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        門架式雙排樁結(jié)構(gòu)受力分析

        2020-06-03 06:31:58
        廣東土木與建筑 2020年5期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析

        高 樂

        (中國鐵路設(shè)計集團有限公司 天津300251)

        0 引言

        近年來,位于丘陵地區(qū)的城市軌道交通建設(shè)工程迅速發(fā)展,其帶來的邊坡高度和范圍越來越大,加上城市建筑密集、周圍管線縱橫交錯以及地下結(jié)構(gòu)工程毗鄰,使得邊坡工程越來越復(fù)雜,且伴隨著建筑紅線要求更為嚴格,施工場地更緊張以及需??紤]環(huán)境效應(yīng)等問題[1-4]。

        門架式雙排樁支護結(jié)構(gòu)因能較好地克服上述邊坡工程問題,同時具有整體剛度大、減少設(shè)置或無需錨索、施工方便、克服建筑紅線限制和施工場地緊張問題等優(yōu)點,在越來越多的工程中得以推廣使用[5-10]。本文依托深圳市軌道交通10 號線工程某車輛段邊坡工程,通過數(shù)值模擬方法,分析了門架式雙排樁的結(jié)構(gòu)受力情況及影響因素,研究成果可供同類工程參考借鑒。

        1 工程概況

        1.1 場地條件

        擬建深圳市軌道交通10 號線工程某車輛段邊坡原始地貌為丘陵,車輛段因場地平整需要,在場地西端形成高塹坡,同時場地西側(cè)緊鄰二級水源保護區(qū),距離車輛段邊界很近,高塹坡工程處理空間極其有限。

        1.2 不良地質(zhì)

        西側(cè)邊坡由大量填土堆填而成,回填土成份復(fù)雜,土質(zhì)不均,由黏性土、碎石、和建筑垃圾組成。填土的分布區(qū)域和厚度有很大的不均勻性,局部區(qū)域回填厚度大。

        1.3 設(shè)計方案

        方案上部采用放坡處理,對填土土體進行加固,坡腳采用門架式雙排樁收坡的設(shè)計思路。

        邊坡分級開挖,每級開挖高度8 m,坡率1∶1.5~1∶2.0。邊坡填土采用注漿錨管+框架梁進行加固,錨管采用鉆機成孔,采用鋼管壓力注漿,注漿材料采用水泥為主劑的漿液加固,采用多次注漿,注漿深度為10~25 m,鋼管留在土體中作為加筋體,鋼管布置在框架格梁的節(jié)點位置,與邊坡表面的框架梁形成整體。

        第一級支擋均采用門架式雙排樁支擋結(jié)構(gòu)收坡,排樁采用1.5 m 樁徑,間隔1.7 m 布置,樁頂設(shè)置冠梁及聯(lián)系梁,連接排樁頂部。冠梁及聯(lián)系梁寬2.0 m,高1.0 m,澆注成整體。同時用直徑0.6 m 的旋噴樁對樁前嵌固點以下土體進行加固,改善土體性質(zhì),提高水平抗力。

        2 有限元模型建立

        采用MIDAS-NX 軟件研究門架式雙排樁的結(jié)構(gòu)受力及影響因素,建立模型進行分析。

        2.1 模型參數(shù)

        本文選擇各向同性的線性彈性材料模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),采用修正的Mohr-Coulomb 彈塑性材料模擬土體(見圖1、圖2、表1)。樁身及連系梁為各向同性均質(zhì)線彈性體,采用梁單元模擬(見表2)。

        圖1 車輛段典型斷面Fig.1 Typical Section of Depot

        圖2 有限元模型幾何尺寸示意圖Fig.2 Finite Element Model Geometry Size Diagram(m)

        表1 巖土材料參數(shù)Tab.1 Parameter of Geo-technical Material

        表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.2 Parameter of Structure

        2.2 分析時步

        本算例共分六個分析步:

        第一步,激活所有土體單元、邊界條件及荷載,并進行位移清零,使激活單元具有初始自重應(yīng)力,初始應(yīng)變近似為0。

        第二步,激活雙排樁及聯(lián)系梁單元,模擬雙排樁施工。

        第三步~第六步,分四步進行開挖,每次挖深2 m,通過鈍化使開挖單元失效。

        3 計算結(jié)果分析

        3.1 剪力分析

        圖3 為雙排樁剪力云圖,從中可以發(fā)現(xiàn)前后樁剪力值較大區(qū)域均集中在嵌固點高度附近。

        圖3 雙排樁剪力云圖Fig.3 Shear Nephogram of Double-row Piles

        圖4為前、后排樁樁身剪力沿深度變化曲線。圖4中,樁身剪力隨著開挖深度的增加變化規(guī)律相似。在嵌固點位置高度,前排樁樁身剪力最大值764.06 kN,后排樁樁身剪力最大值199.41 kN。前排樁樁身最大值大于后排樁。

        圖4 樁身剪力Fig.4 Shear of Pile

        3.2 彎矩分析

        支擋結(jié)構(gòu)受力分析過程中,支護結(jié)構(gòu)抗彎能力也是一個十分重要的指標,因此在本次數(shù)值模擬中對支護樁的彎矩進行了計算分析。

        圖5 為雙排樁彎矩云圖,前、后排樁樁身彎矩呈S型分布,前樁彎矩變化幅度較大。

        圖5 雙排樁彎矩云圖Fig.5 Bending Moment Nephogram of Double-row Piles

        圖6 為前、后排樁樁身彎矩與深度關(guān)系曲線。前排樁樁身正彎矩最大值出現(xiàn)在嵌固點以下1~2 m 處,為1 269.34 kN·m。最大負彎矩為發(fā)生在樁頂以下3~4 m 處,其絕對值為1 652.78 kN·m,負彎矩絕對值要大于正彎矩;后排樁正彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂,為1 286.98 kN·m,最大負彎矩則出現(xiàn)在嵌固點以下5~6 m處,其絕對值為596.42 kN·m。

        圖6 樁身彎矩Fig.6 Bending Moment of Pile

        前排樁樁身彎矩曲線變化幅度較大,這是由于前排樁懸臂端臨空,針對嵌固點以下土體采用了咬合旋噴樁加固提高樁前土體抗力,外部約束條件突然改變造成;后排樁整體位于土體中,樁身彎矩曲線變化相對比較圓潤。

        經(jīng)過對內(nèi)力及彎矩的對比分析,可以發(fā)現(xiàn)前樁承擔(dān)了更大的剪力與彎矩,在設(shè)計過程中應(yīng)對前樁進行針對性加強。

        4 雙排樁設(shè)計參數(shù)對內(nèi)力影響的分析

        影響雙排樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的因素有很多,主要有雙排樁的排距、單樁樁徑、樁間距、樁長、連梁尺寸、土體的性質(zhì)等。采用控制變量法,通過改變單一的影響因素來分析雙排樁樁徑、排距、樁長對支護結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力的影響。

        4.1 樁徑變化的影響

        雙排樁支護結(jié)構(gòu)的樁徑也是影響到工程成本與工程安全的重要因素之一,在保證安全的前提下,樁徑越小越經(jīng)濟。其他設(shè)計參數(shù)保持不變,樁徑選擇0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m進行分析。

        圖7a為樁徑對前樁內(nèi)力的影響,分析了前樁樁徑分別為d=0.8 m、d=1.0 m、d=1.2 m、d=1.5 m 時,彎矩值的變化情況。從變化曲線可以發(fā)現(xiàn),前樁彎矩隨著樁徑加大而變大。從圖中還可以看出,最大正彎矩位置隨著樁徑增大而變深。

        圖7b則模擬了后樁樁徑分別為d=0.8 m、d=1.0 m、d=1.2 m、d=1.5 m時,彎矩值的變化情況。后樁最大正彎矩位置均發(fā)生在樁頂位置,隨著樁徑加大,彎矩變大。樁徑變化對樁身彎矩有較大影響,樁徑越大,整個門架式雙排樁結(jié)構(gòu)體系剛度越大,從而樁身彎矩越大。

        圖7 樁徑變化對樁身彎矩的影響Fig.7 The Influence of Pile Diameter Change on Bending Moment of Pile

        4.2 排距變化的影響

        雙排樁支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中排距是一項的重要的設(shè)計內(nèi)容,排距的選擇直接影響著樁體和樁間土是否共同作用。排距過小或過大時,雙排樁不能很好的發(fā)揮空間效應(yīng)。目前普遍認為排樁間距為3d~5d比較合理。這里選取排距B=5 m、B=6 m、B=7 m進行分析。

        從圖8可以看出,隨著排距的不斷增大,前排樁上部的最大負彎矩絕對值和下部正彎矩不斷減小。故適當增大排距可以減小樁身內(nèi)力。邊界條件不受限的時候,建議適當增大排樁間距。

        圖8 排距變化對前樁樁身彎矩的影響Fig.8 The Influence of Row Spacing Change on Bending Moment of Front Pile

        4.3 樁長變化的影響

        在其他條件不變的前提下,分析雙排樁樁長變化對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,樁長L取值分別為16 m、20 m、24 m。

        圖9 樁長變化對前樁樁身彎矩的影響Fig.9 The Influence of Pile Length Change on Bending Moment of Pile

        由圖9 可知,增加排樁的長度,前后排樁的最大正彎矩及最大負彎矩絕對值均略有增加,幅度很小。故排樁嵌固比大于1∶1 時,通過增加樁長來調(diào)整支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力時,效果不明顯。

        5 結(jié)論

        通過有限元MIDAS∕NX 軟件建立了雙排樁支護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型,對開挖過程中雙排樁支護結(jié)構(gòu)的受力情況進行了分析,同時還研究了雙排樁設(shè)計參數(shù)對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,獲得以下主要結(jié)論:

        ⑴前后排樁樁身彎矩呈左右鏡像的S 型分布,在前排樁樁頂以下3~4 m 處負彎矩達到最大,在嵌固點以下1~2 m 處出現(xiàn)正彎矩最大值;后排樁正彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂,最大負彎矩則出現(xiàn)在嵌固點以下5~6 m處。

        ⑵由于前排樁懸臂端臨空,樁前土體抗力通過咬合旋噴樁加固得到了提高,外部約束條件的突然改變,使得整個門架式雙排樁支擋結(jié)構(gòu)受力體系中,前排樁承擔(dān)了更大的剪力與彎矩,結(jié)構(gòu)設(shè)計過程應(yīng)對予以加強。

        ⑶樁徑與樁身彎矩呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,隨著樁徑增大,樁身彎矩也增大。

        ⑷隨著排距的不斷增大,前排樁上部的最大負彎矩絕對值和下部正彎矩不斷減小。適當增大排距可以減小樁身承受的彎矩。

        ⑸排樁嵌固比大于1∶1 后,改變排樁樁長對樁體內(nèi)力影響較小。

        支擋結(jié)構(gòu)形式的選取需結(jié)合場地邊界條件、地質(zhì)情況,及邊坡加固方案綜合考慮選取,門架式雙排樁支擋形式體現(xiàn)高結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)勢,同時還可以根據(jù)改變排距、樁距來適應(yīng)不同場地要求,符合城市軌道交通建設(shè)過程中對于支擋結(jié)構(gòu)在“小空間范圍內(nèi)解決大高差”的要求。

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