復(fù)雜地質(zhì)條件下儲(chǔ)煤場PHC群樁加固方案研究

梁 龐

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

雖然近年來我國加大了清潔能源的建設(shè)力度，但火電依然是我國電力能源的主要供應(yīng)方式。火電生產(chǎn)需要大量的煤炭資源，為了適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的需要，對儲(chǔ)煤場的建設(shè)要求也越來越高，朝著規(guī)模更大、參數(shù)更高的方向發(fā)展，因此，當(dāng)代儲(chǔ)煤場具有直徑大、堆煤高、樁基受力復(fù)雜的特點(diǎn)[1-4]。儲(chǔ)煤場的擋土墻不僅要受到自身上部結(jié)構(gòu)和堆煤荷載的作用，還會(huì)受到下部地基土變形對樁基產(chǎn)生的側(cè)壓力，如若處置不當(dāng)，就會(huì)造成擋煤墻出現(xiàn)沉降變形或者傾倒破壞，對于儲(chǔ)煤場的長期運(yùn)營安全具有重要影響。當(dāng)前，擋煤墻的主要處理方式是進(jìn)行多排樁基處理，但是由于多排樁基布置又會(huì)導(dǎo)致前后排樁受力出現(xiàn)較大差異，也很可能出現(xiàn)排樁局部受力變形過大而破壞的風(fēng)險(xiǎn)[5-11]。

沿海沖積平原地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，分布著較厚的軟土地層，在此區(qū)域修建大型儲(chǔ)煤場，需要對軟土地基進(jìn)行特殊的加固處理。而預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC管樁)是處理軟弱地基最常用的方法之一，具有承載力高、施工速度快、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)[12-13]。因此，本文對軟弱復(fù)雜地質(zhì)條件下多排群樁的受力和變形特性開展專項(xiàng)研究，以期能為工程設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況

沿海某市一火電廠擬新建一座工業(yè)儲(chǔ)煤場，煤場位于河流入?？跊_積平原的前緣，地質(zhì)條件較差，主要為粉土、細(xì)砂、黏性土等軟弱地層，在軟弱地層之下分布有強(qiáng)度較高的砂性地層，地基土在水平和垂直方向的差異不明顯，層位及厚度均相對穩(wěn)定。煤場設(shè)計(jì)為圓形構(gòu)造，上部結(jié)構(gòu)為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)為整體式擋煤墻，煤場基礎(chǔ)擬采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁(PHC)+樁基承臺(tái)環(huán)形基礎(chǔ)的形式進(jìn)行加固，承臺(tái)設(shè)計(jì)埋深3～4 m，PHC樁的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C80。為了改善地質(zhì)條件，在原地基之上進(jìn)行了大面積的吹填，吹填厚度約為5 m。擬建儲(chǔ)煤場地基土基本情況見表1。

表1 儲(chǔ)煤場地基土物理力學(xué)基本參數(shù)

2 群樁布設(shè)方案

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查情況，儲(chǔ)煤場地基持力層位于地下約42 m處，而樁基承臺(tái)設(shè)計(jì)埋深為3～4 m，因此，承臺(tái)之下PHC樁的長度應(yīng)為38～39 m。為了使儲(chǔ)煤場群樁基礎(chǔ)受力變形更加合理，設(shè)計(jì)了兩種群樁布設(shè)方案(圖1)。

方案具體情況：

方案一(三排樁布設(shè)方案)：儲(chǔ)煤場內(nèi)排樁距離中心半徑為48.59 m，外排樁距離中心半徑為52.79 m。儲(chǔ)煤場埋深設(shè)計(jì)值為3.5 m，擋煤墻的高度為17.5 m，采用變截面形式布置，從上至下逐漸由0.9 m增加至1.1 m厚，環(huán)梁的寬度和厚度分別為2.34 m和1.0 m，承臺(tái)高度為2.5 m，寬度為6 m，承臺(tái)下PHC預(yù)應(yīng)力管樁長度為38.5 m，樁徑為0.6/0.13 m，沿徑向3排布置，PHC管樁樁間距為2.1 m，環(huán)向間距設(shè)計(jì)為2.5°。

方案二(四排樁布設(shè)方案)：儲(chǔ)煤場內(nèi)排樁半徑為46.3 m，外排樁半徑為53.5 m。儲(chǔ)煤場的埋深設(shè)計(jì)值為3 m，擋煤墻的高度仍為17.5 m，也采用變截面形式布置，從上至下逐漸由1.0 m增加至1.3 m厚，環(huán)梁的寬度和厚度分別為3.8 m和1.0 m，承臺(tái)高度為2.0 m，寬度為8.4 m，承臺(tái)下PHC預(yù)應(yīng)力管樁長度為39 m，樁徑為0.6/0.13 m，沿徑向4排布置，PHC管樁樁間距為2.4 m，環(huán)向間距設(shè)計(jì)為3°。

圖1 群樁布設(shè)方案

3 有限元計(jì)算模型

3.1 有限元模型

為對比兩種群樁布設(shè)方案的優(yōu)劣，選出最合理的布樁方式，擬采取數(shù)值分析方法進(jìn)行模擬分析。數(shù)值模擬的范圍：沿煤場徑向方向取75 m，沿煤場深度方向取60 m，環(huán)向圓心角取值為10°。有限元本構(gòu)模型采用Drucker-Prager 模型來模擬PHC樁-土之間的相互作用力，PHC樁與周圍土體采用剛體(PHC樁)-柔體(土體)接觸形式的面-面接觸單元，樁體選用Targel69單元，土體選用Contal74 單元，接觸單元選用Targel70接觸單元。建立的有限元模型示意圖(圖2)。

圖2 有限元模型

3.2 荷載及邊界條件

荷載條件：PHC樁受力較為復(fù)雜，主要包括結(jié)構(gòu)自重、堆煤體產(chǎn)生的水平力以及地下土體變形產(chǎn)生的側(cè)壓力。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，堆煤體的質(zhì)量密度可設(shè)定為1100 kg/m3，從距離場中心4 m處開始堆積，堆煤體的最大高度為27.5 m，位于堆煤場場中心距離約35 m處，在擋煤墻處，堆煤體高度為16.5 m，堆煤傾角大約為38°，將堆煤體側(cè)壓力系數(shù)取值為0.5。網(wǎng)架傳給環(huán)梁支點(diǎn)的豎向力和徑向水平力分別為370 kN和48 kN。

邊界條件：沿樁基環(huán)向布設(shè)方向?qū)ν馏w施加左右環(huán)向?qū)ΨQ約束，同時(shí)對土體前后兩側(cè)施加徑向變形約束，對土體底部施加全約束。在樁基施工之前，場地土體已經(jīng)完成固結(jié)，因而在模擬計(jì)算時(shí)，需要先將樁基和承臺(tái)單元固定，使地基土在自重荷載作用下保持位移為0，待地基土完成自地應(yīng)力平衡后，再施加堆煤體荷載，從而計(jì)算樁-土受力和變形。

3.3 土層參數(shù)修正

為進(jìn)一步簡化計(jì)算過程，根據(jù)土體性質(zhì)將地基土體劃分為吹填土、粉質(zhì)黏土和砂土三層，經(jīng)簡化過后的土體需要進(jìn)行土層參數(shù)優(yōu)化，調(diào)整后的各土層參數(shù)見表2。根據(jù)調(diào)整后各土層參數(shù)，在現(xiàn)場進(jìn)行了單樁試驗(yàn)，并與室內(nèi)有限元模擬值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖3。由圖3可見，隨著荷載增加，水平位移和豎向位移近似呈線性增長，采用優(yōu)化后的土層參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，水平位移數(shù)值模擬結(jié)果與單樁試驗(yàn)結(jié)果相差不明顯，平均誤差值僅為9.6%，豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果與單樁試驗(yàn)結(jié)果基本一致，平均誤差值僅為7.7%，表明優(yōu)化之后的土層參數(shù)與實(shí)際情況基本符合，模擬計(jì)算結(jié)果合理可信。

表2 土層簡化后基本物理力學(xué)參數(shù)

圖3 數(shù)值模擬與單樁試驗(yàn)結(jié)果對比

4 布樁方案數(shù)值模擬對比

4.1 水平剪力

模擬得到的兩種群樁布設(shè)方案下的水平剪力隨樁身長度的變化特征見圖4。由圖4可知，不論是三排樁還是四排樁布設(shè)，水平剪力最大值均出現(xiàn)在樁頂附近，且內(nèi)排樁的水平剪力大于外排樁的水平剪力；三排樁時(shí)，樁頂和樁底受到的是反向水平剪力，而四排樁時(shí)，第一、二排樁樁頂受到的是反向水平剪力，而第三、四排受到的是正向水平剪力，樁底均為反向水平剪力；隨著樁身長度(埋深)的增加，樁體受到的水平剪力逐漸減小并穩(wěn)定在10 kN～20 kN，當(dāng)樁身長度達(dá)到10 m之后，三排樁和四排樁的水平剪力值基本相等，這表明排樁布設(shè)形式對樁體水平剪力的影響較小。

圖4 水平剪力模擬結(jié)果

4.2 軸向受力

模擬得到的兩種群樁布設(shè)方案下的軸力隨樁身長度的變化特征見圖5。由圖5可見，在三排樁布設(shè)情況下，第一、第二排樁的軸力隨著樁身長度的增加呈先增大后減小的變化特征，最大軸力出現(xiàn)在樁體約20 m處，分別為2100 kN和1780 kN；第三排樁軸力隨著樁身長度的增加而逐漸減小，在10～25 m深度下，軸力比較均衡，約保持在1650 kN。在四排樁布設(shè)方案下，第一、二排樁的軸力也呈先增大后減小的變化特征，最大軸力均出現(xiàn)在20 m深處，分別為2475 kN和1820 kN，而第三、四排樁的軸力則是呈逐漸減小的變化趨勢，并且在10～30 m時(shí)，軸力保持較為均衡，且分別保持在1510 kN和1250 kN附近。三排樁樁頂受力分別為1275 kN、1425 kN和1940 kN，四排樁樁頂受力分別為1220 kN、1490 kN、1640 kN和1500 kN，從受力情況來講，四排樁的軸向受力更加均衡，三排樁的布置形式較為不利。

圖5 軸力模擬結(jié)果

4.3 樁身彎矩

模擬得到的兩種群樁布設(shè)方案下的樁身彎矩隨長度的變化特征見圖6。由圖6可見，不論是三排樁還是四排樁，最大彎矩均出現(xiàn)在樁頂或者表層(吹填土層)。在三排樁布設(shè)方案下，最大樁身彎矩都出現(xiàn)在樁頂處，第一、二、三排樁的樁頂彎矩分別為185 kN、118 kN和70 kN；在四排樁布設(shè)方案下，第一、二排樁的最大彎矩出現(xiàn)在樁頂處，分別為131 kN和70 kN，第三、四排樁的最大彎矩出現(xiàn)在樁身長度約10 m處，最大彎矩分別為55 kN和45 kN。從樁身彎矩情況來看，三排樁布置形式較為不利。

圖6 彎矩模擬結(jié)果

4.4 水平位移

模擬得到的兩種群樁布設(shè)方案下的水平位移隨樁身長度的變化特征見圖7。由圖7可見，隨著樁身長度的逐漸增加，樁體水平位移呈先增大后減小的變化特征，外排樁的水平位移小于內(nèi)排樁的水平位移，最大水平位移均出現(xiàn)在吹填土和粉質(zhì)黏土的交界處(約15 m深處)，這是因?yàn)閮蓚€(gè)地層之間的交界面膠結(jié)聯(lián)結(jié)力較弱，在受力作用下易產(chǎn)生變形。在三排樁布設(shè)方案下，最大水平位移分別為42 mm、37 mm和32 mm；在四排樁布設(shè)方案下，最大水平位移分別為39 mm、34 mm、29 mm和24 mm。根據(jù)《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)中的相關(guān)規(guī)定[14]，在軟土地基中，當(dāng)樁身水平位移超過40 mm時(shí)，會(huì)造成樁基發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，從水平位移模擬結(jié)果可知，三排樁第一排樁很可能會(huì)發(fā)生樁基破壞，故而此種布設(shè)方案不利。

4.5 方案對比

從兩種布設(shè)方案的群樁受力變形可知，三排樁布設(shè)方案軸向受力和樁身彎矩更大，且第一排樁最大水平位移超過40 mm，容易導(dǎo)致樁體發(fā)生破壞；與此同時(shí)，在非飽和土體中，工程中常用的最小樁中心間距為4倍樁體直徑，本工程PHC樁體直徑為0.6 m，因此，理論上最小樁間距應(yīng)為2.4 m，因此，從各項(xiàng)因素對比來講，選取四排樁布設(shè)方案較為合理。

圖7 水平位移模擬結(jié)果

5 應(yīng)用效果

由于儲(chǔ)煤場位于沿海軟弱地基上，因此設(shè)計(jì)采用PHC管樁對其進(jìn)行加固處理，PHC管樁相對于其他處理方式，具有沉降小、單樁承載力高、樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)高、抗彎性能良好、能適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件、施工速度快工期短、檢測方便、地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)、對環(huán)境污染小、成樁質(zhì)量可靠、施工質(zhì)量易控制等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過計(jì)算分析，最終確定了四排樁的布設(shè)方案進(jìn)行施工，在施工過程中，在距離樁頂每隔3 m預(yù)埋測斜儀，通過測斜儀觀測樁基水平位移。施工結(jié)束后，測得地基最大豎向沉降值為13.5 mm，出現(xiàn)在第一排樁基承臺(tái)附近，最大水平位移為6.2 mm，出現(xiàn)在距樁頂約 30 m的樁基附近。煤場堆滿煤巖后，地基最大沉降值為127.3 mm，出現(xiàn)在堆煤區(qū)域的最高點(diǎn)附近；最大水平位移35.2 mm，出現(xiàn)在樁基下約15 m處。通過現(xiàn)場應(yīng)用效果可知，采用四排PHC管樁方案對該煤場進(jìn)行地基加固合理可行。

6 結(jié)語

1)土體參數(shù)對樁基受力和變形有較為重要的影響，因此，在利用有限元對兩種布樁方案進(jìn)行模擬計(jì)算前，需要對土層參數(shù)進(jìn)行簡化和修正，經(jīng)修正后的水平位移與豎向位移值與單樁試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，平均誤差均控制在10%以內(nèi)。

2)三排樁布設(shè)方案軸向受力和樁身彎矩更大，且第一排樁最大水平位移超過規(guī)范40 mm的限值，容易導(dǎo)致樁體發(fā)生破壞，同時(shí)考慮到非飽和土體中樁間最小間距要求，最終決定采用四排樁布設(shè)方案進(jìn)行地基加固。

3)經(jīng)PHC管樁加固后，地基最大豎向沉降和水平位移分別為13.5 mm和6.2 mm，堆滿煤巖后，最大豎向沉降和水平位移分別為127.3 mm和35.2 mm，均滿足工程規(guī)范要求。