鋼管樁復(fù)合預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算探討

牛建東 ， 邱 亮

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

鋼管樁復(fù)合預(yù)應(yīng)力錨桿在邊坡和基坑支護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的方法。對(duì)樁錨結(jié)構(gòu)的計(jì)算多采用等值梁法、m法和有限元法，而等值梁法因其模型簡(jiǎn)單、便于計(jì)算、安全性高，在我國(guó)工程界有著廣泛的應(yīng)用。本文擬在基于等值梁法計(jì)算樁錨受力的基礎(chǔ)上，探討鋼管樁復(fù)合預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)在邊坡支護(hù)時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)的選定及檢算，并將其應(yīng)用于工程實(shí)例設(shè)計(jì)中，為以后類似工程提供設(shè)計(jì)參考。

1 計(jì)算原理及公式

1.1 等值法計(jì)算原理

等值梁法中假定樁有足夠的入土深度，地下部分看做是固定端，支錨位置相當(dāng)于鉸支點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。在正負(fù)彎矩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)d處截?cái)?，并令樁的懸臂端為自由支點(diǎn)a，且在d點(diǎn)設(shè)自由支撐而形成ad梁，則ad梁上的彎矩分布不變，ad段即為ac段的等值梁。這樣可以把樁體劃分為兩段假想梁，上部為簡(jiǎn)支梁，下部為超靜定梁，通過(guò)計(jì)算得到樁身內(nèi)力。

圖1 樁體受力分析圖

由于地面以下的土壓力分布零點(diǎn)位置與彎矩分布零點(diǎn)的位置很接近，所以計(jì)算時(shí)用土壓力零點(diǎn)代替反彎點(diǎn)的位置。

等值梁法的計(jì)算見(jiàn)圖(見(jiàn)圖2)及計(jì)算步驟如下：

圖2 等值梁計(jì)算簡(jiǎn)圖

1)計(jì)算反彎點(diǎn)位置，即樁身主動(dòng)土壓力等于被動(dòng)土壓力位置，公式為：

式中：x為反彎點(diǎn)到坡底的距離，m；

γ 為重度，kN/m3；

c為凝聚力，kPa；

Ka為朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù)；

Kp為朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù)。

2)計(jì)算作用于樁身上的土壓力強(qiáng)度。

3)按照等值梁法原理將鋼管樁看成等值梁，其荷載為土壓力，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)方法計(jì)算梁上固端彎矩及各支點(diǎn)反力。

4)利用所求各支點(diǎn)反力及彎矩進(jìn)行鋼管樁和預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)選定和檢算。

1.2 鋼管樁及預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)選定及檢算公式

1)鋼管樁抗彎承載力檢算公式[4]。

式中：M為鋼管樁的抗彎承載力，kN·m；

fc、fy分別為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和鋼管的屈服強(qiáng)度，kN/m2；

ri為鋼管樁鋼管的內(nèi)半徑，m；

rm為鋼管內(nèi)外半徑的平均值，m；

t為鋼管的壁厚，m。

式中：ξ為鋼管混凝土截面約束效應(yīng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；

AS、Ac分別為鋼管和混凝土截面面積，m2；

fck、fy分別為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和鋼管的屈服強(qiáng)度，kN/m2；

V為鋼管樁橫向抗剪承載力，kN；

γν為樁截面抗剪塑性發(fā)展系數(shù)，當(dāng)ξ≥0.85時(shí)，γν=0.85；當(dāng) ξ≤0.85 時(shí)，γν=1；

A為樁橫截面積，m2；

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α為鋼管混凝土截面含鋼率，α=AS/Ac。

3)預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)選定計(jì)算可以按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2002)7.2節(jié)的有關(guān)公式計(jì)算，此處略去。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某邊坡安全等級(jí)為一級(jí)，邊坡高度11 m，邊坡坡頂距邊坡邊緣4.5 m處有一個(gè)800 t的儲(chǔ)油罐，管徑8 m。邊坡地層由往下主要為卵石土和粉質(zhì)粘土。各層土的物理主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層物理參數(shù)表

2.2 設(shè)計(jì)概況

邊坡高11m，因上層卵石土層比較穩(wěn)定，故將邊坡分為兩層加固，第一層(上層)坡高5.5 m，按1：0.2放坡并采用土釘墻支護(hù)，第二層(下層)坡高5.5 m，采用鋼管樁復(fù)合預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，鋼管樁間距0.5 m，錨桿設(shè)置3排，3排分別距坡底5 m、3 m、1 m。本文所探討對(duì)象為第二層。

2.3 土壓力及支點(diǎn)反力計(jì)算

1)根據(jù)朗肯土壓力計(jì)算公式及反彎點(diǎn)位置計(jì)算公式(1)得到鋼管樁復(fù)合預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)反彎點(diǎn)位置及側(cè)壁土壓力分布如圖3。

圖3 邊坡側(cè)壁土壓力分布圖

2)將鋼管樁簡(jiǎn)化為等值梁模型，因鋼管樁設(shè)置間距為0.5 m，荷載按0.5 m土條考慮，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行梁的支點(diǎn)反力與彎矩計(jì)算，得到各支點(diǎn)反力及彎矩如表2。

表2 各支點(diǎn)反力及彎矩表

2.4 鋼管樁檢算

1)鋼管樁嵌入深度計(jì)算。

根據(jù)反彎點(diǎn)F的支點(diǎn)反力，樁體嵌固段的長(zhǎng)度為：

因此，樁體最小入土深度Dmin：

又因坡高5.5 m，故選取總樁長(zhǎng)為8.5 m。

2)鋼管樁抗彎承載力檢算。

鋼管樁擬采用φ76 mm、壁厚5.5 mm的鋼管，采用公式(2)計(jì)算其抗彎承載力M：

滿足抗彎要求。

3)鋼管樁抗剪承載力檢算。

采用公式(4)計(jì)算鋼管樁抗剪承載力V：

滿足抗剪要求。

φ76 mm、壁厚5.5 mm的鋼管可滿足設(shè)計(jì)要求，故鋼管樁選定φ76 mm、壁厚5.5 mm的鋼管進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

2.5 預(yù)應(yīng)力錨桿計(jì)算

預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)選定計(jì)算按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2002)7.2節(jié)的有關(guān)公式計(jì)算，此處不加贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

1)等值梁法是一種常用的邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方法，它計(jì)算簡(jiǎn)便，可靠性高，是工程設(shè)計(jì)中一種很實(shí)用的方法。

2)鋼管樁的抗彎與抗剪檢算可以為鋼管樁型號(hào)的選定提供一個(gè)依據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約工程成本，保證工程安全。

3)本文所述內(nèi)容可以為鋼管樁復(fù)合預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)計(jì)算提供一個(gè)切實(shí)可行的計(jì)算方法，可作為相類似工程設(shè)計(jì)計(jì)算的參考。

4)工程施工過(guò)程中，可在邊坡上建立監(jiān)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)，及時(shí)對(duì)邊坡的位移及沉降進(jìn)行觀測(cè)。在觀測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化與完善，保證工程的安全。

[1]謝猛,侯克鵬,傅鶴林.等值梁法在深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ),2008,22(1):14-17.

[2]朱麗霞.基于等值梁法的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)[J].土工基礎(chǔ),2010,24(6):42-45.

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