吳建軍 陳創(chuàng)堅(jiān) 李淼森

鎖口鋼管樁[1]是通過(guò)L-T型鋼陰陽(yáng)鎖口接頭將鋼管樁相互連接形成的一種整體支護(hù)形式,充分利用了鋼管樁的剛度及較強(qiáng)的抗彎能力,同時(shí)通過(guò)鎖口連接提高了支護(hù)的穩(wěn)定性及整體受力性能。實(shí)際施工中可在鋼管樁中填實(shí)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(qiáng)圍護(hù)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(hù)方式的確定

某基坑承臺(tái)施工作業(yè)在人工筑島上進(jìn)行,場(chǎng)地狹小無(wú)法采用放坡開挖,只能進(jìn)行垂直開挖方式。綜合考慮施工技術(shù)難度、施工耗時(shí)、對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求及支護(hù)費(fèi)用等因素,經(jīng)過(guò)方案比選確定采用鎖口鋼管樁支護(hù)方式[3]。確定圍護(hù)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(hù)空間有限元模型的建立

2.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸、材料及材料特性

圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料特性表如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料特性表

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖

圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

2.3 計(jì)算內(nèi)容及有限元模型的建立

2.3.1 仿真計(jì)算的主要內(nèi)容

基坑開挖支護(hù)仿真計(jì)算主要包括:內(nèi)力計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算、變形計(jì)算及穩(wěn)定計(jì)算。鋼管樁嵌入深度計(jì)算。該工程項(xiàng)目施工擬采用無(wú)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(hù)結(jié)構(gòu)的三維空間有限元模型,圍護(hù)樁、橫向支撐、斜撐、圍檁及臨時(shí)支墩均采用梁?jiǎn)卧！９灿?jì)建立節(jié)點(diǎn)5 711個(gè),梁?jiǎn)卧? 220個(gè)。

1)主動(dòng)土壓力分布計(jì)算。根據(jù)郎金主動(dòng)土壓力計(jì)算公式:

其中,Ka為主動(dòng)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(jì)算主動(dòng)土壓力強(qiáng)度的點(diǎn)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(dòng)土壓力計(jì)算。被動(dòng)土壓力采用節(jié)點(diǎn)彈簧水平抗力模擬[7],具體計(jì)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(biāo) IL分布在1～0.5之間,故取5 000 kN/m4。

b.土抗力計(jì)算寬度b:鋼管樁直徑為0.8 m＜1 m,b=0.9(1.5d+0.5),同時(shí)應(yīng)該滿足排樁總的計(jì)算寬度之和 nb不超過(guò)最外側(cè)樁所包的距離B,即 nb=73b≤73.8,故最終取土抗力計(jì)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(dòng)土壓力簡(jiǎn)化成節(jié)點(diǎn)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(diǎn)彈簧,計(jì)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(guò)程基坑支護(hù)仿真分析

3.1 工況劃分

表2 控制工況應(yīng)力、變形計(jì)算結(jié)果

考慮基坑開挖順序和承臺(tái)分層施工順序,將整個(gè)施工過(guò)程劃分成七個(gè)工況:工況一,基坑開挖4 m(無(wú)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(biāo)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(shí)圍護(hù)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(biāo)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(shí)圍護(hù)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(qiáng)度對(duì)圍護(hù)樁形成約束;工況五,澆筑承臺(tái)下層2 m厚混凝土;工況六,回填已施工承臺(tái)周,在標(biāo)高+2.5 m加臨時(shí)水平支撐,拆除第二道內(nèi)支撐,澆筑承臺(tái)第二層混凝土,為圍護(hù)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(tái)第二層混凝土坑周,在標(biāo)高+4.5 m加臨時(shí)水平支撐,拆除標(biāo)高+2.5 m處臨時(shí)水平支撐,澆筑承臺(tái)最上層混凝土。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及支護(hù)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(jì)算結(jié)果

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

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

計(jì)算結(jié)果表明:該圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本滿足承臺(tái)基坑開挖及承臺(tái)混凝土施工要求。但是對(duì)于變形較大部位及局部應(yīng)力偏大部位在構(gòu)件進(jìn)行局部設(shè)計(jì)、加工時(shí)予以考慮,在施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)圍護(hù)和基坑的監(jiān)測(cè),根據(jù)實(shí)際情況增加調(diào)整支撐。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算得出以下結(jié)論:1)采用空間有限元模型對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算,可以較為準(zhǔn)確得到圍護(hù)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(cè)關(guān)鍵構(gòu)件和部位,提供了相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的理論值。2)根據(jù)施工實(shí)際可以進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)方案,達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)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(wàn)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(jì)算手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[5]謝建民.施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施安全設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)[M].北京:中國(guó)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(cè)[M].第 2版.北京:中國(guó)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.