基于Midas/Civil的鋼管樁設計分析

仇志明

(中國鐵路總公司工程質量安全監督總站烏魯木齊監督站,烏魯木齊830011)

基于Midas/Civil的鋼管樁設計分析

仇志明

(中國鐵路總公司工程質量安全監督總站烏魯木齊監督站,烏魯木齊830011)

針對鐵路橋梁承臺明開挖基坑并采用鋼管樁基坑支護的施工方法,對鋼管樁的受力進行有限元仿真分析。結果表明:基于布魯姆(Blum)方法給出的彈性嵌固懸臂樁荷載計算簡圖,結合Midas/Civil有限元軟件,可有效地對鋼管支護樁進行數值仿真分析。該分析方法可以同時給出鋼管樁彎矩、應力及其變形的最大量值及分布規律,為鋼管支護樁的受力分析提供了一種新的分析手段。

鐵路橋;承臺;鋼管樁;仿真分析;基坑支護

1 概述

隨著我國土建工程規模的擴大,基坑工程已成為土木工程領域研究的熱點問題之一,選擇合適的支護方案和計算模型就顯得尤為重要。鐵路橋梁承臺尺寸通常較大,施工多采用明開挖基坑的方法。主要施工流程為:施工測量放樣、打入鋼管樁支護、機械開挖基坑、人工清理基底、鑿出樁頭、墊層施工、安裝鋼筋及模板、承臺澆筑混凝土、混凝土養護拆模及基坑回填。由于這種方法工藝比較簡單,所以應用很廣。但當基坑深度較深、地下水位較高、地質情況復雜時,基坑的支撐防護非常重要。鋼管樁支護施工具有切實可行、工藝簡單、取材方便、節約成本等優點,經實踐證明是一種切實可行的施工技術方案[1-2]。

目前對鋼管樁支護技術的仿真分析及方案設計、施工已經取得了一些研究成果。文獻[3]針對馬鞍山大橋左汊主橋南塔承臺基坑的安全,對8種基坑支護方案進行了分析,經過綜合比選,最終設計和施工時選用了鎖口鋼管樁支護方案。文獻[4]介紹了鋼管樁支護法進行明挖基坑的特點、施工方法以及其技術保證措施。文獻[5]介紹了密布鋼管樁圍護方案在處于河道中某大橋主墩承臺施工中的應用情況。指出了密布鋼管樁圍護方案具有整體性好、防基底流砂效果明顯、施工周期短及材料可重復利用等優點,為一種較好的橋梁主墩承臺深基坑支撐圍護方案。文獻[6]結合灌河大橋主橋南岸承臺深基坑開挖支護方案的選擇及設計計算,介紹了鎖口鋼管樁圍堰和雙排鋼管樁支護兩種承臺深基坑支護方案的計算思路、技術特點。

以上研究大多側重鋼管支護樁在具體工程中的施工工藝及實施過程,對其設計或計算分析涉及較少。目前,鋼管支護樁的計算分析主要參考《建筑施工計算手冊》[7]中規定的布魯姆(Blum)方法求解。本文結合Midas/Civil有限元軟件,對鋼管支護樁進行了數值仿真分析,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樁的最大彎矩及其發生部位,還可給出鋼管樁的變形分布規律。

2 計算方法

2.1 傳統的布氏解法

樁頂部無水平拉桿,樁底為彈性嵌固的樁,根據布氏理論在主動與被動土壓力作用下其受力簡化圖示見圖1。上述力系圍繞樁下端B點應滿足∑M=0,∑H=0的條件。

經整理可得

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為主動土壓力的合力。與荷載、樁長有關,布氏根據研究成果作一曲線,根據該曲線由m、n可查得ω,進而可求得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算簡圖

2.2 本文提出的解法

首先根據結構的受力圖示,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,將鋼管樁用梁單元模擬,將土壓力用梯形或三角形荷載表示,進行靜力求解。該法不僅可獲得鋼管防護樁的最大彎矩,還可得到鋼管樁各個截面的彎矩分布以及鋼管樁的變形規律。進一步還可直接給出鋼管樁各部位的應力分布。

3 驗算內容

3.1 鋼管樁入土深度計算

鋼管樁入土深度的計算,是支護結構計算的關鍵問題,入土深度直接關系到支護樁的穩定性,從而影響支護結構的可靠度[8-10]。鋼管樁的最小入土深度也是表征鋼管樁前、后主動及被動土壓力平衡的重要指標之一。

根據上述方法確定x及u值,鋼管樁的最小入土深度t可按下式計算

3.2 鋼管樁的強度驗算

鋼管樁的強度驗算可采用極限狀態法,按受彎構件進行驗算,驗算公式為

式中,f為鋼管的強度設計值,對于Q235鋼管,其強度設計值為205 MPa。

4 工程算例

4.1 工程概況

某鐵路多跨連續梁特大橋橋跨布置為(80+128+ 80)m。其中一個橋墩承臺尺寸為27.0 m×27.0 m× 6.0 m。承臺開挖基坑擬采用φ50 cm×10 mm鋼管樁防護,見圖2。地質情況為原地面距承臺底深度8.4 m,表層1.4 m為人工填土、粉質黏土,σ0=120 kPa;其下為細圓礫土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 鋼管樁的設計分析

根據地址及地形條件,鋼管樁的受力計算圖示見圖3。地面超載q0=10 kPa。細圓礫土土層重度r1= 20 kN/m3,黏聚力c1=0 kPa,內摩擦角φ1=38°。

圖3 鋼管樁的受力圖示(單位:cm)

根據計算圖示,列出平衡方程

式中,主動土壓力合力ˉEa=Ea1+Ea2+Ea3= 140.70 kN/m。合力作用點距地表的距離為ha= (Ea1ha1+Ea2ha2+Ea3ha3)/ˉEa=4.66 m。土壓力零點距基坑底面距離為將上述數值代入式(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。鋼管樁的總長度為:(7.0+5.5)m=12.5 m。

4.4 鋼管樁強度驗算

承臺開挖采用φ50 cm×10 mm鋼管樁防護,凈距10 cm,所以1根樁承擔的0.6 m計算寬度的土側壓力,且土壓力為永久荷載,需乘以分項系數r0=1.2。

考慮以上因素,有限元計算模型及樁側主、被動土壓力分布見圖4,其中土壓力采用手算計算結果。鋼管樁彎矩分布、應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。樁身最大應力為201.5 MPa,小于材料設計強度205 MPa。樁頂位移最大為15.1 cm。

圖4 Midas計算模型

圖5 鋼管樁彎矩分布(單位:kN·m)

圖6 鋼管樁應力分布(單位:MPa)

圖7 鋼管樁身撓曲變形(單位:m)

5 結論

根據以上的分析,得出如下結論。

(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算簡圖,結合Midas/Civil有限元軟件,可有效地對鋼管支護樁進行數值仿真分析,為鋼管支護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律。

(3)經分析,算例工程鋼管樁的受力性能可滿足規范相關規定,其分析及計算過程可供實際工程參考。

[1] 趙錫宏.高層建筑深基坑圍護工程實踐與分析[M].上海:同濟大學出版社,1996.

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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,高級工程師,1997年畢業于蘭州交通大學鐵道工程專業。