柔性鋼支撐結(jié)構(gòu)的一種計算

■秦 偉 ■中鐵二十三局集團第一工程有限公司，山東 日照 276826

目前，在基礎(chǔ)工程施工中，例如在施工陸地基坑時，支護廣泛采用鋼支撐，水中基坑采用鋼板樁等進行支護，這些結(jié)構(gòu)適用于因受場地等條件的限制，基坑或基槽不能采用放坡開挖、周圍有水或淤泥而必需進行垂直土方開挖施工時采用。

1 支護結(jié)構(gòu)計算方法的比較

在設(shè)計支護結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)承受的土壓力與土層地質(zhì)條件、地下水狀況、支護結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的剛度以及施工工況、方法、質(zhì)量等因素密切相關(guān)，且呈現(xiàn)出時空效應(yīng)，由于這些因素千變?nèi)f化，十分復(fù)雜，因此難于計算土壓力的精確值，目前國內(nèi)外常用的計算土壓力方法仍以庫侖公式或朗肯公式為基本計算公式。庫侖公式及朗肯公式均為假設(shè)土體為極限平衡狀態(tài)下的計算公式，支護結(jié)構(gòu)計算方法主要為等值梁法。古典的靜力平衡法、等值梁法均不考慮支撐變形，將土壓力作為外力施加于支護結(jié)構(gòu)，然后通過求解水平方向合力及支撐點彎矩為零的方程得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力。但實測資料表明，圍護結(jié)構(gòu)并不是剛性的，其變形和土壓力的調(diào)整使得作用于基坑圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力往往處于非極限平衡狀態(tài)，與按經(jīng)典方法計算的結(jié)果相差較大，存在較大的安全隱患。雖然這些方法未考慮墻體變形及墻體與土的相互作用，但在工程界仍廣泛運用。

圖1.1 彈性地基梁法計算模型

基坑開挖是一個土與結(jié)構(gòu)共同作用的復(fù)雜過程。對土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系的模擬是采用土與結(jié)構(gòu)共同作用方法的關(guān)鍵?；蝇F(xiàn)場的土體應(yīng)采用合適的本構(gòu)模型進行模擬，并且能根據(jù)室內(nèi)實驗和原位測試等手段給出合理的參數(shù)。

根據(jù)目前土力學(xué)理論的研究情況，在所有理論模型中，修正劍橋模型、Plaxis Hardening Soil(HS)模型均是硬化類型的本構(gòu)模型，能同時反映土體在小應(yīng)變時的非線性行為和土的塑性性質(zhì)，更適合于基坑開挖的分析。這種觀點將土體比作連續(xù)彈性支承，不考慮被動土壓力，只考慮主動土壓力，其受力過程中，應(yīng)變及應(yīng)力按照非彈性線形變化，在這種理論發(fā)展起來的計算方法主要是彈性地基梁法，這種計算模型(見圖1.1)是將支護結(jié)構(gòu)分成若干段，用彈簧結(jié)構(gòu)模擬土體的被動壓力，計算時采用有限元方法，能夠比較細致得出各個節(jié)點的受力和變形情況。

2 計算實例

2.1 地質(zhì)概況

東明黃河大橋黃河水中共有7 個墩，圍堰范圍主要土質(zhì)為粉砂，粉質(zhì)黏土，粉土，土層厚度及分布范圍基本一致。以K56 +978.66 處B9勘探孔地質(zhì)資料為例，土層分布及土層性質(zhì)見下表2.1:

表2.1 地質(zhì)土層參數(shù)表

2.2 水文概括

4 月份測定河水流速2m/s;水深按最大5m 考慮，沖刷深度在水位深處按照2m 考慮。

2.3 圍堰構(gòu)造

圖2.1 鋼板樁圍堰斷面圖

鋼圍堰材料采用拉森Ⅳ鋼板樁，鋼板長度18 米，頂標(biāo)高62.30m，鋼板樁相互咬合連接成封閉式結(jié)構(gòu)，見圖2.1。圍堰尺寸為26.6 ×19.6m 見圖2.2，圍堰內(nèi)部設(shè)置整體式圍檁，分上下兩道，最下層圍檁放置在承臺頂0.5m 處。上下圍檁橫撐要聯(lián)接，增加穩(wěn)定性，圍檁分3 階段施工，第一階段為下放期，安裝主框架，第二階段抽水至上圍檁以下，安裝支撐構(gòu)件，第三階段挖土抽水至下圍檁下，安裝下支撐，形成整體結(jié)構(gòu)，最后段進行清底封底作業(yè)。

圖2.2 支撐結(jié)構(gòu)圖

2.4 計算參數(shù)

粉砂層土體性質(zhì)為:密度γ1=19KN/m3，內(nèi)摩擦角φ1=26°，粘聚力c1=10kpa;粉砂浮容重:γ1w=19-10=9KN/m3

粉質(zhì)黏土密度γ2=18KN/m3，內(nèi)摩擦角φ2=20°，粘聚力c2=10.5kpa;粉質(zhì)黏土浮容重:γ2w=18-10=8KN/m3

粉砂層主動土壓力系數(shù):

Ka1=tg2(45°-)=0.39，=0.625

被動土壓力系數(shù):

Kp1=tg2(45° +)=2.56，=1.6。

2.5 抽水至混凝土墊層底時鋼板樁受力計算

采用彈性地基梁模型，鋼板樁材料梁單元模擬，劃分為多段，分別設(shè)彈性支撐，圍檁的支撐點及土體均采用土彈簧模擬。

上圍檁鋼支撐的彈簧剛度為K=412714kN/m;

下圍檁鋼支撐的彈簧剛度為:K=

αR—為支撐松弛系數(shù)，取0.9;

λ-支撐不動點調(diào)整系數(shù)，取0.5;

E—支撐的彈性模量，取2.1 ×109kpa;

A—支撐的截面積，取a=0.63 ×3.14 ×0.008=0.0158m2

Lo--支撐長度，取19.6m;

s--支撐間距，取5m;

ba--計算寬度，取1m。

根據(jù)以上參數(shù)，計算得K=610416KN/m。

在開挖面至以下4m 的土體的彈簧剛度計算采用公式:

KH=bhmz

h—為支點處上下分段的平均長度;

m—為地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，根據(jù)建筑基坑規(guī)范，依地層土性狀取值為m=4000～6000KN/m4

z—為支點上下兩段土層距離地面的深度;

b—為計算寬度，取1m。

以下部位的土體彈簧剛度按照下列公式計算:

KH=kHbh

KH——水平向基床系數(shù)，按照稍密砂土取15000～30000KN/m3。

土彈簧的剛度系數(shù)計算結(jié)果如下表2.1:

表2.1 地基土剛度系數(shù)計算表

采用Midas/Civil 的計算模型及荷載見圖2.3:

計算結(jié)果為:

根據(jù)反力圖(見圖2.4)，上圍檁所承擔(dān)反力為F1=-42KN/m，下圍檁所承擔(dān)的反力為F2=308.3KN/m。

根據(jù)內(nèi)力圖(見圖2.5)，鋼板樁最大彎矩為M=-245.7KNm。

每米鋼板樁最大應(yīng)力為

f=M/0.9W

=120.26MPa ＜［f］=270MPa。

與應(yīng)力(見圖2.6)計算結(jié)果126.9MPa 基本一致。

根據(jù)變形圖，鋼板樁最大位移發(fā)生在中部，而鋼板樁底部位移非常小。

3 施工監(jiān)控分析

圖2.3 鋼板樁計算模型及荷載

圖2.4 反力圖

圖2.5 內(nèi)力圖

圖2.6 應(yīng)力圖

在鋼圍堰施工過程中，我們對鋼板樁的受力和變形情況進行了監(jiān)控，在承臺以上分3 層布置應(yīng)變計和壓力盒。對鋼板樁進行了頂壓試驗。鋼板樁的應(yīng)力值見表3.1.

表3.1 鋼板樁應(yīng)力監(jiān)測表

根據(jù)監(jiān)控表，可以看出，實際監(jiān)控數(shù)據(jù)與計算數(shù)值基本一致，略小于計算值。

4 結(jié)論

圖2.7 變形圖

柔性鋼支撐的受力計算與剛性支撐(如擋墻)的計算有所差別，不能都采用經(jīng)典土力學(xué)計算，所以采用彈性地基梁可以更好的模擬土體本構(gòu)關(guān)系，計算成果更接近實際，而且這種計算配合有限元軟件比較簡便直接，在工程施工中比較容易做到，是一種值得推廣的一種計算方法。