牛建東 ， 邱 亮

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350；2.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；3.中南大學 土木工程學院，長沙 410075)

0 引言

鋼管樁復合預應力錨桿在邊坡和基坑支護領(lǐng)域的應用越來越廣泛，但對其設(shè)計計算尚無一個統(tǒng)一的方法。對樁錨結(jié)構(gòu)的計算多采用等值梁法、m法和有限元法，而等值梁法因其模型簡單、便于計算、安全性高，在我國工程界有著廣泛的應用。本文擬在基于等值梁法計算樁錨受力的基礎(chǔ)上，探討鋼管樁復合預應力錨桿支護結(jié)構(gòu)在邊坡支護時的設(shè)計參數(shù)的選定及檢算，并將其應用于工程實例設(shè)計中，為以后類似工程提供設(shè)計參考。

1 計算原理及公式

1.1 等值法計算原理

等值梁法中假定樁有足夠的入土深度，地下部分看做是固定端，支錨位置相當于鉸支點(見圖1)。在正負彎矩的轉(zhuǎn)折點d處截斷，并令樁的懸臂端為自由支點a，且在d點設(shè)自由支撐而形成ad梁，則ad梁上的彎矩分布不變，ad段即為ac段的等值梁。這樣可以把樁體劃分為兩段假想梁，上部為簡支梁，下部為超靜定梁，通過計算得到樁身內(nèi)力。

圖1 樁體受力分析圖

由于地面以下的土壓力分布零點位置與彎矩分布零點的位置很接近，所以計算時用土壓力零點代替反彎點的位置。

等值梁法的計算見圖(見圖2)及計算步驟如下：

圖2 等值梁計算簡圖

1)計算反彎點位置，即樁身主動土壓力等于被動土壓力位置，公式為：

式中：x為反彎點到坡底的距離，m；

γ 為重度，kN/m3；

c為凝聚力，kPa；

Ka為朗肯主動土壓力系數(shù)；

Kp為朗肯被動土壓力系數(shù)。

2)計算作用于樁身上的土壓力強度。

3)按照等值梁法原理將鋼管樁看成等值梁，其荷載為土壓力，運用結(jié)構(gòu)力學相關(guān)方法計算梁上固端彎矩及各支點反力。

4)利用所求各支點反力及彎矩進行鋼管樁和預應力錨桿的設(shè)計參數(shù)選定和檢算。

1.2 鋼管樁及預應力錨桿設(shè)計參數(shù)選定及檢算公式

1)鋼管樁抗彎承載力檢算公式[4]。

式中：M為鋼管樁的抗彎承載力，kN·m；

fc、fy分別為混凝土軸心抗壓強度標準值和鋼管的屈服強度，kN/m2；

ri為鋼管樁鋼管的內(nèi)半徑，m；

rm為鋼管內(nèi)外半徑的平均值，m；

t為鋼管的壁厚，m。

式中：ξ為鋼管混凝土截面約束效應系數(shù)標準值；

AS、Ac分別為鋼管和混凝土截面面積，m2；

fck、fy分別為混凝土軸心抗壓強度標準值和鋼管的屈服強度，kN/m2；

V為鋼管樁橫向抗剪承載力，kN；

γν為樁截面抗剪塑性發(fā)展系數(shù)，當ξ≥0.85時，γν=0.85；當 ξ≤0.85 時，γν=1；

A為樁橫截面積，m2；

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α為鋼管混凝土截面含鋼率，α=AS/Ac。

3)預應力錨桿的設(shè)計參數(shù)選定計算可以按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2002)7.2節(jié)的有關(guān)公式計算，此處略去。

2 工程實例

2.1 工程概況

某邊坡安全等級為一級，邊坡高度11 m，邊坡坡頂距邊坡邊緣4.5 m處有一個800 t的儲油罐，管徑8 m。邊坡地層由往下主要為卵石土和粉質(zhì)粘土。各層土的物理主要參數(shù)見表1。

表1 土層物理參數(shù)表

2.2 設(shè)計概況

邊坡高11m，因上層卵石土層比較穩(wěn)定，故將邊坡分為兩層加固，第一層(上層)坡高5.5 m，按1：0.2放坡并采用土釘墻支護，第二層(下層)坡高5.5 m，采用鋼管樁復合預應力錨桿支護，鋼管樁間距0.5 m，錨桿設(shè)置3排，3排分別距坡底5 m、3 m、1 m。本文所探討對象為第二層。

2.3 土壓力及支點反力計算

1)根據(jù)朗肯土壓力計算公式及反彎點位置計算公式(1)得到鋼管樁復合預應力錨桿支護結(jié)構(gòu)反彎點位置及側(cè)壁土壓力分布如圖3。

圖3 邊坡側(cè)壁土壓力分布圖

2)將鋼管樁簡化為等值梁模型，因鋼管樁設(shè)置間距為0.5 m，荷載按0.5 m土條考慮，采用結(jié)構(gòu)力學中相關(guān)計算方法進行梁的支點反力與彎矩計算，得到各支點反力及彎矩如表2。

表2 各支點反力及彎矩表

2.4 鋼管樁檢算

1)鋼管樁嵌入深度計算。

根據(jù)反彎點F的支點反力，樁體嵌固段的長度為：

因此，樁體最小入土深度Dmin：

又因坡高5.5 m，故選取總樁長為8.5 m。

2)鋼管樁抗彎承載力檢算。

鋼管樁擬采用φ76 mm、壁厚5.5 mm的鋼管，采用公式(2)計算其抗彎承載力M：

滿足抗彎要求。

3)鋼管樁抗剪承載力檢算。

采用公式(4)計算鋼管樁抗剪承載力V：

滿足抗剪要求。

φ76 mm、壁厚5.5 mm的鋼管可滿足設(shè)計要求，故鋼管樁選定φ76 mm、壁厚5.5 mm的鋼管進行設(shè)計施工。

2.5 預應力錨桿計算

預應力錨桿的設(shè)計參數(shù)選定計算按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2002)7.2節(jié)的有關(guān)公式計算，此處不加贅述。

3 結(jié)語

1)等值梁法是一種常用的邊坡支護設(shè)計方法，它計算簡便，可靠性高，是工程設(shè)計中一種很實用的方法。

2)鋼管樁的抗彎與抗剪檢算可以為鋼管樁型號的選定提供一個依據(jù)，優(yōu)化設(shè)計，節(jié)約工程成本，保證工程安全。

3)本文所述內(nèi)容可以為鋼管樁復合預應力錨桿的設(shè)計計算提供一個切實可行的計算方法，可作為相類似工程設(shè)計計算的參考。

4)工程施工過程中，可在邊坡上建立監(jiān)測觀測點，及時對邊坡的位移及沉降進行觀測。在觀測的基礎(chǔ)上，進一步進行設(shè)計的優(yōu)化與完善，保證工程的安全。

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[2]朱麗霞.基于等值梁法的基坑支護設(shè)計[J].土工基礎(chǔ),2010,24(6):42-45.

[3]李廉錕.結(jié)構(gòu)力學教程[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]黃宏,張安哥.圓鋼管混凝土抗彎承載力計算[J].華東交通大學學報,2008,25(1):1-3.

[5]高涌濤,范濤.鋼管混凝土抗滑樁承載力分析[C].成都:四川科學技術(shù)出版社,2009:243-245.