原料场土体变形及其对倾斜桩基的影响分析

原料场土体变形及其对倾斜桩基的影响分析

葛尹

葛尹

上海浦东建筑设计研究院上海201204

摘要：本文根据某露天料场一、二期的原始地勘数据及其堆载多年后的更新地勘数据，结合原始监测数据，对其三期料场满载堆载后的沉降和土体变形进行了数据预测，并利用专业岩土有限元分析软件FLAC对三期料场封闭后室内料石堆载对土体的变形特征、长斜桩基的水平位移及受力进行分析。历年实测数据结合数值计算的结果对比，得出土体固结和前期变形已基本完成，桩基水平位移和受力均在可控范围之内等结论，且土体变形不会造成桩基的结构性破坏。对料场的桩基的设计和方案可行性具有指导意义。

关键词：料场，堆载预压，蠕变变形，固结，长斜桩，倾斜桩基

一．概况

上海某料场自97年9月交付使用，至今已20年有余，现因节能环保的需要，需对料场进行密闭处理。密闭的大棚将采用桩基，而土体变形将对桩基产生一定水平推力、弯矩和位移，这些均与土体的变形息息相关。

三期原料场地基处理采用砂桩处理，砂桩长度20m，上部5m桩径500，下部15m桩径700，间距1.7m，分级堆载预压，堆载大小约为330kPa。持续多年的堆载预压，料场下部土体变形已大部分完成、土体强度已经有了一定的提高，但土体变形对桩基将产生多大的影响，需进行细致的研究。

二．土体变形分析

2.1一、二期原料场沉降分析

2.1.1一、二期矿石堆场实测沉降及其双曲线模型预估

由于未查询到一、二期原始的监测数据，本文根据一、二期原料场典型沉降曲线，利用双曲线沉降模型，对满载后的总沉降进行预估，沉降预测模型的核心是选择一条符合实际沉降规律的历时曲线作为基本拟合曲线，通过对实测数据的回归确定拟合曲线的参数，进而预测沉降发展规律。双曲线沉降预测模型的数学表达式为：

以堆载有效时间500d作为沉降预测f的起始时间，则初期沉降量S0为1.51m，t0＝0。根据沉降观测数据可得总沉降量，，待定系数，得出从1990年算起的20年后（有效预压时间按10年计算），土体的固结度达到99.6%，工后沉降约为8mm。二期原料堆场双曲线预估沉降与实测曲线对比图如图1所示：

图1一、二期原料堆场双曲线预估沉降与实测曲线对比图

2.1.2一、二期矿石堆场沉降理正软件分析

采用理正岩土专业软件对一、二期矿石堆场的沉降进行分析，其结果如下：其总沉降约为1.960m，堆载预压20年后，其固结度约为99.8%，其残余沉降约为4mm。

图2一、二期原料堆场理正堆载模型

图3一、二期原料堆场固结度-时间曲线

故无论从实际监测数据推算，还是采用理正岩土软件计算，均可得到，一、二期料场经过将近20年的运营后，其固结度均已达到99.6%以上，其工后沉降均不足8mm。

2.2三期原料场沉降分析

以三期原料场M测点数据为例进行分析，其从97-11-4开始观测至99-10-13日结束，共沉降了862mm，以其实测数据为基础，进行预估可以得到，其总沉降1081mm，至现在，其固结度达到98%，今后的残余沉降为19.9mm。

图4三期原料堆场双曲线预估沉降与实测曲线对比图

同样采用理正岩土计算软件可以得到，其土体的总沉降为1.623m，至现在其固结度达到99%以上，其后的残余沉降约为16mm。

2.3水平位移分析

2.3.1实测水平位移

原料堆场的水平位移在第一级堆矿后，矿堆坡脚部分地面的位移逐渐加大到20mm；第二级堆矿后，逐渐加大到59mm，以后，受相邻堆场堆矿的影响，位移量逐渐减小，整个堆场均未出现过异常现象。

2.3.2由沉降对水平位移进行预估

根据对大量的堆场、道路等的监测数据分析表明，在场地稳定的情况下，水平位移大致为沉降的5%～10%左右，场地稳定安全性越高，水平位移与沉降之比越小，原料场的设计稳定安全系数为1.1，水平位移与沉降之比大致可取为10%，则总的水平位移可推算为16～20cm左右，其最大值大致在堆场以下5～15m处。经过多年的堆载预压，其残余的水平位移不到1cm。

2.4土体的总变形分析

根据土力学理论，土体的固结沉降是由于地基中土粒骨架之间的水分逐渐排除而引起的，其变形为不可恢复的塑性变形，对于一～三期原料堆场，其固结度基本上达到99%以上，残余固结沉降基本完成，按以上分析，大致只有2cm左右。

土体的沉降除了固结沉降外，还存在弹性变形及蠕变变形，弹性变形是可恢复的变形，在堆载的情况下产生，卸载时恢复，该部分应采用荷载除以土体的弹性模量来计算，由于土体的弹性模量通常为压缩模量的5～10倍左右，故弹性变形引起的变形量通常为固结沉降的1/10～1/5左右，其引起的沉降量为10～40cm左右，水平位移为1～4cm左右。蠕变变形为土颗粒由于蠕变而引起的变形，也为不可恢复的塑性变形，其值为固结沉降的10%～20%左右，但经过砂桩堆载预压处理之后的土体蠕变变形会明显减小，故蠕变变形引起的沉降量大致在10～30cm左右，水平位移在1～3cm左右。

从以上分析可知，土体的固结变形是土体变形的主要组成部分，大部分已经完成，故今后土体的变形主要是由残余的固结变形、弹性变形及蠕变变形所组成，但总体来讲已经不大，总的沉降约为22～72cm左右，总的水平位移约为2～7cm。

三．土体变形对桩基的影响分析

在矿石荷载作用下，土体变形势必会对土体中的结构单元产生作用力，由于当前尚没有成熟的理论计算方法，本工程采用专用岩土设计软件FLAC5.0来进行有限元模拟计算。

3.1计算参数

土体物理力学参数如下：

由于FLAC软件中没有压缩模量参数，按其软件中的相关参数进行了换算处理，一些参数地勘中没有给出，取常规的数值。

3.2建模

纵向剖面尺寸为84m*71m，土体采用弹性模型，由于结构单元均能很好地模拟土体与结构单元的接触问题，本计算中桩采用结构单元pile单元来模拟，承台采用beam单元来模拟，堆载采用分级堆载的方式添加，由于土体固结已经基本完成，并减少计算工作量，本次建模不考虑对原固结的模拟。

计算工序为：

（1）先计算未加载情况下的初始平衡状态；

（2）～（5）然后逐级添加荷载、逐级计算；

（6）全部卸载；

（7）施工结构单元；

（8）一次加载到顶。

计算模型如图5所示。

图5网格划分图

四．计算结果

4.1土体变形的计算

图6为堆载后的侧向位移云图，从图中可以发现，最大侧向位移约为4cm，位于原料场以下约8～15m处。

图6侧向位移云图

图7为堆载后的沉降云图，从图中可以发现，最大沉降约为90cm，位于原料场表面中心处。

图7沉降云图

4.2桩的变形计算

图8为堆载后的桩及承台的侧向位移云图，从图中可以发现，斜桩的最大位移约为2.384cm，垂直桩的位移约为3.559cm，均位于原料场以下约6～10m处。

图8桩及承台的侧向位移云图

4.3桩的弯矩计算

图9为堆载后的桩及承台的弯矩，从图中可以发现，斜桩的最大弯矩约为7.01kNm，垂直桩的最大弯矩约为7.81kNm，弯矩值较大处分别在原料场表面及各土层交界出，30m以下弯矩很小。

图9堆载后的桩及承台的弯矩

五．结论

（1）通过对原料堆场运营前后的土体参数分析，经过多年运营后，原料堆场土体土性已经得到了很大的改善，土体强度得到了改善，如标贯提高了150～250%，压缩模量提高了50～75%，主要软土层已由“淤泥质土”转变为“粘土”。

（2）对土体的变形分析表明：经过多年运营后，土体的固结变形已经基本完成，现在的变形将主要为弹性变形与蠕变变形，总的沉降约为22～72cm左右，总的水平位移约为2～7cm。

（3）堆场密闭后，桩基水平向变形约为3cm，弯矩约为8kNm，土体变形不会造成桩基的结构性破坏。

参考文献：

[1]齐良锋，简浩，唐丽云.引入接触单元模拟桩土共同作用[J].岩土力学，2005，26（1）：127-130.

[2]毓敏，王建江．邻近堆载作用下排桩负摩擦力特性研究[J]．岩土力学，2007，28（12）：2652-2656．

[3]杨征宇.输电塔基础斜糙非p-y曲线[J]．河海大学学报（自然科学版），2010，38（1）：104—108．

[4]王云岗，章光，胡琦．斜桩基础受力特性研究[J]．岩土力学，2011，32（7）：2185—2189

[5]任涛．斜桩水平承载特性的P-y曲线研究[D]．杭州：浙江大学，2012．63—63

[6]徐枫．基于原型试验的单桩水平承载力分析[J]．岩土工程学报，2011，33（2）：293—293

[7]袁廉华．水平受荷斜桩基础性状模型试验及分析研究[D]．杭州：浙江大学，2012．31—46

[8]魏焕卫，杨敏．大面积堆载情况下邻桩的有限元分析[J]．工业建筑，2000，30（8）：30-33．

作者简介：

葛尹，男，1984年11月，汉，上海，硕士研究生，中级，研究方向：空间结构及岩土数值分析