封闭煤场不仅能解决露天煤场存在的环境污染问题，而且能够明显减少煤的损失量，提高煤炭热效率，因此得到越来越广泛的应用。封闭煤场有圆形和条形2种形式，圆形封闭煤场较条形煤场在运行、环保、占地面积等方面具有更明显的优势。因此对大型圆形封闭煤场的设计探讨具有重要的实际意义^[1]。

本文采用大型有限元软件Abaqus对内蒙古某电厂圆形封闭煤场的桩—土—地基三维有限元进行整体建模及分析计算，根据三维有限元模型计算得出的应力和位移云图，能够直观形象地反映桩、土、地基的变形趋势，从而判断桩的长度和直径承台的截面选择是否合理，判断土层有没有被挤压破坏，该计算方法较常规的计算方法更真实准确。1 工程概况

内蒙古自治区某电厂的圆形煤场设计容量为80kt，挡煤墙高17m，最大堆煤高度25.52m，煤场内直径90m。该煤场位于回填区，回填厚度约9.3m，地质条件较差：土层由上至下依次为杂填土，风积细砂，冲洪积形成的砾砂、角砾。地基土主要物理力学性质指标推荐值见表 1所示。

表1(Table 1)

表 1 各层地基土物理力学性质指标推荐值

表 1 各层地基土物理力学性质指标推荐值

采用大型通用有限元计算软件Abaqus6.10对该圆形煤场桩—土—地基的三维有限元进行整体建模及分析计算。在本次计算中，共分析了以下5种煤场基础方案，基本数据见表 2所示。

表2(Table 2)

表 2 计算方案基本数据

表 2 计算方案基本数据

对上述5种基础方案的经济性和安全性进行比较，确定方案2为最优方案，因此本文主要对方案2的模型和计算结果进行论述。砂砾石换填厚度为9.3m，分层压实系数不小于0.97。方案3中护桩直径为500mmCFG灌注桩。3 参数选取及计算模型3.1 参数选取

桩身、承台及仓壁材料为C30混凝土，采用线弹性本构模型，不考虑其开裂和塑性。土体采用符合Drucker-Prager（朱克—普拉格）屈服准则的弹塑性模型，并假设土体服从关联流动法则^[2]。桩与土之间的相互作用通过接触属性模拟，摩擦系数假定为恒定值0.3；桩底端与土层通过节点自由度耦合进行绑定处理。建模分析过程考虑土体大变形的影响。

由于计算中采用扩展的Drucker-Prager模型，需要对原始的土层力学性质参数中的黏聚力c、内摩擦角φ进行转化，转化公式如下：

β—转化后土的内摩擦角，（°）；

c—土的黏聚力，Pa；

σ_c—转化后土的黏聚力，Pa；

K—流动应力比。3.2 计算模型

圆形煤场上部为网架结构，下部挡煤墙为带肋柱的混凝土环壁型式，基础类型采用桩基承台环形基础。方案2拟定的设计参数如下：圆形煤场设计埋深2.60m，筒仓承台下采用直径为1.0m钢筋混凝土灌注桩支撑，桩间距约为3m，桩长15m；承台高度为1.6m，宽度为5.0m；仓壁高度为17.0m，仓壁厚度设计为变截面形式，下部壁厚700mm，线性渐变至上部为500mm；承台与仓壁为环向360°连续布置；肋柱数量根据上部球形网架支点数量设置，均匀分布32个。肋柱截面2.0m×0.9m；上部环梁截面2.0m×0.8m；煤场预留1个大门，尺寸为5m×5m。煤场180°模型示意图见图 1，桩、承台、煤场仓壁模型见图 2。

图1(Figure 1)

图1 煤场180°模型示意图

图2(Figure 2)

图 2 桩、承台、煤场仓壁模型

由于煤场整体的三维有限元模型过于庞大，为方便计算，同时考虑模型沿环向的对称性，沿对称轴线建立180°模型进行计算分析。地基土层沿径向的计算范围选取为：从煤场中心向圆外沿径向取80m，土层沿深度方向取25m。计算时将土层简化为3层，分别为：回填土层，层厚为9.3m；细砂层，层厚2.1m；砾砂和角砾层厚取13.6m。4 荷载及边界条件

堆积煤的天然重度γ=10kN/m³；煤的内摩擦角φ=38°，煤与混凝土壁的摩擦系数μ为0.5~0.6；上部网架传至每个肋柱的荷载为240kN；仓壁端部最大堆煤高度为16m，煤场最大堆煤高度为25.52m。计算中将煤对挡煤墙的作用简化为沿高度三角分布的侧向正压力荷载（见图 3），侧压力系数取0.46；将煤对煤场地面的作用简化为分布形式与堆煤形状相似的竖向荷载（见图 3），即煤场地面所受煤压力等于上部相应高度堆煤重量^[3]。

图3(Figure 3)

图 3 煤对仓壁及煤场地面的作用

对土层左右两侧边界（法线为环向的两个面）施加环向的对称约束，前后两侧边界（法线为径向的2个面）施加径向的约束，底部施加全约束，即约束节点为3个自由度。在不考虑承台和桩重量的情况下可以计算出土的自重应力，即土体的初始应力场，然后再施加荷载^{[2, 4]}，包括网架荷载和堆煤荷载，同时考虑温度应力的作用。5 计算结果分析

通过整体模型计算，分别提取桩和土的位移及内力、承台的内力，位移包括竖向位移和径向位移，环向位移基本为0。再对提取的数据进行分析比较，判定是否满足《GB50077—2003钢筋混凝土筒仓设计规范》的限值要求^[4]。5.1 灌注桩

综合比较满堆煤和半堆煤荷载下，灌注桩的最大水平径向位移为24.4mm，发生于堆煤区内侧灌注桩底部；最小水平径向位移为-10.42mm，发生于门洞下部灌注桩顶部。

根据三维有限元模型计算得出，外排灌注桩的最大轴力标准值为1760kN，最大弯矩标准值为573kN·m，最大剪力标准值为162.4kN；内排灌注桩的最大轴力标准值为1421kN，最大弯矩标准值为1159.2kN·m，最大剪力标准值为363.0kN。根据土层性质，理论计算得到的灌注桩承载力：外排桩单桩竖向抗压承载力特征值为2800kN，内排桩单桩竖向抗压承载力特征值为2000kN，灌注桩10mm水平位移对应的荷载值为500kN。由模型计算出来的数据小于理论计算数据。由此判断，灌注桩轴力和剪力满足承载力要求。根据弯矩数据计算的灌注桩与承台连接处内排桩需要的配筋率达1.56%，外排桩配筋率1.30%。由于内、外排桩所受的弯矩不同，导致桩的配筋率相差比较大，主要是由于在竖向煤压的作用下，土层发生位移对桩产生的侧压力主要由内排桩承担，导致内排桩身弯矩很大^[5]。5.2 土体

在满堆煤荷载下，土体最大水平位移为28.66mm，发生于灌注桩底部位置；最大沉降量为200.1mm，发生于堆煤最高点下部土体。

在半堆煤荷载下，土体最大水平径向位移为30.82mm，发生于灌注桩底部位置；最大沉降量为200.8mm，发生于堆煤最高点下部土体。

从上述数据可以看出，在砂砾石的压实系数要求达到0.97的情况下，煤场内土体的侧向移动不大，土体没有被侧向挤出来。5.3 承台

仓壁和肋柱以及承台受温度的影响很大，因此承台计算的荷载工况包括：满堆煤或半堆煤、温升作用、温降作用和内外温差作用。满堆煤荷载下承台拉力最大；满堆煤作用下，承台竖向弯矩值最大。

各个工况下的承台轴力曲线见图 4所示。从图 4可以看出，承台轴力计算的控制工况组合为：满堆煤+季节温升+内外温差+风荷载。

图4(Figure 4)

图 4 承台轴力曲线

承台的竖向弯矩为3215.7kN·m，相对较小，弯矩图略。承台配筋计算为裂缝控制，计算所得承台配筋率为1.95%。6 结论和建议

通过以上的分析计算可以看出，本次设计的灌注桩的桩长和截面选择合理，位移和承载力满足要求，土体变形适当没有被挤压破坏，承台的截面选择较合理，配筋和裂缝在规范的要求范围内。

圆形封闭煤场的三维有限元计算是一个很大的系统工程，涉及的专业知识比较多，而且由于建立的是桩—土—地基的三维有限元模型，单元和节点数量巨大，计算需要较长时间。可利用煤场的对称性，先选择90°模型进行粗算，然后建立180°模型或360°模型进行详细计算^{[6, 7, 8, 9]}。同时建议在类似的工程设计中，煤场内可采用换填的方案，而没有必要采用满樘红的CFG桩设计方案。