软土地基上原料场桩基础承台拉梁受力机理分析

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煤炭、冶金等行业中由于设计产能需要常建造原料场,条形料场在其中得到广泛应用,条形料场占地面积大且对地基承载力要求高。料场上部结构常为网壳结构,网壳结构受外界因素变化敏感,稳定性问题较为突出,而基础体系不均匀沉降对结构的整体稳定性影响最为突出。在基础承台之间布设拉梁,对增强基础体系的整体性、保证基础体系受力均匀及控制不均匀沉降效果显著。本文基于中冶赛迪工程技术股份有限公司科研项目“原料场挡料墙侧向料压力及底部拉梁上竖向料压力研究”(合同号1042012920170470),对位于深厚软土地基上、上部结构为网壳结构的条形料场体系中的桩基础承台拉梁的力学性能进行研究,得出一些有益结论,主要研究内容和工作包括:(1)分析了桩基础承台拉梁在原料场体系中发挥的重要作用,归纳了软土地基对料场承台拉梁产生的不利影响,系统总结了料场承台拉梁受力性能及影响其力学性能的相关方面的研究现状。(2)对原料场承台拉梁受力情况进行理论分析。采用曲线拟合的方式得出不考虑拉梁与其两侧地面之间差异沉降情况下三角形截面堆料作用下拉梁上部料压力分布计算式,采用调整平行墙理论得出考虑差异沉降情况下拉梁上部料压力分布计算式。采用基本力学理论分析得出料场上部网壳结构对承台拉梁的轴向作用力及拉梁两侧地基对拉梁产生的摩阻力计算式。采用Winkler地基模型分析承台拉梁所受地基反力。最后综合上述分析结果得出承台拉梁复合受力模型。(3)由拉梁上部料压力模型试验得出拉梁上部料压力由于“荷载转移”现象大于两侧地面料压力,由于石料颗粒内摩擦角大,颗粒间作用力较强,传力效果更好,煤料试验拉梁上部荷载增大系数小于石料。在堆料过程中拉梁跨中位置料压力较大,拉梁端部有挡墙时靠近挡墙位置料压力较小。拉梁上部料压力增大系数随堆料高度变化呈先增后减的规律,由于靠近挡墙位置的土压力受到摩阻效应的影响先于中间位置,靠近挡墙一侧的拐点对应的堆载高度小于中间位置。高度方向土拱效应的影响范围约2~3倍拉梁宽,宽度方向约3~4倍拉梁宽。(4)由离散元软件EDEM模拟两侧地面与拉梁产生差异沉降时拉梁上部料压力的变化特征,由料压力时程曲线得出,地基沉降量较小时,料压力调整幅度较大,料压力随地面沉降量的增大明显增大;沉降量达到一定值后,料压力逐渐调整至稳定状态,料压力受沉降量的影响逐渐减小;沉降停止后,料压力重新调整至稳定状态,拉梁上部料压力逐渐减小并趋于平稳。地面沉降速率与拉梁上部料压力变化成正比。由于石料颗粒间作用力较强,拉梁上部煤料压力及料压力增大系数均小于石料。结合工程实际中地基的沉降速率,考虑两侧地面与拉梁差异沉降时拉梁上部石、煤料压力的荷载增大系数分别为2.08、1.85。(5)依据本文背景工程实例,利用有限差分程序FLAC3D建立原料场足尺模型,基于承台拉梁-桩基础-地基之间的相互作用,分析料场运营中逐级堆料及逐级卸料两种荷载工况下地基及承台拉梁的受力及变形情况,在此基础上,设置料场体系中相关变量如堆载(堆载速率、堆载截面)、拉梁刚度、碎石桩复合地基(砂石垫层刚度、碎石桩长度、碎石桩布置形式、碎石桩刚度)及软土地基性质等,分析相关变量对承台拉梁受力及变形影响,据此得出基于桩基础承台拉梁保护的料场优化分析。(6)基于本文研究背景料场工程实例的地质条件和监测资料,结合数值计算中所得料场体系中复合地基、基础体系及承台拉梁的变形及力学特征,分析桩基础承台拉梁的损坏机理,确定拉梁损坏原因,提出料场承台拉梁的安全分析及修复建议。
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