基于SAP2000的透水樁壩內(nèi)力分析模型實(shí)現(xiàn)

胡 正,牛萬宏,馬奇豪

(河南黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

近年來，隨著工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，各種類型的支擋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛，在現(xiàn)行《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)[1]等相關(guān)規(guī)范中對(duì)支擋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算主要采用彈性地基梁法，與傳統(tǒng)的內(nèi)力平衡經(jīng)典法不同的是，該方法將支擋結(jié)構(gòu)當(dāng)作垂直放置的梁，開挖面以下土體部分簡(jiǎn)化為反力彈性支座。該方法綜合考慮了土、支擋結(jié)構(gòu)以及支撐錨桿的共同作用，方法簡(jiǎn)單，目前在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。

黃河下游河勢(shì)游蕩多變，河道整治的控導(dǎo)工程通過對(duì)洪水的擋、挑、順等方式，引導(dǎo)和控制洪水按規(guī)劃的流路演進(jìn)?；炷翗队捎诓贾渺`活，可一次性施工至最大沖刷深度范圍以下的穩(wěn)定地層中，具有壩前抗沖刷，壩后落淤造灘相結(jié)合的特點(diǎn)，開始在河道整治工程中得到一定應(yīng)用。耿明全等[2]對(duì)該壩型原理及應(yīng)用工藝進(jìn)行了研究；劉筠等[3-5]對(duì)潛壩的沖刷深度、內(nèi)力分布等進(jìn)行了分析研究；姚文藝等[6]對(duì)潛壩樁體控導(dǎo)效果進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究；王普慶[7]對(duì)透水樁壩樁后落淤情況進(jìn)行了研究。

由于黃河下游的游蕩性河勢(shì)復(fù)雜多變的特點(diǎn)，在不同的河道運(yùn)行條件下，計(jì)算工況較為復(fù)雜，李永新等[8]針對(duì)透水樁壩內(nèi)力分析研究采用FLAC3D等數(shù)值計(jì)算軟件建立三維非線性數(shù)值模型，利用接觸元模擬樁土相互作用進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算分析。FLAC3D等大型三維數(shù)值計(jì)算軟件具有適用性廣的優(yōu)勢(shì)，但存在前處理功能弱、運(yùn)行效率低、建模煩瑣等問題，SAP2000為通用結(jié)構(gòu)分析軟件，具有適用性廣、建模便捷、后處理方便等優(yōu)勢(shì)，可提高工作效率。本文通過工程案例對(duì)比計(jì)算分析，探討通過SAP2000軟件建立彈性地基梁模型對(duì)支擋結(jié)構(gòu)以及透水樁壩進(jìn)行內(nèi)力分析的可行性，為透水樁壩的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

1 內(nèi)力分析模型建立

1.1 概況

黃河下游地區(qū)地貌主要屬黃河沖積平原，巖性主要為粉土、砂土等松軟土層，且受水流沖刷影響較大，主要是靠插入土中的懸臂樁體抵抗水平力實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流、控導(dǎo)河勢(shì)的作用。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定各土層為均質(zhì)土層，并假設(shè)各工況下的沖刷一次完成。樁型采用預(yù)制管樁，預(yù)制管樁外徑0.6 m，樁內(nèi)徑0.3 m，樁凈距0.3 m，樁身混凝土等級(jí)采用C60。當(dāng)管樁用作不透水支擋結(jié)構(gòu)時(shí)，管樁主要受樁體移動(dòng)產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力作用；當(dāng)管樁用作透水樁壩時(shí)，管樁主要受靜水壓力、動(dòng)水壓力和樁體移動(dòng)產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力作用。

1.2 計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

對(duì)承受水平荷載的排樁視為豎向彈性地基梁，樁側(cè)土反力采用桿單元側(cè)向彈簧系數(shù)模擬，樁側(cè)土水平反力系數(shù)采用“m”法計(jì)算，支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)土的水平反力系數(shù)按式(1)計(jì)算：

ks=m(z-h)

(1)

作用在擋土構(gòu)件上的分布圖反力符合式(2)規(guī)定：

ps=ksv+ps 0

(2)

式中：ks為水平反力系數(shù)，kN/m3;m為水平反力系數(shù)比例系數(shù)，kN/m4；z為計(jì)算點(diǎn)距地面的深度，m;h為當(dāng)前工況階段下的基坑開挖深度，m;ps0為初始分布土反力，kPa；ps為分布土反力，kPa；v為擋土構(gòu)件分布土反力計(jì)算點(diǎn)水平位移值，m。地層主要為砂壤土及細(xì)砂，主要土層參數(shù)：砂壤土層為c=11.4 kPa，φ=26.5°；細(xì)砂層為c=0 kPa，φ=30°。

1.3 水土壓力

(1)土壓力。支擋結(jié)構(gòu)所承受的土壓力與其位移關(guān)系較大，支擋結(jié)構(gòu)的變形使土體產(chǎn)生了應(yīng)力重分布，因此作用在支擋結(jié)構(gòu)上的土壓力是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，實(shí)際上的支擋結(jié)構(gòu)與周圍土體是一個(gè)復(fù)雜的非線性空間體系。本項(xiàng)目近似滿足半無限空間體假定，各土層均為水平分布，水土壓力分布如圖1所示。

(2)動(dòng)水壓力。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTD D60—2015)[9]規(guī)定，動(dòng)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Fw為流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；K為形狀系數(shù)，圓形取K=0.8；A為流水截面面積，m2;γ為流水比重，kN/m3;V為設(shè)計(jì)流速,m/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

(3)靜水壓力。靜水壓力根據(jù)pw=0.5γwH2計(jì)算，其中取γw=10 kN/m3進(jìn)行計(jì)算。考慮到河流中壩前水位的壅高，因此在計(jì)算中對(duì)于不同流速下樁壩前后水位需考慮一定的水位差。

圖1 樁體受力示意圖

1.4 計(jì)算工況選取

透水樁壩在河道整治中主要是起控導(dǎo)水流，促進(jìn)灘槽水沙交換、淤高其后灘地的作用。要達(dá)到樁前控水抗沖，樁后落淤造灘的作用需要綜合水流黏滯特性、流速分布、透水樁壩的消能作用以及水流運(yùn)動(dòng)形態(tài)和河道特性等多種因素的影響。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定各土層均為均質(zhì)，并且假設(shè)各工況中沖刷一次完成，考慮到黃河下游河道近年來的運(yùn)行實(shí)際，共設(shè)置以下五種工況進(jìn)行分析，本文所采用的計(jì)算工況詳見表1。

表1 工況特征表

1.5 內(nèi)力計(jì)算方法

目前對(duì)于承受水平方向荷載樁基的內(nèi)力計(jì)算主要采用彈性地基梁法，通過對(duì)梁的撓曲微分方程求解，進(jìn)而計(jì)算出樁身的彎矩和剪力。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 工況一和工況二

兩種計(jì)算工況分別為：工況一樁后土體(細(xì)砂)高程在沖刷線以上1.0 m；工況二：樁后土體(細(xì)砂)都平?jīng)_刷線。在工況一和工況二條件下，河道流量為800 m3/s，沖刷深度為8.0 m，樁壩前后水位差0.2 m，動(dòng)水壓力系數(shù)采用樁前水深計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示，采用彈性地基梁模型對(duì)樁壩內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，管樁在動(dòng)水壓力、樁前后靜水壓力差及土壓力的共同作用下，管樁上部向河床方向移動(dòng)，樁頂位移在樁后土體高程在沖刷線以上1 m時(shí)達(dá)24.62 mm，當(dāng)樁前后土體平?jīng)_刷線時(shí)，樁頂位移達(dá)43.03 mm；兩種工況樁體最大彎矩分別為113.73 kN·m、135.85 kN·m，最大剪力分別為45.24 kN、67.53 kN。整體相差不大，工況二條件下樁身內(nèi)力、變形均略大于工況一。

圖3 工況一內(nèi)力位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖4 工況二內(nèi)力位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.2 工況三和工況四

兩種計(jì)算工況分別為：工況三樁后土體(細(xì)砂)高程在沖刷線以上1.5 m；工況四：樁后土體(細(xì)砂)都平?jīng)_刷線。在工況三和工況四條件下，河道流量為4000 m3/s，沖刷深度為12.0 m，樁壩前后水位差0.3 m，動(dòng)水壓力系數(shù)采用樁前水深計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示，采用彈性地基梁模型對(duì)樁壩內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，管樁在動(dòng)水壓力、樁前后靜水壓力差及土壓力的共同作用下，管樁上部向河床方向移動(dòng)，樁頂位移在樁后土體高程在沖刷線以上1.5 m時(shí)達(dá)113.35 mm，當(dāng)樁后土體平?jīng)_刷線時(shí)，樁頂位移達(dá)168.28 mm；兩種工況樁體最大彎矩分別為352.24 kN·m、436.86 kN·m，最大剪力分別為102.38 kN、125.30 kN，相差較大，整體上仍是工況四條件下樁身內(nèi)力、變形均大于工況三。

圖5 工況三內(nèi)力位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖6 工況四內(nèi)力位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.3 工況五

工況五樁后土體(砂壤土及細(xì)砂)高程平樁頂，樁前深度為10.0 m，計(jì)算中不考慮動(dòng)水壓力，樁前后水位持平，利用理正軟件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。計(jì)算所得彎矩及剪力見表2所示。

表2 10 m深度樁壩內(nèi)力位移計(jì)算對(duì)比表

2.4 綜合分析

(1)在相同工況條件下，采用SAP2000彈性地基梁模型分別對(duì)流量為800 m3/s中小水工況和4000 m3/s的大水工況的樁身內(nèi)力位移等進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)算例計(jì)算結(jié)果，與文獻(xiàn)[8]相同工況條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果較為接近，同時(shí)樁身最大彎矩作用點(diǎn)深度及剪力零點(diǎn)位置均較為一致。當(dāng)采用理正軟件對(duì)工況五懸臂樁內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)所得計(jì)算結(jié)果也與SAP2000彈性地基梁模型計(jì)算結(jié)果基本吻合。

(2)當(dāng)沖刷深度增加時(shí)，樁壩樁身位移、內(nèi)力會(huì)隨沖刷深度的增加而增大，同時(shí)當(dāng)沖刷深度增加時(shí)，樁壩后落淤時(shí)對(duì)樁壩樁身位移、內(nèi)力影響程度也隨著增大，因此樁后相同的落淤深度條件下當(dāng)沖刷深度增加時(shí)，樁身內(nèi)力位移降低幅度越大。

(3)根據(jù)同一沖刷深度條件下的樁壩內(nèi)力計(jì)算結(jié)果來看，當(dāng)樁壩背河灘面高程相比較樁前臨河側(cè)高1.0～1.5 m時(shí)，樁頂位移、樁體最大彎矩、樁體最大剪力等均有不同程度降低，主要原因是樁后土體產(chǎn)生的土壓力和靜水壓力抵消掉一部分樁前后靜水壓力差與動(dòng)水壓力。黃河近年來主要為中小水流量運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)相關(guān)研究成果，在中小水流量形態(tài)下樁后落淤一般小于2.0 m，當(dāng)樁后落淤厚度增加在一定范圍內(nèi)時(shí)樁身內(nèi)力會(huì)有一定程度降低，但樁壩嵌固深度會(huì)增大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按不同工況特性分別計(jì)算嵌固深度進(jìn)行復(fù)核。

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)過多種數(shù)值計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析,SAP2000彈性地基梁模型可用于對(duì)復(fù)雜工況條件下的懸臂樁樁身內(nèi)力分析計(jì)算，與其他數(shù)值計(jì)算設(shè)計(jì)軟件計(jì)算結(jié)果相比，計(jì)算結(jié)果較為接近，相比較其他三維數(shù)值計(jì)算軟件，SAP2000在提高工作效率上具有一定優(yōu)勢(shì)。

(2)樁后落淤會(huì)使樁體自身受河道動(dòng)靜水壓力時(shí)產(chǎn)生的樁身內(nèi)力有一定程度降低，當(dāng)樁前臨河側(cè)沖刷深度越深時(shí)，這種作用越明顯。

(3)樁壩樁身內(nèi)力受沖刷深度影響較大，當(dāng)沖刷深度增加時(shí)，樁壩樁身位移、內(nèi)力會(huì)隨沖刷深度的增加而增大，在樁壩運(yùn)行工況中，當(dāng)樁后落淤厚度增加在一定范圍內(nèi)時(shí)樁身內(nèi)力會(huì)有一定程度降低，但樁壩嵌固深度會(huì)增大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮按不同工況分別計(jì)算嵌固深度進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。