作用下，左侧边承台下桩身弯矩随桩埋深变化情况如图8所示.由图8可知，堆煤荷载作用各桩基均产生较大的弯矩增幅，其中左侧边承台较中承台剪力增幅更为显著.左侧边承台中近堆煤侧P4、P5号桩桩身弯矩增幅最大值为652 kN·m，中承台近堆煤侧P6、P7号桩桩身弯矩增幅最大值为277 kN·m.

图8 承台下桩身弯矩随深度变化Fig.8 Variation of bending moment of pile bodies under bearing platform with respect of depth

图9为堆煤荷载作用下承台体系桩身最大拉应力等值图.由图9可知，左侧边承台和中承台下桩身拉应力最大值分别为8.66和4.73 MPa，拉应力极值位置为左侧边承台堆煤侧P4、P5号桩桩身中部和底部，以及中承台堆煤侧P6号桩顶与承台连接处.上述各桩桩身最大拉应力极值均超过C30混凝土抗拉强度标准值2.01 MPa，因此，对于该既定桩基设计方案，应采取相应软土场地地基处理措施，满足桩基承载力和稳定性要求.

图9 堆煤荷载作用下承台体系桩身最大拉应力等值图Fig.9 Contour diagram of maximum tensile stress of pile bodies for bearing platform system under influence of coal pile load

3 结 论

本文以马来西亚某大型储煤场为具体工程背景，采用大型通用数值平台ABAQUS，通过建立软土地基-群桩-承台体系三维弹塑性数值计算模型，对既定场地群桩基础方案进行受力变形分析和安全性评价，得出如下结论：

1)在堆煤荷载作用下，由于软土层产生较大变形，使得桩身产生显著侧向位移，靠近堆煤侧桩体侧向位移最大；

2)在堆煤荷载作用下，左侧边承台较中承台剪力和弯矩增幅更为显著，且在软弱夹层深度范围内，桩体内力变化存在突变现象；

3)对于储煤场软弱夹层场地，边承台桩身中部和底部，以及中承台桩顶与承台连接处存在拉应力集中区，在相关设计中应加以重视.