作者简介:王 腾(1981—),男,大连海事大学高级工程师. 研究方向:电力基础工程计算与分析. E-mail:wangteng@snpdri.com
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1)大连海事大学土木工程系,辽宁大连 116026; 2)国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100095
1)Department of Civil Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning Province, P.R.China 2)State Nuclear Electric Power Planning, Design & Research Institute Co. Ltd., Beijing 100095, P.R.China
geotechnical engineering; soft soil site; pile group foundation; coal loading; finite element; numerical analysis
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2019.01067
为研究堆煤荷载作用下软土场地中群桩基础受力变形特性,基于有限元数值平台ABAQUS,建立了既定工况下考虑桩土相互作用的软土场地-群桩体系数值分析模型,分析堆煤荷载作用下软土场地-群桩体系的相互作用,探讨堆煤荷载作用下软土场地中群桩基础桩身受力及变形规律. 结果表明,堆煤软土场地中,在堆煤荷载和上部结构荷载的共同作用下,群桩基础桩身易产生较大侧向位移,同时桩身会产生较大拉应力,使得桩身稳定性、形变及承载能力无法满足工程要求. 此类软弱场地土中存在堆煤荷载作用时,需首先对场地采取真空预压地基处理措施,并进行计算校核,使软土场地-群桩相互作用体系达到承载变形要求.
In order to study the mechanical characteristics of pile group foundation in soft soil site with coal loading, we establish the two-dimensional numerical analysis model considering pile-soil interaction for the pile group-soft soil ground system based on finite element numerical platform ABAQUS. We discuss the mechanism of internal force and deformation of interaction system of pile group in soft soil site. The results show that the pile body of pile group foundation is liable to produce large lateral displacement under the joint action of coal-piling load and superstructure load in soft soil site, and the pile body will produce large tensile stress, which makes the stability, deformation and bearing capacity of pile body unable to meet engineering requirements. For coal loading on this kind of soft soil ground, the vacuum preloading foundation treatment measures should be taken on the site, meanwhile the calculation and verification should be carried out to make the pile group-soft ground interaction system meet the bearing deformation requirements.
随着现今社会对环境保护的关注度日益提升,中国不断增强对环境保护的重视,越来越多的大型火力发电厂的储煤场地采用全封闭式处理. 为满足煤场内部作业和储煤量要求,储煤场结构需要足够的跨度和高度. 此外,为满足地基承载力要求,这种大跨度和高度储煤场结构多采用群桩基础形式. 在软土场地中修建大型储煤场结构,由于堆煤荷载形式和软土场地特性,软土场地-群桩相互作用体系受力变形特性较为复杂. 因此,研究堆煤荷载作用下软土场地中群桩基础受力变形特性具有重要的实际意义和工程应用价值. 近年来诸多学者做了大量研究. 李志伟[1]利用平面应变有限元模型,采用硬化土本构模型,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[2]对软土场地-群桩体系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. 张琰等[3]对处于沿海软土基础的桩基进行了竖向抗压等力学实验,得到挤扩支盘桩基的力学响应规律.郭志广等[4-5]采用反分析法给出了目标函数的确定方法,探讨了桩基的荷载-沉降关系曲线. 彭龙仕等[6]采用PLAXIS 8.2软件,分析了新建于软基上高速公路的堆载对现有桥梁桩基的影响作用规律. WU等[7]采用FLAC3D软件,对建于软土基础上的高速公路进行群桩的实验和数值分析. 陈福江等[8]对铁路桥梁软土基础的桩基进行竖向位移检测,并将实测结果与规范算法进行比对. 丁任盛[9]通过开展现场原位试验,对深厚软土地基堆载对桩基影响规律进行研究. SHARAFI等[10]分析了边坡桩基在地面荷载作用下的动力效应. 郑明新等[11]基于ABAQUS数值分析平台,采用Drucker-Prager本构模型,分析了台后填土对桩基受力及变形的影响规律. 赵文强等[12]通过开展软土路基砂砾桩现场试验,研究了砂砾桩对处理高速公路软基的效果的影响因素. 周小文等[13]针对膜袋围堰堆载的特性,进行了软土基础的模型试验和数值计算分析,给出了新的软基破坏分辨性. CAI等[14]研究了桩基堆载作用对桩侧向位移的影响. 但上述研究未考虑桩的尺寸效应. 为进一步探讨堆煤荷载作用下软土场地中群桩基础桩身内力及变形规律,本研究基于堆煤荷载作用下的软土场地-群桩基础体系有限元分析模型,考虑地基土非线性,进行了既定煤场堆载工况下考虑桩土相互作用的软土场地-群桩体系二维有限元数值分析, 进一步探讨堆煤荷载作用下软土场地中群桩基础桩身内力及变形规律.
1)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. 混凝土弹性模量取32.5 GPa,泊松比为0.2,密度为2 500 kg/m3.
2)桩周土体采用Mohr-Coulomb本构模型,具体参数按表1选取.
3)土-桩界面采用罚函数法设置接触,摩擦系数取0.3.
煤场呈长方形分布,建模过程中根据现场勘查报告,依据典型勘探孔点地层信息,桩外侧土体取40 m,土体底部约束竖向和侧向自由度,土体两侧只约束侧向自由度,土-桩有限元模型如图4.
为使数值分析时场地获得一个存在的初始应力
场,而无初始变形状态,首先对自重作用下场地进行计算,获得初始应力场数据,然后将该数据导入模型中,获得自重作用下相互平衡的初始应力场.
平衡初始应力后,上部结构传递荷载,按均布荷载的形式施加到基础短柱上. 堆煤荷载则按照实际的堆煤曲线简化为梯形荷载,施加到土体表面.
桩身竖向位移等值云图如图5. 由图5可知,左侧边桩竖向位移最大值为83.2 mm,最小值为-59.1 mm(位移正负以建模坐标方向为准); 右侧边桩竖向位移最大值为27.8 mm,最小值为-21.1 mm; 中桩竖向位移最大值为-8.0 mm,最小值为-9.3 mm. 由于左侧土体淤泥质土层较厚,左侧边桩竖向位移较中桩和右侧边桩竖向位移幅值水平显著.
桩身水平位移云图如图6. 由图6可见,左侧边桩的正向和负向水平位移最大值分别为23.2 mm和-510.4 mm,右侧边桩的正向和负向侧向位移最大值分别为156.4 mm和-3.4 mm,中桩的正向和负向侧向位移分别为7.1 mm和-0.2 mm. 由于左侧土体淤泥质土层较厚,使得左侧边桩在较大的土体挤压作用下产生很大的侧向位移. 中桩在两侧堆煤荷载作用下,土体挤压作用相互抵消,使得中桩侧向位移幅值水平较低.
桩身轴力沿埋深分布如图7(拉力为正值,压力为负值). 由图7可见,左侧2号桩、3号桩和右侧1号桩(桩身按自左至右编号,下同)在堆煤荷载作用下产生较大的拉力,拉力最大值为309 kN,发生在左侧3号桩. 左侧边桩轴力沿桩身埋深分布趋势与右侧边桩一致,且由于左侧淤泥质土层较厚使得左侧边桩轴力水平较右侧边桩高. 中桩在两侧堆煤荷载作用下仅受到压力作用未出现拉力,受力状态较为安全.
桩身剪力分布如图8. 由图8可知,左侧边桩剪力最大值为308 kN,发生在左侧3号桩; 右侧边桩剪力最大值为262 kN,发生在右侧1号桩; 中桩剪力最大值为212 kN,发生在中桩1号桩. 左侧边桩剪力沿桩身埋深分布趋势同右侧边桩一致,且由于左侧淤泥质土层较厚使得左侧边桩剪力值较右侧边桩略大. 中桩1号桩和2号桩剪力基本呈对称分布,且中桩1号桩剪力水平较中桩2号桩高,同样是由于左侧淤泥质土层较厚导致.
桩身弯矩沿埋深的分布如图9. 由图9可知,左侧边桩弯矩最大值为518 kN·m,发生在左侧3号桩; 右侧边桩弯矩最大值为603 kN·m,发生在右侧1号桩; 中桩弯矩最大值为184 kN·m,发生在中桩1号桩. 左侧3号桩弯矩反弯点明显比右侧3号桩身弯矩反弯点埋深大,且反弯点所在位置与淤泥质土层分布位置一致. 中桩1号桩和2号桩弯矩基本呈对称分布,且由于左侧淤泥质土层较厚,使得中桩1号桩弯矩水平较中桩2号桩高.
本研究通过建立堆煤荷载作用下软土场地-群桩基础体系有限元分析模型,分析了既定工况下软土场地群桩基础受力及变形规律,结果发现:
1)软土场地中,在堆煤荷载和上部结构荷载共同作用下群桩基础桩身侧向位移较大(最大值为510.4 mm),无法满足桩身稳定性和变形要求.
2)群桩基础桩身产生较大拉力,左侧边桩和右侧边桩最大拉应力值超限,在较大拉力作用下桩身易发生破坏,无法满足承载力的要求.
3)建议针对软弱场地土层采取真空预压地基处理措施,并进行计算校核,使得软土场地-群桩相互作用体系达到承载变形要求.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
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主 编 李清泉
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