仇志明

(中國(guó)鐵路總公司工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站烏魯木齊監(jiān)督站,烏魯木齊830011)

基于Midas/Civil的鋼管樁設(shè)計(jì)分析

仇志明

(中國(guó)鐵路總公司工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站烏魯木齊監(jiān)督站,烏魯木齊830011)

針對(duì)鐵路橋梁承臺(tái)明開挖基坑并采用鋼管樁基坑支護(hù)的施工方法,對(duì)鋼管樁的受力進(jìn)行有限元仿真分析。結(jié)果表明:基于布魯姆(Blum)方法給出的彈性嵌固懸臂樁荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖,結(jié)合Midas/Civil有限元軟件,可有效地對(duì)鋼管支護(hù)樁進(jìn)行數(shù)值仿真分析。該分析方法可以同時(shí)給出鋼管樁彎矩、應(yīng)力及其變形的最大量值及分布規(guī)律,為鋼管支護(hù)樁的受力分析提供了一種新的分析手段。

鐵路橋;承臺(tái);鋼管樁;仿真分析;基坑支護(hù)

1 概述

隨著我國(guó)土建工程規(guī)模的擴(kuò)大,基坑工程已成為土木工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一,選擇合適的支護(hù)方案和計(jì)算模型就顯得尤為重要。鐵路橋梁承臺(tái)尺寸通常較大,施工多采用明開挖基坑的方法。主要施工流程為:施工測(cè)量放樣、打入鋼管樁支護(hù)、機(jī)械開挖基坑、人工清理基底、鑿出樁頭、墊層施工、安裝鋼筋及模板、承臺(tái)澆筑混凝土、混凝土養(yǎng)護(hù)拆模及基坑回填。由于這種方法工藝比較簡(jiǎn)單,所以應(yīng)用很廣。但當(dāng)基坑深度較深、地下水位較高、地質(zhì)情況復(fù)雜時(shí),基坑的支撐防護(hù)非常重要。鋼管樁支護(hù)施工具有切實(shí)可行、工藝簡(jiǎn)單、取材方便、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn),經(jīng)實(shí)踐證明是一種切實(shí)可行的施工技術(shù)方案[1-2]。

目前對(duì)鋼管樁支護(hù)技術(shù)的仿真分析及方案設(shè)計(jì)、施工已經(jīng)取得了一些研究成果。文獻(xiàn)[3]針對(duì)馬鞍山大橋左汊主橋南塔承臺(tái)基坑的安全,對(duì)8種基坑支護(hù)方案進(jìn)行了分析,經(jīng)過綜合比選,最終設(shè)計(jì)和施工時(shí)選用了鎖口鋼管樁支護(hù)方案。文獻(xiàn)[4]介紹了鋼管樁支護(hù)法進(jìn)行明挖基坑的特點(diǎn)、施工方法以及其技術(shù)保證措施。文獻(xiàn)[5]介紹了密布鋼管樁圍護(hù)方案在處于河道中某大橋主墩承臺(tái)施工中的應(yīng)用情況。指出了密布鋼管樁圍護(hù)方案具有整體性好、防基底流砂效果明顯、施工周期短及材料可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn),為一種較好的橋梁主墩承臺(tái)深基坑支撐圍護(hù)方案。文獻(xiàn)[6]結(jié)合灌河大橋主橋南岸承臺(tái)深基坑開挖支護(hù)方案的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算,介紹了鎖口鋼管樁圍堰和雙排鋼管樁支護(hù)兩種承臺(tái)深基坑支護(hù)方案的計(jì)算思路、技術(shù)特點(diǎn)。

以上研究大多側(cè)重鋼管支護(hù)樁在具體工程中的施工工藝及實(shí)施過程,對(duì)其設(shè)計(jì)或計(jì)算分析涉及較少。目前,鋼管支護(hù)樁的計(jì)算分析主要參考《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》[7]中規(guī)定的布魯姆(Blum)方法求解。本文結(jié)合Midas/Civil有限元軟件,對(duì)鋼管支護(hù)樁進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,提出了一種新的分析手段。該分析方法不僅可給出鋼管支護(hù)樁的最大彎矩及其發(fā)生部位,還可給出鋼管樁的變形分布規(guī)律。

2 計(jì)算方法

2.1 傳統(tǒng)的布氏解法

樁頂部無水平拉桿,樁底為彈性嵌固的樁,根據(jù)布氏理論在主動(dòng)與被動(dòng)土壓力作用下其受力簡(jiǎn)化圖示見圖1。上述力系圍繞樁下端B點(diǎn)應(yīng)滿足∑M=0,∑H=0的條件。

經(jīng)整理可得

式中,a為土壓力合力距地面的距離;r′為地基土的換算容重;∑E為主動(dòng)土壓力的合力。與荷載、樁長(zhǎng)有關(guān),布氏根據(jù)研究成果作一曲線,根據(jù)該曲線由m、n可查得ω,進(jìn)而可求得x值。u值可按下式確定

最后確定樁需要插入深度t及樁身最大彎矩值Mmax。

圖1 彈性嵌固懸臂樁荷載與彎矩計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 本文提出的解法

首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力圖示,列出式(2);然后采用二分法直接求解該方程,得到x值;利用式(3)求解u值;最后采用Midas/Civil建立有限元模型,將鋼管樁用梁?jiǎn)卧M,將土壓力用梯形或三角形荷載表示,進(jìn)行靜力求解。該法不僅可獲得鋼管防護(hù)樁的最大彎矩,還可得到鋼管樁各個(gè)截面的彎矩分布以及鋼管樁的變形規(guī)律。進(jìn)一步還可直接給出鋼管樁各部位的應(yīng)力分布。

3 驗(yàn)算內(nèi)容

3.1 鋼管樁入土深度計(jì)算

鋼管樁入土深度的計(jì)算,是支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的關(guān)鍵問題,入土深度直接關(guān)系到支護(hù)樁的穩(wěn)定性,從而影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠度[8-10]。鋼管樁的最小入土深度也是表征鋼管樁前、后主動(dòng)及被動(dòng)土壓力平衡的重要指標(biāo)之一。

根據(jù)上述方法確定x及u值,鋼管樁的最小入土深度t可按下式計(jì)算

3.2 鋼管樁的強(qiáng)度驗(yàn)算

鋼管樁的強(qiáng)度驗(yàn)算可采用極限狀態(tài)法,按受彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算,驗(yàn)算公式為

式中,f為鋼管的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,對(duì)于Q235鋼管,其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 MPa。

4 工程算例

4.1 工程概況

某鐵路多跨連續(xù)梁特大橋橋跨布置為(80+128+ 80)m。其中一個(gè)橋墩承臺(tái)尺寸為27.0 m×27.0 m× 6.0 m。承臺(tái)開挖基坑擬采用φ50 cm×10 mm鋼管樁防護(hù),見圖2。地質(zhì)情況為原地面距承臺(tái)底深度8.4 m,表層1.4 m為人工填土、粉質(zhì)黏土,σ0=120 kPa;其下為細(xì)圓礫土σ0=410 kPa。橋址處地下水位為第四系孔隙潛水,地下水主要賦存于全新統(tǒng)沖積砂土及圓礫土的孔隙中,地下水水位埋深3～5 m,水量較豐富。

4.2 鋼管樁的設(shè)計(jì)分析

根據(jù)地址及地形條件,鋼管樁的受力計(jì)算圖示見圖3。地面超載q0=10 kPa。細(xì)圓礫土土層重度r1= 20 kN/m3,黏聚力c1=0 kPa,內(nèi)摩擦角φ1=38°。

圖3 鋼管樁的受力圖示(單位:cm)

根據(jù)計(jì)算圖示,列出平衡方程

式中,主動(dòng)土壓力合力ˉEa=Ea1+Ea2+Ea3= 140.70 kN/m。合力作用點(diǎn)距地表的距離為ha= (Ea1ha1+Ea2ha2+Ea3ha3)/ˉEa=4.66 m。土壓力零點(diǎn)距基坑底面距離為將上述數(shù)值代入式(6),得到的方程為

采用二分法解得t=4.21 m。

4.3 鋼管樁入土深度計(jì)算

鋼管樁入土最小深度為:(1.2×4.21+0.45)m= 5.5 m。鋼管樁的總長(zhǎng)度為:(7.0+5.5)m=12.5 m。

4.4 鋼管樁強(qiáng)度驗(yàn)算

承臺(tái)開挖采用φ50 cm×10 mm鋼管樁防護(hù),凈距10 cm,所以1根樁承擔(dān)的0.6 m計(jì)算寬度的土側(cè)壓力,且土壓力為永久荷載,需乘以分項(xiàng)系數(shù)r0=1.2。

考慮以上因素,有限元計(jì)算模型及樁側(cè)主、被動(dòng)土壓力分布見圖4,其中土壓力采用手算計(jì)算結(jié)果。鋼管樁彎矩分布、應(yīng)力分布及樁身撓曲變形分別見圖5～圖7。從圖5～圖7可知,樁身最大彎矩為372 kN·m,分布范圍為距樁底1.5～3.0 m處。樁身最大應(yīng)力為201.5 MPa,小于材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度205 MPa。樁頂位移最大為15.1 cm。

圖4 Midas計(jì)算模型

圖5 鋼管樁彎矩分布(單位:kN·m)

圖6 鋼管樁應(yīng)力分布(單位:MPa)

圖7 鋼管樁身撓曲變形(單位:m)

5 結(jié)論

根據(jù)以上的分析,得出如下結(jié)論。

(1)基于布魯姆(Blum)方法給出的彈性嵌固懸臂樁荷載與彎矩計(jì)算簡(jiǎn)圖,結(jié)合Midas/Civil有限元軟件,可有效地對(duì)鋼管支護(hù)樁進(jìn)行數(shù)值仿真分析,為鋼管支護(hù)樁的受力分析提供了一種新的分析手段。

(2)本文提出的有限元分析方法不僅可以給出鋼管防護(hù)樁的最大彎矩及其分布范圍,還可以得出鋼管樁的受力變形分布規(guī)律。

(3)經(jīng)分析,算例工程鋼管樁的受力性能可滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定,其分析及計(jì)算過程可供實(shí)際工程參考。

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Design Analysis of Steel Pipe Pile Based on Midas/Civil

QIU Zhi-ming
(Urumqi Branch,China Railway Corporation's Engineering Quality and Safety Supervision Center,Urumqi 830011,China)

U443.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.024

1004-2954(2014)08-0098-03

2013-11-05;

2013-11-23

仇志明(1963—),男,高級(jí)工程師,1997年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)。