大跨度柱面网壳储煤场地基处理方案研究

闫争科

(中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司，河南 平顶山 467000)

露天粗放式堆料已经不符合当下的环保要求，为解决这一问题，修建大跨度封闭储料场十分必要。在软弱土层上修建储煤场，需要考虑竖向荷载对地基承载力的要求，网架支座水平推力和堆煤荷载作用在储煤场挡墙的水平推力对基底抗滑移能力的要求，以及建筑物对沉降的要求，软弱地基需要经过地基处理后才能满足设计要求。不同的处理方案造价差异较大，本文结合工程实例，通过数值分析、试验验证和工程经济效益分析，研究了斜桩方案在大跨度柱面网壳储煤场工程中的适用性。

1 工程概况

拟建储料场跨度114 m，纵向长185 m，纵向轴距7.4 m，网壳矢高39 m，挡煤墙高4.5 m，纵向支座数量为26×2=52个，料场内采用落煤筒落煤，推土机辅助作业。两端山墙支座数量为15×2=30个，储煤场剖面如图1所示。储料场左侧6.5 m处有现在正在运行的主厂房、准备车间。右侧6 m处为现有厂区道路，山墙附近有原煤仓。建设方要求储料场施工时不能影响原有建筑和道路，且施工时不能影响选煤厂运转。

图1 储煤场剖面(mm)

根据详勘报告，场地土大致可分为五层，如下：

第①层，填土：以杂填土为主，有砖块、混凝土块、灰渣、碎石块、煤矸石等。

第②层，湿陷性黄土：稍密，具有湿陷性，湿陷类型为非自重，地基湿陷等级为Ⅱ级(中等)。

第③层，粉质黏土：见有风化岩碎块和碎屑、碎石和块石等，以中压缩性为主。

第④层，全～强风化泥岩：主要矿物成分为黏土矿物，岩体产状基本水平，为极软岩，破碎状，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

第⑤层，强～中风化泥岩：主要为黏土，岩体产状基本水平，为软岩，较破碎～较完整状，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

各层地基土层典型分布情况如图2所示，物理力学参数见表1。上部网壳荷载标准值，如图3所示。Nx=120/-110 kN(沿网壳纵向方向水平推力)；Ny=520/-50 kN(垂直网壳横向方向水平推力)；Nz=1100/80 kN(网架竖向支座反力)。储料场堆煤推力：堆煤推力110 kN/m，每个节间7.4 m，共814 kN。合计水平推力1334 kN。

表1 各层土的物理力学参数

图2 典型地层剖面(m)

图3 网架基础荷载 (mm)

2 储煤场基础地基处理方案论证

根据规范要求，乙类、丙类建筑应采取地基处理措施消除地基的部分湿陷量，也可消除地基的全部湿陷量或采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层。因此储料场挡墙地基要满足地基承载力要求，同时需消除土的湿陷性对基础的影响。常用的处理方法强夯法、置换法、预压法、预浸水法由于对工程周边建筑物地基的影响或处理方法自身的局限性的原因，对本工程均不适用。复合地基处理法，由于第一层填土含有较多砖块、混凝土块、灰渣、碎石块、煤矸石，填土中所含石块粒径大小不一，填土厚度较厚，深浅不一，承载力较低。基底下第一层土的承载力对复合地基处理后的地基承载力影响较大，由于第一层填土承载力太低，复合地基承载力较原来承载力提高有限。另复合地基对原地基土依赖性强，料场堆煤后会对地基有一定影响，综合对比后未采用复合地基方案。桩基础方案：采用灌注桩的基础形式，结合工程的实际情况，桩基础相对周围建筑物影响较小，设计时计入负摩阻力的影响，方案可行。

2.1 方案一(原桩基设计方案)

原设计方案(方案一)采用了桩基方案，原设计施工图采用直径0.8 m灌注桩，桩长20 m。

根据桩基规范，单桩极限承载力标准值计算公式为[3]：

Quk=u∑Ψsiqsikli+ΨpqpkAp(1)

Ra=Quk/2(2)

由式(1)、式(2)求得，单桩竖向承载力特征值为1019 kN。

基桩抗拔极限承载力标准值计算公式为：

Tuk=∑λiqsikuili(3)

由式(3)求得，基桩抗拔极限承载力标准值为1172 kN。

对于ρ>0.65%的基桩，单柱水平承载力特征值估算公式[3]：

由勘察单位提供的用于基桩水平承载力计算的桩侧土水平抗力系数的比例系数①层值为10 MN/m4，②层值为12 MN/m4，0.8 m灌注桩单桩水平承重力计算结果如下：

由式(6)得，m=11.2 MN/m4；由式(5)得，桩的水平变形系数α=0.51 m-1。代入νx和EI，由式(4)得，单桩水平承载力特征值Rha=199 kN。

考虑到网架推力和堆煤荷载长期存在，根据规范要求对该系数进行折减，折减系数取0.4。由式(4)—(6)得，0.8 m灌注桩单桩水平承重力计算结果为：m=4.5 MN/m4，α=0.43 m-1，Rha=115 kN。从水平承载力考虑，每个支座初步估算需要基桩数量为n=1334/115=11.6，取12根。考虑按4×3的布置形式。纵墙需要基桩数量为52×12=624根。原设计方案(方案一)采用了此种布置形式。由于该工程桩顶2(d+1)范围内土层土质参数较差，m值较小，单桩水平承载力计算值偏低。另外，对比可知由于基桩受到长期荷载，承载力折减非常明显，仅为一般基桩水平承载力特征值的58%，造成了地基处理费用远超建设单位的预期投资。

2.2 方案二(计入群桩效应)

根据单桩承载力计算结果，按4×3的布置形式可形成群桩基础。可以计入群桩效应，对基桩承载力特征值进行调整。

计入群桩系数的单桩水平承载力计算如下[3]：

Rh=ηhRha(7)

考虑地震左右且Sa/d≤6时：

ηh=ηiηr+ηl(8)

考虑群桩效应对水平承载力的提高，拟按3×3布桩，验算单桩承载力，由式(7)—(11)得：ηi=0.65，群桩效应综合系数ηh=1.33，Rh=153 kN。经计算，考虑群桩效应时，每个承台所需桩数为1334/153=8.7，取3×3的布桩形式，每个承台共需布置9根桩，与假设情况一致。纵墙需要基桩数量为52×9=468根。与原设计方案对比工程量节省25%。

3 斜-直群桩方案

3.1 斜-直群桩方案的有限元分析

考虑工程受力特点，水平力为影响桩基数量的控制因素，竖向承载力容易满足[1]。因此，有效提高水平承载力是优化的关键点[2]。斜桩在码头桥梁上用于抵抗较大的水平载荷具有丰富的工程经验[3]，国内外学者采用模型试验[4，5]、数值模拟[6]的方式对斜桩的承载能力进行研究[7]，斜桩具有良好的水平承载力特性[8]，选择合适的倾斜角度，可以做到兼顾竖向承载力的同时提高水平承载力[9]。

杨征宇等[10]通过试验得到斜桩的土抗力分布曲线，试验表明，负斜桩的水平承载力大于竖直桩，桩身挠度和内力均小于竖直桩。秦力等[11]通过桩基静载试验和有限元数值模拟相结合的方法，表明在倾斜角为9.5°时，斜桩呈八字形布置的水平承载力约为竖直群桩的水平承载力特征值的3倍。何振宇[12]采用模型试验与数值分析相结合的方法，得出斜-直群桩水平承载力优于竖直布置的群桩，且同一布置形式的群桩水平承载力随斜度的增大而增加。

结合本工程特点，采用MIDAS GTS有限元数值模拟分析，通过各种布置形式对比，采用3×2的斜-直群桩基础，根据相关研究[13]并结合施工情况[14，15]，斜桩采用倾斜度11.3°，如图4所示。

图4 斜-直群桩承台布置(mm)

MIDAS GTS有限元模型土体采用Mohr-Coulomb本构模型[16，17]，桩基采用桩单元模拟土层与桩的摩擦特性[18]，湿陷性黄土遇水后力学参数会发生变化，黄土湿陷时土体本构变化复杂无法完全有效模拟，国内外现有有限元软件模拟黄土湿陷时，主要通过改变黄土的物理力学参数来模拟黄土的变化，根据国内外学者研究结果一般取0.7～0.8的折减系数[19]。模型中通过增加施工阶段的方式模拟浸水后黄土这一特性。施工阶段主要如下步骤：①土层建立，初始应力场形成；②桩基激活，对位移清零；③湿陷性土层浸水饱和容重增加，物理力学参数折减，模拟湿陷性；④桩基外部荷载施加。土层参数见表1。

经过有限元分析，在网架荷载和堆煤荷载的共同作用下，桩和土体位移如图5所示。桩的最大位移发生在桩顶附近，水平位移随深度增加而减小，最大位移为8.6 mm，满足桩基规范不大于10 mm的要求。基桩的最大竖向位移为12 mm，满足桩基规范的不大于40 mm和0.05D的要求。

图5 桩基位移

根据计算结果，采用3×2的斜-直桩群桩布置方式能够满足承载力的要求。斜桩在同样的外荷载作用下，由于力的分解，所受的轴向力比竖直桩大，而横向力(水平力分解在垂直于桩轴线的力)比竖直桩小。为了桩端进入压缩性低、相对坚硬的4层全～强风化泥岩层，因此对桩长没有优化，根据有限元结果，竖向承载力有足够的安全储备。呈八字形布置的斜桩，所形成的独特桩、承台、土体三维空间体系，能够有效提高群桩的水平承载力。

3.2 浸水静载试验对比

根据规范要求基桩的承载力应通过静载试验确定，由于存在湿陷性土，静载试验采用慢速加载的浸水静载试验。为贴合工程实际，模拟真实的受力，取承台的一半即采用一组斜-直桩进行试验，包含了上部承台部分，如图6所示，每个支座承受的水平荷载为1334 kN。半幅承台承受的水平荷载取总荷载的一半即667 kN，浸水静载试验的最大水平荷载的加载量取1200 kN，分10级加载。慢速加载的浸水试验的H-Y0曲线如图7所示。图7拐点出现在960 kN时，水平位移为8.2 mm，对于配筋率大于0.65%的基桩，基桩的水平极限承载力Hui取拐点出现时的加载值即960 kN，10 mm位移对应的加载量为1020 kN，取小值该组基桩的承载力特征值为0.75Hui即720 kN。通过实验结果曲线可知在工程实际受力的状态下承台的位移小于有限元分析的计算值，有限元分析结果有一定的安全储备。

图6 水平静载试验平面布置

图7 水平静载试验H-Y0曲线

单桩竖向抗压静载试验、抗拔静载试验结果：单桩竖向静载试验结果Rah=1125 kN，Tuk=1300 kN，说明斜桩对竖向承载力影响较小。

4 经济指标对比

为满足桩间距的要求，承台的尺寸随着基桩数量的减少而减小。承台由原来的8.8 m×6.4 m优化为6.4 m×4.0 m，各方案承台的平面尺寸如图8所示，承台的板厚同时进行优化。按照预算计算标准，定额标准统一采用《煤炭建设地面建筑工程消耗量定额(2015除税计价)》，材料调差均按照施工地定额站下发的文件进行调整，斜桩造价结合施工情况提高0.2的单价。对承台和基桩的造价对比。经核算后对比见表2。

表2 各方案造价对比

图8 各方案承台平面

优化方案在减少基桩数量的同时可以大幅度节省承台的造价。优化后的方案比原方案节省投资九百多万元，优化比率超过50%。

5 结 语

水平承载力为大跨度储煤场网架基础控制的重点，基础稳定性主要受抗滑移和抗倾覆安全系数控制。数值分析和试验验证，表明了斜-直桩群桩基础较竖直的群桩对于抵抗水平荷载有明显的优势。由于原设计单位的方案远远超出建设单位预期造价，项目一直搁置无法向前推进。优化后的方案降低了工程建设的成本，推进了工程的顺利开展。在国家不断提高环保要求，大力开展煤场封闭的浪潮中，斜-直桩群桩的方案为众多同类工程设计提供了参考。