鎖口鋼管樁圍護仿真分析

吳建軍 陳創堅 李淼森

鎖口鋼管樁[1]是通過L-T型鋼陰陽鎖口接頭將鋼管樁相互連接形成的一種整體支護形式,充分利用了鋼管樁的剛度及較強的抗彎能力,同時通過鎖口連接提高了支護的穩定性及整體受力性能。實際施工中可在鋼管樁中填實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圍護結構的止水性能[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方式的確定

某基坑承臺施工作業在人工筑島上進行,場地狹小無法采用放坡開挖,只能進行垂直開挖方式。綜合考慮施工技術難度、施工耗時、對機械設備的要求及支護費用等因素,經過方案比選確定采用鎖口鋼管樁支護方式[3]。確定圍護結構(鋼管軸心連線)平面尺寸為:73 m×35 m,開挖深度 10 m。

2 鎖口鋼管樁支護空間有限元模型的建立

2.1 基坑圍護結構尺寸、材料及材料特性

圍護結構材料特性表如表1所示。

表1 圍護結構材料特性表

2.2 圍護結構平面圖

圍護結構平面圖如圖1所示。

2.3 計算內容及有限元模型的建立

2.3.1 仿真計算的主要內容

基坑開挖支護仿真計算主要包括:內力計算、應力計算、變形計算及穩定計算。鋼管樁嵌入深度計算。該工程項目施工擬采用無水開挖方案。

2.3.2 有限元模型的建立

采用有限元軟件MIDAS建立圍護結構的三維空間有限元模型,圍護樁、橫向支撐、斜撐、圍檁及臨時支墩均采用梁單元建模。共計建立節點5 711個,梁單元8 220個。

1)主動土壓力分布計算。根據郎金主動土壓力計算公式:

其中,Ka為主動土壓力系數;γ為土層的重度,kN/m3,地下水位以下采用浮容重;h為計算主動土壓力強度的點至土表面的距離;c為土的粘聚力,kN/m2。

繪出土壓力分布圖如圖2所示。

2)被動土壓力計算。被動土壓力采用節點彈簧水平抗力模擬[7],具體計算如下:

a.水平地基系數:Cy=mz。其中,m為地基比例系數,由地質資料,液性指標 IL分布在1～0.5之間,故取5 000 kN/m4。

b.土抗力計算寬度b:鋼管樁直徑為0.8 m＜1 m,b=0.9(1.5d+0.5),同時應該滿足排樁總的計算寬度之和 nb不超過最外側樁所包的距離B,即 nb=73b≤73.8,故最終取土抗力計算寬度b=1.0 m。

c.側向土抗力(壓應力):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土壓力簡化成節點彈簧,那么彈簧等效剛度系數其中,k為彈簧等效抗壓剛度系數;A為側向土抗壓面積。取土層厚度2 m設置一節點彈簧,計算得到各層土的等效彈簧剛度系數為10,30,50,70,90,110,130…單位為:kN/mm。

3 施工過程基坑支護仿真分析

3.1 工況劃分

表2 控制工況應力、變形計算結果

考慮基坑開挖順序和承臺分層施工順序,將整個施工過程劃分成七個工況:工況一,基坑開挖4 m(無內支撐),鋼管樁最大懸臂狀態,為鋼管樁最大變形控制工況;工況二,基坑開挖7 m(在標高+7.5 m處加第一道內支撐后,開挖至+3.0 m),為單層內支撐時圍護結構最大組合應力與變形的控制工況;工況三,基坑開挖10 m(在標高+4.0 m處加第二道內支撐,開挖至+0.0 m),為基坑最大開挖深度時圍護結構組合應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度對圍護樁形成約束;工況五,澆筑承臺下層2 m厚混凝土;工況六,回填已施工承臺周,在標高+2.5 m加臨時水平支撐,拆除第二道內支撐,澆筑承臺第二層混凝土,為圍護結構最大剪應力控制工況及屈曲穩定控制工況;工況七,回填承臺第二層混凝土坑周,在標高+4.5 m加臨時水平支撐,拆除標高+2.5 m處臨時水平支撐,澆筑承臺最上層混凝土。

根據結構受力特點及支護體系的變化,確定工況一、二、三和六為控制性工況。

3.2 仿真計算結果

通過有限元仿真分析,得出施工過程中各控制工況下圍護結構應力、變形計算結果如表2所示,壓桿屈曲分析計算結果見表3。

表3 控制工況屈曲分析計算結果(臨界荷載系數計算結果)

計算結果表明:該圍護結構基本滿足承臺基坑開挖及承臺混凝土施工要求。但是對于變形較大部位及局部應力偏大部位在構件進行局部設計、加工時予以考慮,在施工過程中加強對圍護和基坑的監測,根據實際情況增加調整支撐。

4 結語

通過對某深基坑支護結構的仿真計算得出以下結論:1)采用空間有限元模型對圍護結構進行仿真計算,可以較為準確得到圍護結構各部位局部應力和變形,確定了后續施工監測關鍵構件和部位,提供了相應技術指標的理論值。2)根據施工實際可以進一步優化支護設計方案,達到安全可靠、經濟合理、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]劉萬偉.寧波大橋鎖口鋼管樁圍堰施工[J].施工技術,1998(9):14-15.

[3]朱曉明,李新形.湖口大橋東塔基礎鎖口鋼管樁圍堰施工方法介紹[J].公路,2002(7):71-73.

[4]江正榮.建筑施工計算手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[5]謝建民.施工現場設施安全設計計算手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[6]江正榮.建筑地基與基礎施工手冊[M].第 2版.北京:中國建筑工業出版社,2005.

[7]凌治平.基礎工程[M].北京:人民交通出版社,1999.