基于三维数值模拟的钢渣堆载模式影响下工业厂房稳定性分析

Analysis of the Effect of Steel Slag Stacking Pattern on the Stability of Industrial Plants

摘要

专用钢结构工业厂房是工业生产中倾倒以及临时存储钢渣的关键构建筑物之一，然而其长期服役于复杂堆载环境下，易发生劣化。本文通过构建巴关河渣场主厂房的三维数值模型，系统分析了不同钢渣堆载模式对厂房结构稳定性的影响，重点关注地表变形特征、桩体侧移特征及临近柱沉降特征等关键指标。结果表明，堆载分布形式、距离及堆载大小是影响结构沉降与侧移的关键因素。随着堆载距离的增加，厂房结构的沉降量及侧移值逐渐减小，并当堆载距离超过特定值后，这些变化趋于稳定。此外，堆载水平的增加会导致沉降量和侧移量显著增加，尤其是在达到一定程度后，增长速率会显著提高。进而提出了钢渣堆载区域与承台边界之间的最小安全距离和最大堆载水平，以确保厂房结构的长期稳定性。本研究可为类似工业厂房的设计与风险预警提供理论依据，并有助于改进当前钢渣的处置策略。

Abstract

Specialized steel-structure industrial workshops are among the key structures used for steel slag tipping and temporary storage in industrial production.However， long-term service under complex stockpiling loads makes them prone to performance deterioration.In this study， a three-dimensional numerical model of the main workshop at the Baguanhe slag yard is developed to systematically evaluate the effects of different steel-slag stockpiling modes on structural stability， with particular attention to critical indicators including ground-surface deformation， pile lateral displacement， and settlement of adjacent columns.The results indicate that the load distribution pattern， loading distance， and stockpiling magnitude are the dominant factors governing structural settlement and lateral movement.As the stockpiling distance increases， both settlement and lateral displacement of the workshop decrease progressively， and these variations tend to stabilize once the distance exceeds a threshold value.In addition， increasing stockpiling level leads to marked increases in settlement and lateral displacement， with a pronounced acceleration in the growth rate beyond a certain loading intensity.Based on these findings， a minimum safe clearance between the steel-slag stockpiling zone and the pile-cap boundary， together with a maximum allowable stockpiling level， is proposed to ensure the long-term stability of the workshop.This study provides a theoretical basis for the design and risk early warning of similar industrial workshops， and it may also facilitate improvements in current steel-slag disposal strategies.

Graphical abstract

关键词

工业厂房结构稳定性 / 三维数值模型 / 地表变形 / 桩体侧移 / 沉降特征

Key words

structural stability of industrial plants / three-dimensional numerical model / surface deformation / pile lateral movement / settlement characteristics

0 引 言

工业化进程中，钢铁生产活动产生的钢渣是工程和环境管理的关注焦点，大规模的钢渣堆积不仅会引发扬尘和有害物质的扩散，同时也不利于对钢渣中可回收金属的有效利用^［1］。针对钢渣的处置，构建专用工业厂房以储存矿渣成为常见做法。但钢渣的堆置过程可能会对厂房结构的稳定性带来显著的影响^［2-3］。

目前，针对不同堆载下建筑工程的稳定性分析，学者们已经展开了大量研究，涉及地面沉降、桩基受力变化等诸多方面。黄挺等^［4］基于模型试验表明，土表堆载分布形式对附加沉降影响显著，且围载可以造成比边载更大的桩基附加沉降。张蔚^［5］通过数值模拟建立了桩基侧移与堆载荷载、堆载距离及软土压缩模量的经验公式。葛瑞等^［6］通过数值模拟指出厂房内部地坪上不同位置的堆载，会诱发厂房基础产生新的变形，严重时会危害厂房结构的正常使用。黄斌彩^［7］通过数值模拟指出桩身水平向位移随着堆载体靠近持续增大，在埋深方向，自上而下呈先增大后减小，在中部土层部位桩身出现最大水平位移。白力源^［8］介绍了堆载作用下地基水平位移的计算方法，并通过数值计算分析了堆载大小、堆载宽度、堆载距离及土体模量对土体侧移的具体影响。方海正等^［9］通过有限元软件建立桩土相互作用模型，研究了堆载对基桩负摩阻力的影响。闵建刚等^［10］通过ABAQUS建立桩土相互模型，研究发现单侧堆载大小相同时，桩顶沉降、侧移峰值、土层弯矩峰值随堆载距离的增大而减小，桩顶侧移、桩前后土压力峰值、桩身轴力峰值随堆载距离增加呈指数函数规律减小。徐宏增等^［11］通过有限元软件研究发现，当基坑处于非平衡堆载作用下，左右两侧支护桩的水平位移趋势相反，尤其要注意由堆载大小引起的右侧支护桩发生破坏的风险。针对这些不同的问题引发的地基沉降，学者们都提出了相应的解决措施^［12-13］。然而，现有文献大多针对特定工程背景构建数值模型，且主要聚焦于桩基受力变形的评估，对于包含大面积钢渣废料堆载的专用钢结构工业厂房的三维稳定性分析鲜有研究，尤其是在实际工程操作中常见的复杂堆载条件下，相关研究成果相对较少。

本文以巴关河渣场主厂房为例，构建三维数值模型，系统性分析了不同堆载大小及堆载距离因素对厂房结构稳定性的影响。通过深入探讨地表变形、桩体侧移以及临近柱体沉降等多个因素，揭示堆载模式与结构稳定性之间的关系，并根据规范^［14］，结合沉降、倾斜及弯矩限值确定了最大堆载水平，提出了相应的设计和风险防范建议，旨在为同类工业厂房的安全设计及风险管理提供科学的理论支持与实际操作指引。

1 工程概况及模型构建

1.1　工程概况及模型概述

本项目厂房位于攀枝花市巴关河渣场，主要用于处理炼钢废渣。该厂房由攀枝花钢城集团有限公司废旧物资分公司进行废渣处理，并由攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司设计和施工，于2020年底竣工投产使用，厂房建筑面积为6 253 m²，抗震设防烈度为7度（0.15g），设计地震分组为第三组，场地土类别为Ⅱ类，设计使用年限为50年。在结构上厂房采用的是单层单跨钢管混凝土排架设计，包括两组排架柱，分别为A列和B列，其中，下柱采用四肢钢管混凝土柱，上柱采用工字形钢柱，柱距和跨度分别为18 m和30 m。

图1（a）展示厂房的三维数值模型示意图。依托工程地质勘察报告，地基被明确划分为三层，第一层为稍密素填土，第二层为中密素填土，第三层为灰质白云岩，其厚度分别定为20 m、7 m及6 m，表层填土南侧方向设置了高度为15 m的挡土墙。厂房中A列柱中心距离挡土墙22 m，距离模型北侧计算边界为30 m，B列柱中心距离B列北侧挡土墙距离为8 m，距离模型南侧边界为30 m。

基于实际厂房具有显著的对称特征，对数值模型进行合理简化，仅选取含有A1、A2、B1、B2四根列柱的特征单元进行计算，模型东西方向长度为36 m，其余尺寸保持不变，如图1（b）所示。

1.2　数值模型计算参数及边界设置

FLAC3D采用了拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够准确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。相较于其他有限元数值分析软件，FLAC3D已被广泛用于钢结构及厂房稳定性分析，其可行性与实用性得到了众多学者的佐证^［15］。

就厂房排架结构，桩体直径为1.2 m，柱体进行了简化处理，下部柱的长宽被设定为2.8 m与1.0 m，上部柱的长宽则为1.0 m与0.5 m。数值模型中的承台形状也被简化为圆柱形，高度为2 m，直径为4 m。A列的桩长为16 m，下部柱高25.2 m，上部柱高11.7 m；B列的桩长为31 m，下部柱高10.2 m，上部柱高14 m。连接各柱间的连杆根据设计图纸准确设定，其详细尺寸见图2（a）。对简化后的计算模型进行网格划分，如图2（b）所示，图中不同构件采用不同颜色进行标识，各构件位置与实际情况保持一致。

对于本数值模型而言，地基划分为三层，计算过程中，该部分所采用模型为摩尔库仑模型，依据实际工程勘探参数以及经验取值，可获得相应的模型参数如表1所示。钢结构材料方面，厂房的下柱钢管和上柱均采用Q345B钢材，其中钢管内部填充的细石混凝土强度等级为C50，排架柱上柱间设置了以Q235B钢材制成的钢支撑。此外，鉴于桩柱实际应用中不易发生屈服现象，选择更为保守的弹性模型进行模拟，以便更准确地预测结构在负载下的响应。

在数值计算中，模型的底部及侧面均被设置为固定边界，此外，考虑到实际工程的需求和计算便利性，厂房内部的挡土墙同样被视为固定边界，不允许该墙体朝向北侧（工程朝向）发生位移。同时，模型中的堆载效应采用了符合实际的梯形荷载分布，以确保计算结果的可靠性和准确性。

2 堆载模式对厂房稳定性的影响

2.1　考虑堆载模式的钢渣堆载厂房数值计算方案

在钢渣实际堆载过程中，堆载模型的不同对于厂房地表沉降及稳定性的影响尤为明显。鉴于此，本文从堆载荷载大小以及堆载距离的角度出发，分析不同堆载模式下厂房地表变形特征及沉降的变化规律，并分析临近柱变形特征，从而对厂房的稳定性进行评估。图3所示为不同堆载模式示意，其中堆载最大值为300 kPa，最小值为150 kPa。堆载距离表示堆载区域临近A侧的边缘与A侧柱底部承台边界之间的距离，本文设置了6种堆载距离S，分别为0 m、1 m、2 m、3 m、4 m和5 m。

2.2　不同堆载模式下地表变形特征

为了展现不同堆载模式下地表的变形特征，本文选取了位于A、B两列柱下的表层土体网格面作为研究的特征界面，并将其变形量视为地表沉降的关键指标。图4所示为不同堆载模式下A列桩与B列桩不同特征面的地表沉降量的变化曲线。从图4（a）、图4（b）可以看出，在6种不同堆载距离下B列桩的地表沉降量变化较小，沉降量基本在37 mm上下，误差在3 mm以内。A列桩地表沉降量波动较大，在堆载距离为0 m时，地表最大沉降量达到66 mm，最小沉降量为47 mm；随着堆载距离的增加，A列桩的沉降量开始逐渐减小，在堆载距离为5 m时，A列桩的地表沉降量基本维持在6 mm，波动范围在3 mm上下，但波动范围相较于B列柱依旧较大。

从图4（c）、图4（d）可以看出，在相同堆载大小下，A列桩不同特征面的地表沉降量变化非常显著，整体呈现折线式上下波动趋势，而B列桩的地表沉降量并未发生太过明显的变化。此外，通过对A列桩与B列桩的平均地表沉降量分析发现，在不同堆载大小下，A列桩的平均沉降量变化显著，在400 kPa的堆载水平作用时，其平均沉降量可达75 mm左右，而在100 kPa的堆载水平作用时，其平均沉降量只有15 mm左右，其整体变化范围达到60 mm左右。反观B列桩，在堆载水平达到200 kPa后，其平均沉降量变化逐渐变缓；当堆载水平由100 kPa增加至400 kPa时，其平均沉降量由23 mm增加至40 mm，整体变化范围仅为17 mm。可以发现不同堆载水平对A列桩的影响要远大于对B列桩的影响。这是由于相较于B列桩，A列桩受不同堆载模型的影响更加明显，致使在相同条件下A列桩地表沉降量及波动范围的变化更大。

2.3　不同堆载模式下桩顶及地表最大沉降量

图5（a）所示为A、B两列桩的桩顶及地表最大沉降量与堆载距离之间的关系，可以看出随着堆载距离的逐渐增大，地表最大沉降量从300.2 mm减小至276.6 mm，变化曲线有较明显的波动，这是由于土体特性的不完全相同，导致了在荷载的作用下发生不均匀沉降，且随着堆载距离的增加，地表最大沉降量逐渐减小，地表的承载能力也逐渐增强。B列桩的桩顶最大沉降量变化受堆载距离的增加影响不大，波动范围只有0.5 mm，但A列桩在从0 m到1 m之间有明显波动，从3.25 mm减小到1.6 mm，在堆载距离为1 m到5 m之间，波动曲线较为平缓，沉降量仅减少0.4 mm。A、B两列桩桩顶最大沉降随堆载距离的增大，沉降速度变小，在A列桩的0 m到1 m之间减小最大。

图5（b）为地表最大沉降量与堆载大小关系曲线，从图中可以发现，地表最大沉降量与堆载大小基本呈线性关系，随堆载的增加，地表最大沉降量由最开始的61 mm增加至450 mm，同时A列桩与B列桩的桩顶最大沉降量均有所增加。但在堆载水平低于250 kPa时，A列桩桩顶最大沉降量变化并不明显；随着堆载大小进一步的增加，其最大沉降量迅速增加，说明堆载水平超过250 kPa时，堆载大小对A列桩的影响要远大于对B列桩的影响。

2.4　不同堆载模式下桩体侧移特征

不同堆载模式下桩体侧移特征曲线如图6所示。在不同堆载模式下，A、B两列桩都发生了显著的侧向位移。A列桩桩体侧移随深度总体呈现出先增大后减小的趋势，在底部侧移偏量几乎为0。当堆载距离从0 m增加到1 m时，A列桩桩体侧移出现了显著变化，最大侧移从14.04 mm减小到12.58 mm，但随堆载距离进一步增加，最大侧移无显著差别，如图6（a）所示。

随着桩体深度的增加，在桩体深度10.69 m处，B列桩桩体开始呈现出反向侧移；在桩体深度为18.17 m处，桩体的反向侧移达到最大值3.61 mm；随着深度持续增加，桩体侧移逐渐减小为0，并且随堆载距离的持续增加，桩体侧移变化主要发生在桩体中部，在桩体底部及上部的侧向位移无明显变化，如图6（b）所示，这主要是由于在堆载作用下，桩体不同深度处土压力分布呈现显著差异。上部土层在堆载影响下产生指向桩体的主动土压力，导致桩身上部发生正向侧移；而下部土层由于堆载引起的地基应力扩散效应，土压力逐渐由主动土压力转变为被动土压力，桩身弯矩相应由正转负，当弯矩零点下移至桩体中部时，形成上下部侧移方向的差异，这是反向侧移产生的力学本质；此外桩顶与上部结构的连接刚度对侧移模式具有控制作用。在刚性约束条件下，桩顶位移受到严格限制，当上部土层产生较大侧向变形时，桩体被迫绕桩顶发生转动，桩体上部向堆载侧偏移时，下部必然产生反向侧移以满足变形协调条件，连接刚度越大，反向侧移的幅度越显著。

对于A列桩来说，其桩体侧移主要以正向侧移为主，桩体的最大侧移发生处位于地表以下3~4 m位置处。随着堆载大小的增加，桩体的最大侧移量也在逐渐增加，当堆载水平为100 kPa时，桩体的最大侧移仅为4 mm左右；当堆载水平为400 kPa时，桩体的最大侧移达到了22 mm左右，增加了约4.5倍，如图6（c）所示。对于B列桩来说，随着堆载大小的增加，桩体发生最大侧移的位置由桩体的顶端部分逐渐向桩体的中间部分发展，并且其中间部分的侧移也由正向侧移向负向侧移转变，如图6（d）所示。由于桩体底端离地表较远，受堆载大小的影响有限，故A、B列桩的底端几乎没有发生明显的侧移。

经过上述对桩体向侧移的分析，得到图7所示的不同堆载模式下桩顶部水平侧移曲线。当堆载距离由0 m增加至2 m时，A列桩桩顶水平侧移从12.37 mm减小到9.19 mm；随堆载距离进一步增加至5 m，桩顶水平侧移只增加约0.17 mm，可以看出堆载距离2 m是影响A列桩桩顶水平侧移的一个重要临界条件。对于B列桩，随着堆载距离从0m增加到5 m，桩顶水平侧移仅降低了0.26 mm，没有太大的变化，如图7（a）所示。

随着堆载的增加，B列桩桩顶水平侧移曲线近似一条水平直线，且其最大值不超过2 mm，无明显变化。对于A列桩，当堆载为100 kPa时，桩顶水平侧移就已达3 mm；随堆载增加为400 kPa，最大水平侧移量接近21 mm，如图7（b）所示。可以看出相较于B列桩，堆载模式对A列桩的影响尤为明显。

2.5　不同堆载模式下临近柱变形特征

2.5.1　不同堆载模式下柱顶侧移特征

不同堆载模式下柱侧移特征曲线如图8所示。对于A柱来说，其侧移随高度的减小表现为两部分方向相反的位移，其中在柱体高度为0 m至13.9 m之间表现出的是正向的侧移，在这部分侧移量减小效果也较明显，侧移量从10.33 mm减小为0 mm；随柱体高度上升，逐渐表现出方向相反的侧移，侧移量增加到1.18 mm。堆载距离对柱顶侧移的影响主要发生在柱底和柱顶，且影响随堆载距离增加逐渐变小。A列柱发生双向侧移主要是由于柱身不同高度处剪力和弯矩的分布呈现显著差异导致，不同堆载分布形式对柱体侧移方向具有显著影响，此外地基不均匀沉降引发柱体附加弯矩，对双向侧移产生重要贡献。

对B柱来说，随着柱体高度的减小，其水平侧移也分两段，但总体表现为水平侧移逐渐增大，并为一条平滑的直线，无明显突变。伴随堆载距离的增加，柱底部的水平侧移会有明显减小，柱顶的侧移相较于柱底的侧移减小不大。A柱相比于B柱有较大的水平侧移，如图8（a）、图8（b）所示。

图8（c）、图8（d）为不同堆载大小下柱体侧移特征曲线，从图中可以发现，A列柱与B列柱在不同堆载条件下皆发生了侧移，A列柱随着柱体高度的增加，正向侧移量逐渐减小并转向负向侧移，最大侧移量发生在柱的底端。B列柱整体皆以正向侧移为主，随着柱体高度的增加，其侧移量不断减小，其最大侧移量亦发生在柱的底端。除此之外，随着柱体的高度减小，A列柱的侧移量增加速率不断增加，B列柱的侧移量增加速率保持不变，并且A列柱的整体侧移幅度要远大于B列柱的整体侧移幅度。

2.5.2　不同堆载模式下柱顶倾斜特征

基于上述A、B两列柱体的分析，得到了不同堆载模式下柱倾斜特征的情况，即柱顶与柱底水平位移差，如图9所示。

随柱体高度不断增加，A柱倾斜量急剧减小，最终趋近于0 mm。在堆载距离为0 m的情况下，倾斜量最大值为11 mm，随着堆载距离增加，A柱倾斜量的最大值也逐渐降低，最终趋近于8 mm左右。B柱也表现出倾斜量随着高度增加急剧减小的情况，但最终趋近于0时所需高度较高，在堆载距离增加的情况下，也表现出倾斜量减小的情况，最终稳定在3.5 mm左右，其最大值为堆载距离为0 m的时候，最大值为3.67 mm。

图9（b）、图9（c）为不同堆载大小下柱倾斜特征曲线。整体而言，A柱与B柱的倾斜特征曲线变化规律近似，均随着柱高的增加，呈抛物线分布，倾斜量快速下降后缓慢趋近于0。柱体的最大倾斜量随堆载大小的增加而不断增加，当堆载水平为100 kPa时，A柱的最大倾斜量不超过3 mm，B柱的最大倾斜量不超过2.3 mm；当堆载大小为400 kPa时，A柱的最大倾斜量接近20 mm，B柱的最大倾斜量接近5 mm。此外，对于相同堆载大小而言，A柱的最大倾斜量亦大于B柱的最大倾斜量。

3 结 论

为探究钢渣不同堆载模型对厂房结构稳定性的影响，本文以巴关河渣场主厂房为例，基于厂房地质勘探报告和设计图纸，建立高精度三维数值模型，并采用FLAC 3D进行数值模拟，全面分析了厂房地表变形特征、桩体侧移特征及临近柱沉降特征等关键指标随钢渣堆载模型的变化规律，获得的主要结论如下：

（1） 不同堆载模式可对桩沉降特征以及桩/柱的水平侧移特征产生影响，但不同堆载模式对厂房整体稳定性的影响稍弱。当堆载距离由0 m增至5 m时，厂房整体沉降减小82%，柱顶最大侧移下降78%；而B列柱各项指标变化幅度均15%。因此堆载模式对“A列”这一局部子系统影响显著，而对整体厂房抗侧性能影响有限。

（2） 堆载分布形式、距离及堆载大小是影响结构沉降与侧移的关键因素，堆载距离2 m为影响A列柱桩顶水平侧移的重要临界条件；当堆载距离小于2 m时，厂房结构的沉降量及侧移值逐渐减小；当堆载距离超过特定值后，变化趋于稳定，同时桩顶沉降、桩顶水平侧移及柱顶水平侧移的变化也逐渐趋于稳定。因而建议在堆载过程中，应当控制堆载区域与A列柱下承台之间的距离大于2 m，最大允许堆载为250 kPa。

（3） 桩体及柱顶的侧移特征受堆载模型影响明显，A列柱侧移特征随柱体高度的减小表现为两部分方向相反的位移，B列柱则整体皆以正向侧移为主，并且A列柱的整体侧移幅度要远大于B列柱的整体侧移幅度，故需额外注意A列柱侧移特征变化点位的抗剪强度，防止其发生剪切破坏。此外，A、B柱的倾斜特征均随着柱高的增加呈抛物线分布，对于相同堆载大小而言，A柱的最大倾斜量亦大于B柱的最大倾斜量。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42207208)