基于Midas/Civil的鋼管防護(hù)樁仿真分析

仇志明

(鐵道部工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站烏魯木齊監(jiān)督站，新疆烏魯木齊 830011)

隨著我國土建工程規(guī)模的擴(kuò)大，基坑工程已成為土木工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一。鐵路橋梁承臺尺寸通常較大，施工多采用明挖基坑的方法，選擇合適的基坑支護(hù)方案和計(jì)算模型尤為重要。鋼管樁支護(hù)施工具有工藝簡單、取材方便、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)實(shí)踐證明是一種切實(shí)可行的施工技術(shù)方案[1-2]。

目前對鋼管樁支護(hù)技術(shù)的仿真分析及方案設(shè)計(jì)、施工已經(jīng)取得了一些研究成果。文獻(xiàn)[3]針對馬鞍山大橋左汊主橋南塔承臺基坑的安全，對8種基坑支護(hù)方案進(jìn)行了分析，經(jīng)過綜合比選，最終設(shè)計(jì)和施工時(shí)選用了鎖口鋼管樁支護(hù)方案。文獻(xiàn)[4]介紹了應(yīng)用鋼管樁支護(hù)法進(jìn)行明挖基坑施工的特點(diǎn)、施工方法及其技術(shù)保證措施。文獻(xiàn)[5]介紹了密布鋼管樁圍護(hù)方案在河道中某大橋主墩承臺施工中的應(yīng)用情況。指出了密布鋼管樁圍護(hù)方案具有整體性好、防基底流砂效果明顯、施工周期短及材料可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，為一種較好的橋梁主墩承臺深基坑支撐圍護(hù)方案。文獻(xiàn)[6]結(jié)合灌河大橋主橋南岸承臺深基坑開挖支護(hù)方案的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算，介紹了鎖口鋼管樁圍堰和雙排鋼管樁支護(hù)兩種承臺深基坑支護(hù)方案的計(jì)算思路和技術(shù)特點(diǎn)。

以上研究大多側(cè)重鋼管防護(hù)樁在具體工程中的施工工藝及實(shí)施過程，對其設(shè)計(jì)或計(jì)算分析涉及較少。目前，鋼管防護(hù)樁的計(jì)算分析主要參考《建筑施工計(jì)算手冊》[7]中規(guī)定的布魯姆(Blum)方法求解。本文應(yīng)用Midas/Civil有限元軟件，對鋼管防護(hù)樁進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，提出了一種新的分析方法。該分析方法不僅可給出鋼管防護(hù)樁的最大彎矩及其發(fā)生部位，還可給出鋼管樁的變形分布規(guī)律。

1 計(jì)算方法

1.1 傳統(tǒng)的布氏解法

樁頂部無水平拉桿，樁底為彈性嵌固的樁，根據(jù)布氏理論在主動(dòng)與被動(dòng)土壓力作用下其受力計(jì)算簡圖見圖1。

圖1 彈性嵌固懸臂樁荷載與彎矩計(jì)算簡圖

式中:γ'為換算后的土重度;Ka，Kp分別為主、被動(dòng)土壓力系數(shù)。

整理式(1)可得

圖1中力系圍繞樁下端B點(diǎn)的彎矩應(yīng)滿足Σ M=0，則有

式(3)中m，n與荷載、樁長有關(guān)。布氏根據(jù)研究成果作一曲線，根據(jù)該曲線由m，n可查得ω，進(jìn)而可求得x值。μ值可按下式確定

最后確定樁的插入深度t及樁身最大彎矩Mmax。

1.2 本文提出的解法

首先采用二分法直接求解式(2)，得到x值;其次利用式(4)求解μ值;最后采用Midas/Civil建立有限元模型，鋼管樁用梁單元模擬，將土壓力用梯形或三角形荷載表示，進(jìn)行靜力求解。該方法不僅可獲得鋼管防護(hù)樁的最大彎矩，還可得到鋼管樁各個(gè)截面的彎矩分布以及鋼管樁的變形規(guī)律。進(jìn)一步還可直接給出鋼管各部位的應(yīng)力分布。

2 驗(yàn)算內(nèi)容

2.1 鋼管樁入土深度計(jì)算

支護(hù)樁入土深度的計(jì)算，是支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的關(guān)鍵問題。入土深度直接關(guān)系到支護(hù)樁的穩(wěn)定性，從而影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠度[8-11]。鋼管樁的最小入土深度也是表征鋼管樁前、后主動(dòng)及被動(dòng)土壓力平衡的重要指標(biāo)之一。

根據(jù)上述方法確定x及μ值，鋼管樁的最小入土深度t可按下式計(jì)算

2.2 鋼管樁的強(qiáng)度驗(yàn)算

鋼管樁的強(qiáng)度驗(yàn)算可采用極限狀態(tài)法，按受彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算公式為

式中:W為鋼管截面積;f為鋼管的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。對于A3鋼管，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 MPa。

3 工程算例

3.1 工程概況

某鐵路多跨連續(xù)梁特大橋橋跨布置為(80+128+80)m。其中一個(gè)橋墩承臺尺寸為27.0 m×27.0 m×6.0 m。承臺開挖基坑擬采用φ50 cm壁厚10 mm鋼管樁防護(hù)，共計(jì)180根鋼管樁。原地面距承臺底深度8.4 m，表層1.4 m為人工填土、粉質(zhì)黏土(δ0=120 kPa)，其下為細(xì)圓礫土(δ0=410 kPa)。橋址處地下水位為第四系孔隙潛水，地下水主要賦存于全新統(tǒng)沖積砂土及圓礫土的孔隙中，地下水水位埋深3～5 m，水量較豐富。

3.2 鋼管樁的設(shè)計(jì)分析

根據(jù)地質(zhì)及地形條件，鋼管樁的受力計(jì)算簡圖見圖2。地面超載q0=10 kPa。細(xì)圓礫土土層重度γ1=20 kN/m3，黏聚力 c1=0，內(nèi)摩擦角 φ1=38°。

圖2 鋼管樁的受力(單位:cm)

根據(jù)受力計(jì)算簡圖，列出平衡方程，見式(7)。

式中:主動(dòng)土壓力合力Ea=Ea1+Ea2+Ea3=140.70 kN/m。合力作用點(diǎn)距地表的距離ha=(Ea1ha1+Ea2ha2+Ea3ha3)/Ea=4.66 m。土壓力零點(diǎn)距基坑底面距離將上述數(shù)值代入式(7)，得到方程

采用二分法解得t'=4.21 m。

3.3 鋼管樁入土深度計(jì)算

鋼管樁入土最小深度為1.2×4.21+0.45=5.5 m。鋼管樁的總長度為7.0+5.5=12.5 m。

3.4 鋼管樁強(qiáng)度驗(yàn)算

承臺開挖采用φ50 cm壁厚10 mm鋼管樁防護(hù)，凈距10 cm，即每隔0.6 m打1個(gè)樁。所以1根樁承擔(dān)0.6 m計(jì)算寬度的土側(cè)壓力，且土壓力為永久荷載，需乘以分項(xiàng)系數(shù)r0=1.2。

考慮以上因素，有限元計(jì)算的樁側(cè)主動(dòng)、被動(dòng)土壓力分布見圖3，鋼管樁彎矩、應(yīng)力分布及樁身撓曲變形見圖4。從圖4可知，樁身最大彎矩為372 kN·m，分布范圍為距樁底1.5～3.0 m處。樁身最大應(yīng)力為201.5 MPa，小于材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度205 MPa。樁頂位移最大為15.1 cm。

圖3 模型樁側(cè)主動(dòng)、被動(dòng)土壓力分布(單位:kN)

圖4 鋼管樁計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1)基于布魯姆方法給出的彈性嵌固懸臂樁荷載與彎矩計(jì)算簡圖，結(jié)合Midas/Civil有限元軟件，可有效地對鋼管防護(hù)樁進(jìn)行數(shù)值仿真分析，為鋼管支護(hù)樁的受力提供了一種新分析方法。

2)有限元分析方法不僅可以給出鋼管防護(hù)樁的最大彎矩及其分布范圍，還可以給出鋼管樁的受力、變形分布規(guī)律。

3)經(jīng)工程算例驗(yàn)證，鋼管樁的受力性能滿足規(guī)范規(guī)定，其分析及計(jì)算過程可供實(shí)際工程參考。

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