鎖口鋼管樁圍護仿真分析

吳建軍 陳創(chuàng)堅 李淼森

鎖口鋼管樁[1]是通過L-T型鋼陰陽鎖口接頭將鋼管樁相互連接形成的一種整體支護形式,充分利用了鋼管樁的剛度及較強的抗彎能力,同時通過鎖口連接提高了支護的穩(wěn)定性及整體受力性能。實際施工中可在鋼管樁中填實砂土以增大樁體的抗彎剛度,在鎖口型鋼間隙填充粘性好的紅土以增強圍護結(jié)構(gòu)的止水性能[2],該施工方法尤其適合近堤岸臨水深基坑開挖施工。

1 基坑開挖方案及支護方式的確定

某基坑承臺施工作業(yè)在人工筑島上進行,場地狹小無法采用放坡開挖,只能進行垂直開挖方式。綜合考慮施工技術(shù)難度、施工耗時、對機械設(shè)備的要求及支護費用等因素,經(jīng)過方案比選確定采用鎖口鋼管樁支護方式[3]。確定圍護結(jié)構(gòu)(鋼管軸心連線)平面尺寸為:73 m×35 m,開挖深度 10 m。

2 鎖口鋼管樁支護空間有限元模型的建立

2.1 基坑圍護結(jié)構(gòu)尺寸、材料及材料特性

圍護結(jié)構(gòu)材料特性表如表1所示。

表1 圍護結(jié)構(gòu)材料特性表

2.2 圍護結(jié)構(gòu)平面圖

圍護結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

2.3 計算內(nèi)容及有限元模型的建立

2.3.1 仿真計算的主要內(nèi)容

基坑開挖支護仿真計算主要包括:內(nèi)力計算、應(yīng)力計算、變形計算及穩(wěn)定計算。鋼管樁嵌入深度計算。該工程項目施工擬采用無水開挖方案。

2.3.2 有限元模型的建立

采用有限元軟件MIDAS建立圍護結(jié)構(gòu)的三維空間有限元模型,圍護樁、橫向支撐、斜撐、圍檁及臨時支墩均采用梁單元建模。共計建立節(jié)點5 711個,梁單元8 220個。

1)主動土壓力分布計算。根據(jù)郎金主動土壓力計算公式:

其中,Ka為主動土壓力系數(shù);γ為土層的重度,kN/m3,地下水位以下采用浮容重;h為計算主動土壓力強度的點至土表面的距離;c為土的粘聚力,kN/m2。

繪出土壓力分布圖如圖2所示。

2)被動土壓力計算。被動土壓力采用節(jié)點彈簧水平抗力模擬[7],具體計算如下:

a.水平地基系數(shù):Cy=mz。其中,m為地基比例系數(shù),由地質(zhì)資料,液性指標 IL分布在1～0.5之間,故取5 000 kN/m4。

b.土抗力計算寬度b:鋼管樁直徑為0.8 m＜1 m,b=0.9(1.5d+0.5),同時應(yīng)該滿足排樁總的計算寬度之和 nb不超過最外側(cè)樁所包的距離B,即 nb=73b≤73.8,故最終取土抗力計算寬度b=1.0 m。

c.側(cè)向土抗力(壓應(yīng)力):σzx=mzxz=5 000×xz×z。其中,z為土層深度;xz為深度z處樁的橫向撓度。將單根樁承受的被動土壓力簡化成節(jié)點彈簧,那么彈簧等效剛度系數(shù)其中,k為彈簧等效抗壓剛度系數(shù);A為側(cè)向土抗壓面積。取土層厚度2 m設(shè)置一節(jié)點彈簧,計算得到各層土的等效彈簧剛度系數(shù)為10,30,50,70,90,110,130…單位為:kN/mm。

3 施工過程基坑支護仿真分析

3.1 工況劃分

表2 控制工況應(yīng)力、變形計算結(jié)果

考慮基坑開挖順序和承臺分層施工順序,將整個施工過程劃分成七個工況:工況一,基坑開挖4 m(無內(nèi)支撐),鋼管樁最大懸臂狀態(tài),為鋼管樁最大變形控制工況;工況二,基坑開挖7 m(在標高+7.5 m處加第一道內(nèi)支撐后,開挖至+3.0 m),為單層內(nèi)支撐時圍護結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力與變形的控制工況;工況三,基坑開挖10 m(在標高+4.0 m處加第二道內(nèi)支撐,開挖至+0.0 m),為基坑最大開挖深度時圍護結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力與變形的控制工況;工況四,澆筑墊層1 m厚混凝土,待混凝土具有一定強度對圍護樁形成約束;工況五,澆筑承臺下層2 m厚混凝土;工況六,回填已施工承臺周,在標高+2.5 m加臨時水平支撐,拆除第二道內(nèi)支撐,澆筑承臺第二層混凝土,為圍護結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力控制工況及屈曲穩(wěn)定控制工況;工況七,回填承臺第二層混凝土坑周,在標高+4.5 m加臨時水平支撐,拆除標高+2.5 m處臨時水平支撐,澆筑承臺最上層混凝土。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點及支護體系的變化,確定工況一、二、三和六為控制性工況。

3.2 仿真計算結(jié)果

通過有限元仿真分析,得出施工過程中各控制工況下圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形計算結(jié)果如表2所示,壓桿屈曲分析計算結(jié)果見表3。

表3 控制工況屈曲分析計算結(jié)果(臨界荷載系數(shù)計算結(jié)果)

計算結(jié)果表明:該圍護結(jié)構(gòu)基本滿足承臺基坑開挖及承臺混凝土施工要求。但是對于變形較大部位及局部應(yīng)力偏大部位在構(gòu)件進行局部設(shè)計、加工時予以考慮,在施工過程中加強對圍護和基坑的監(jiān)測,根據(jù)實際情況增加調(diào)整支撐。

4 結(jié)語

通過對某深基坑支護結(jié)構(gòu)的仿真計算得出以下結(jié)論:1)采用空間有限元模型對圍護結(jié)構(gòu)進行仿真計算,可以較為準確得到圍護結(jié)構(gòu)各部位局部應(yīng)力和變形,確定了后續(xù)施工監(jiān)測關(guān)鍵構(gòu)件和部位,提供了相應(yīng)技術(shù)指標的理論值。2)根據(jù)施工實際可以進一步優(yōu)化支護設(shè)計方案,達到安全可靠、經(jīng)濟合理、便于施工的目的。

[1]李 凡,翟慶龍,任 威,等.鎖口鋼管樁圍堰施工與工藝控制[J].公路,2005(10):33-37.

[2]劉萬偉.寧波大橋鎖口鋼管樁圍堰施工[J].施工技術(shù),1998(9):14-15.

[3]朱曉明,李新形.湖口大橋東塔基礎(chǔ)鎖口鋼管樁圍堰施工方法介紹[J].公路,2002(7):71-73.

[4]江正榮.建筑施工計算手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[5]謝建民.施工現(xiàn)場設(shè)施安全設(shè)計計算手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[6]江正榮.建筑地基與基礎(chǔ)施工手冊[M].第 2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[7]凌治平.基礎(chǔ)工程[M].北京:人民交通出版社,1999.