堆煤與地基相互作用的有限元分析討論

章亞申,張坤勇

(1.河海大學(xué)　巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇　南京　210098；

2.河海大學(xué)　巖土工程科學(xué)研究所，江蘇　南京　210098)

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堆煤與地基相互作用的有限元分析討論

章亞申1,2,張坤勇1，2

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；

2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098)

摘要：針對(duì)某堆煤球形倉(cāng)項(xiàng)目的樁基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析，利用PLAXIS有限元分析軟件，分別采用施加分布荷載和實(shí)體作用作為堆煤荷載的施加形式，同時(shí)參考分層總和法計(jì)算結(jié)果，對(duì)比討論不同方法得到的沉降、樁身內(nèi)力及變形等結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不考慮堆煤與地基的相互作用會(huì)大大高估地基的沉降變形值，造成設(shè)計(jì)過于保守，同時(shí)對(duì)于樁基礎(chǔ)的受荷分布也會(huì)產(chǎn)生改變，若樁基承載力不足，會(huì)對(duì)樁基加固位置產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷。

關(guān)鍵詞：堆煤加載；有限元分析；相互作用；PLAXIS

土與結(jié)構(gòu)的相互作用問題是地基基礎(chǔ)學(xué)科中的經(jīng)典問題[1-2]，以有限元為主的數(shù)值方法在處理復(fù)雜模型和邊界問題時(shí)顯得更具優(yōu)勢(shì)，因此常常運(yùn)用于基坑開挖、樁基礎(chǔ)分析等典型土與結(jié)構(gòu)相互作用的實(shí)際工程分析中，然而在這類問題分析中，如何將外部荷載很好地考慮到模型中，這對(duì)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響[3-7]?，F(xiàn)實(shí)中，許多有限元分析為了便于建模和計(jì)算，常常將實(shí)體作用簡(jiǎn)化成荷載形式施加于待分析物體，這樣就忽略了荷載與結(jié)構(gòu)的相互作用，而堆煤倉(cāng)對(duì)于地基結(jié)構(gòu)的作用無疑也屬于這一范疇[8-10]。本文的目的是借助某堆煤倉(cāng)的實(shí)際案例，分別采用傳統(tǒng)的荷載-結(jié)構(gòu)模型以及堆煤-結(jié)構(gòu)相互作用模型來進(jìn)行有限元分析計(jì)算，來發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果之間的差別，并給出堆煤倉(cāng)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有限元分析甚至其他類似有限元分析過程中的建議。

1工程概況

1.1　項(xiàng)目概況

某堆煤球形倉(cāng)，初步設(shè)計(jì)為6座直徑120m儲(chǔ)煤中轉(zhuǎn)庫，現(xiàn)在分步進(jìn)行實(shí)施，初期建造2座直徑120m儲(chǔ)煤庫。該球形倉(cāng)的建筑高度約68m，球面半徑約69m,高度約48m。球面外殼表面積19200m2，水平投影面積11880m2，穹頂?shù)撞堪霃郊s63m。本工程球形倉(cāng)采用分段式鋼筋混凝土環(huán)形檔料墻結(jié)構(gòu)，屋蓋采用雙層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。該球形倉(cāng)的環(huán)形擋料墻基礎(chǔ)采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁方案，庫芯區(qū)采用PCC現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁復(fù)合地基方案，但最終由于施工困難，仍采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁作為樁基礎(chǔ)加固，中心堆取料機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)采用后注漿灌注樁方案。

表1　球形倉(cāng)地基土物理力學(xué)參數(shù)表

1.2　工程地質(zhì)條件

該場(chǎng)地位于鹽田和海產(chǎn)養(yǎng)殖池，人類生產(chǎn)和工程活動(dòng)使得勘察區(qū)表層的土質(zhì)差別較大，屬于不均勻地基。表層粉質(zhì)粘土、粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土多呈軟塑—可塑狀，表層粉土為稍密狀，土質(zhì)較差，壓縮性高，承載力低，未經(jīng)處理不宜直接作為基礎(chǔ)持力層。①粉土呈中密—密實(shí)狀，土質(zhì)相對(duì)較好，該層土可作為一般淺基礎(chǔ)持力層，由于粉土有擾動(dòng)后易液化現(xiàn)象，因此對(duì)其利用時(shí)，施工過程中應(yīng)避免過大的擾動(dòng)。①粉土下部的②粘土為高壓縮性土層，地基承載力較小，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行軟弱下臥層驗(yàn)算。地基土物理力學(xué)參數(shù)可見表1。

2有限元模型建立

本案例的有限元建模分析采用Plaxis2D軟件進(jìn)行，其程序中板單元可以用來模擬地層中細(xì)長(zhǎng)的、且具有相當(dāng)抗彎剛度和軸向剛度的結(jié)構(gòu)對(duì)象，如擋土墻、隧道襯砌、樁基礎(chǔ)等[11]。板的材料性質(zhì)主要由兩個(gè)參數(shù)決定，即抗彎剛度EI和軸向剛度EA，板的等效厚度可由公式(1)確定。

(1)

Plaxis中還設(shè)置了用于模擬土與結(jié)構(gòu)相互作用的界面單元，眾所周知，樁基礎(chǔ)打入地層后會(huì)使得基樁周圍的土層松動(dòng)、強(qiáng)度降低，因此，在Plaxis中可以設(shè)置樁周土體強(qiáng)度的折減系數(shù)Rinter來模擬松動(dòng)區(qū)域的土層的強(qiáng)度降低，是一種有效的模擬方法。

2.1　計(jì)算區(qū)域及邊界條件

鑒于整體堆煤倉(cāng)模型關(guān)于中心取料機(jī)中心對(duì)稱，因此模型選擇為軸對(duì)稱模型，如圖1。

對(duì)于模型的邊界條件，如選取不當(dāng)，可能會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。進(jìn)行有限元分析時(shí)，主要需要考慮的是地基的邊界范圍和約束條件的確定。一般來說，地基邊界采用截?cái)噙吔绮粫?huì)引起太大的誤差，截?cái)噙吔鐟?yīng)遠(yuǎn)離受力區(qū)域[12]，因此，本模型在水平范圍內(nèi)，截?cái)噙吔缇嚯x樁基礎(chǔ)仍留有2～3倍基礎(chǔ)寬度，深度方向考慮建模至變形微小的土層，因此最終確定的模型土層范圍選取為180m×70m。

對(duì)于截?cái)噙吔绲拿枋鰹椋耗Ｐ蛢蓚?cè)邊界的水平向位移被限制，而模型底部的水平及豎直兩個(gè)方向的位移都被限制。

2.2　土層參數(shù)

土體模型選擇莫爾-庫侖模型，根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告顯示的土層信息，將土層劃分為9層，具體計(jì)算參數(shù)見表1。

2.3　模型附加材料

(1)樁基礎(chǔ)：根據(jù)設(shè)計(jì)方案，樁基礎(chǔ)采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁，采用板單元模擬，等效厚度0.6m，樁土之間的相互作用采用界面單元模擬，界面強(qiáng)度折減系數(shù)根據(jù)樁體和土體材料性質(zhì)可選為0.7。

(2)墊層：由于在堆煤過程中需要考慮避免荷載的受力集中而鋪設(shè)墊層，因此在建模時(shí)樁基礎(chǔ)區(qū)域范圍內(nèi)的地表處設(shè)置厚度為1m的墊層材料，用于分散上部堆煤荷載傳下來的壓力。

(3)扶壁式擋墻：考慮到扶壁式擋墻是重力式結(jié)構(gòu)而非以彎曲受力為主的板式結(jié)構(gòu)，故采用一個(gè)大剛度實(shí)體塊來模擬。

(4)取料機(jī)下的加固土層：由于并不是關(guān)注重點(diǎn)，中心取料機(jī)下部的灌注樁在建模時(shí)并沒有設(shè)置，而是通過提升該塊區(qū)域的土體模量來模擬材料力學(xué)性質(zhì)的加強(qiáng)。

2.4　分布荷載與實(shí)體堆載模型

針對(duì)堆煤荷載的模擬，分布荷載分別施加于墊層以及扶壁式擋墻之上，設(shè)置實(shí)體堆煤區(qū)域形成與地基基礎(chǔ)的相互作用。荷載-結(jié)構(gòu)模型見圖2。

2.5　分析步驟

(1)地應(yīng)力平衡：在有限元分析中，由于土體受自重荷載會(huì)產(chǎn)生變形，加上樁基礎(chǔ)和擋土墻施工，又會(huì)產(chǎn)生新的變形，在進(jìn)行本文問題的研究中，可以將以上因素產(chǎn)生的變形予以忽略，只關(guān)心堆煤荷載作用在地基結(jié)構(gòu)之后的變形和受力情況。

表2　兩種模型最大樁身內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表

(2)堆煤荷載的施加：分別采用分布荷載施加以及堆煤實(shí)體作用兩種施加荷載的方式，以探索兩種不同加荷模式對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來的影響。

3結(jié)果分析與討論

3.1　地基沉降

如圖3的地基沉降計(jì)算云圖所示，分布荷載模型在靠近地表和樁間土體沉降量明顯大于實(shí)體堆載模型。前者的地表沉降為34.4cm，后者為19.1cm，而根據(jù)傳統(tǒng)的分層總和法計(jì)算得到的地基土沉降值為29.2cm，更接近分布荷載模型的結(jié)果，而這也正說明將實(shí)體重力荷載作用簡(jiǎn)化成作用于受力表面的上部自重分布荷載往往會(huì)高估地基的沉降變形，這是因?yàn)榉謱涌偤头ǖ挠?jì)算荷載也是通過簡(jiǎn)化成分布荷載完成的。

二維分布荷載的有限元模型在計(jì)算地基沉降時(shí)相較于一維的分層總和法考慮了土體側(cè)向的壓力，而不是如一維條件下的完全側(cè)向約束，因此結(jié)果會(huì)比分層總和法的計(jì)算結(jié)果偏大，然而在考慮實(shí)體作用的有限元分析后，實(shí)際的沉降值更小，所以采用分布荷載去模擬豎向堆載的實(shí)例仍趨于保守，對(duì)于以土體沉降為控制標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)會(huì)造成不小的浪費(fèi)。

3.2　樁身內(nèi)力與變形

將本模型的14根豎樁按圖2所示從左至右依次排列命名，根據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果，兩種計(jì)算模型存在以下的差別：

(1)最大樁身變形：由于該案例主要為豎向受荷，對(duì)樁的水平作用不明顯，而計(jì)算結(jié)果也顯示各根樁的水平位移相對(duì)于豎向位移可忽略不計(jì)，因此僅比較兩種模型豎向位移的差別。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，分布荷載模型中樁身變形最大位置出現(xiàn)在P8號(hào)樁，為21.8cm，而實(shí)體堆載模型出現(xiàn)在P5號(hào)樁，為17.7cm,由此可見，簡(jiǎn)化分布荷載不僅會(huì)使得變形量增大，還會(huì)使樁基礎(chǔ)最大受力點(diǎn)向集度最大點(diǎn)偏移，而實(shí)際情況下，上部堆煤體會(huì)朝著最高點(diǎn)往下滑動(dòng)變形，由此使得地層最大受荷點(diǎn)偏離預(yù)想簡(jiǎn)化荷載最大集度處，從而使得分布荷載模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)生一定的偏差。

(2)最大樁身內(nèi)力：最大樁身內(nèi)力統(tǒng)計(jì)情況如表2所示，從內(nèi)力值來看兩種模型的結(jié)果相差不大，主要的區(qū)別在于最大受荷點(diǎn)的位置，分布荷載模型最大受荷點(diǎn)在分布荷載集度最大值附近，即P8至P10號(hào)樁之間，而實(shí)體堆載模型中最大受荷點(diǎn)的位置處于P2至P4號(hào)樁之間，這和上述最大樁身變形的規(guī)律是相符的。

4結(jié)論

1)上部堆煤體簡(jiǎn)化成分布荷載的有限元分析結(jié)果顯示土體變形明顯大于考慮堆煤與地基相互作用的模型，會(huì)使得以地基變形為控制量的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過于保守。

2)堆載的簡(jiǎn)化同時(shí)也會(huì)造成樁基最大內(nèi)力位置的偏移，如果樁基承載力不滿足需要進(jìn)行加固，會(huì)對(duì)加固位置的判斷造成錯(cuò)誤。

3)如果在有限元分析中由于建模的復(fù)雜不得不簡(jiǎn)化荷載，需要?jiǎng)討B(tài)地考慮上覆堆煤體或是其他需要簡(jiǎn)化成荷載的實(shí)體的變形趨勢(shì)，準(zhǔn)確地預(yù)估荷載作用面上的荷載壓力值，否則結(jié)果的可參考性將大大降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]HETENYIM.Beamsonelasticfoundation.AnnArborUniversityofMichiganPress，1946.

[2]VORSTERTEB，KLARA，etal.Estimatingtheeffectsoftunnelingonexistingpipelines.JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2005，131(11)：1399-1410.

[3]武亞軍.基坑工程中土與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用及邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析.大連:大連理工大學(xué),2003.

[4]許錫昌.土壓力問題與基坑變形分析.武漢:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2004.

[5]韓偉平.涵洞土壓力有限元施工分層填筑模擬與試驗(yàn)研究.太原:太原理工大學(xué),2007.

[6]邢肖鵬.擋土墻土壓力有限元模擬分析.山西水利科技，2002(4)：1-3.

[7]朱合華.地下建筑結(jié)構(gòu).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[8]翟建強(qiáng)，薛飛，葛忻聲.圓形煤場(chǎng)結(jié)構(gòu)和地基共同作用設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2012(Z1)：247-250.

[9]李桂慶，弓建新，陳明祥.發(fā)電廠圓形封閉煤場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的有限元分析.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2015(2):88-91.

[10]汪碧飛，陳明祥，湯正俊，等.大型整體式貯煤筒倉(cāng)基礎(chǔ)有限元分析.巖土力學(xué),2010(6):1983-1988.

[11]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.PLAXIS巖土工程軟件使用指南.北京:人民交通出版社,2010.

[12]盧廷浩.巖土數(shù)值分析.北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

(特約編輯李軍)

Discussionoffiniteelementanalysisofcoal-foundationinteraction

ZHANGYa-shen1,2,ZHANGkun-yong1,2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Jiangsu

Nanjing210098,China;2.GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

Abstract：Combiningwithsomecoalbunkerproject,twokindsofmodelingmethodsareusedthroughthesoftwarePLAXIS.Theloadingeffectofcoalissimplifiedasdistributedloadonthefoundationintheformermodelwhileinteractionofcoalandfoundationisemphasizedinthelatterone.Consideringtheresultofsplittingsummationmethod,wecantellthedifferenceofthetwomodelingmethodsintermsofgroundsettlementandstructuralresponseofpilefoundation.Itisfoundoutthatthesettlementoffoundationcanbeoverestimatedwithoutconsiderationofcoal-foundationinteractionwhichisthoughttobeconservativeindesign.Moreover,astotheformermodel,thedistributionofloadtransferredfromcoalalsodiffersalotfromtheonetakingaccountofcoal-foundationinteraction,thusmaycausingmisjudgmentifpilecapacityisnotsatisfied.

Keywords：coalloading;finiteelementanalysis;interaction;PLAXIS

中圖分類號(hào)：TU470

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2015)04-0029-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.007

作者簡(jiǎn)介：章亞申(1990-)，男，上海人，碩士，從事土與結(jié)構(gòu)相互作用方面的研究。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(B15020060)

收稿日期：2015-09-22