锁口钢管桩围护仿真分析

2010-07-20吴建军陈创坚李淼森

山西建筑 2010年18期

吴建军陈创坚李淼森

锁口钢管桩[1]是通过L-T型钢阴阳锁口接头将钢管桩相互连接形成的一种整体支护形式,充分利用了钢管桩的刚度及较强的抗弯能力,同时通过锁口连接提高了支护的稳定性及整体受力性能。实际施工中可在钢管桩中填实砂土以增大桩体的抗弯刚度,在锁口型钢间隙填充粘性好的红土以增强围护结构的止水性能[2],该施工方法尤其适合近堤岸临水深基坑开挖施工。

1 基坑开挖方案及支护方式的确定

某基坑承台施工作业在人工筑岛上进行,场地狭小无法采用放坡开挖,只能进行垂直开挖方式。综合考虑施工技术难度、施工耗时、对机械设备的要求及支护费用等因素,经过方案比选确定采用锁口钢管桩支护方式[3]。确定围护结构(钢管轴心连线)平面尺寸为:73 m×35 m,开挖深度 10 m。

2 锁口钢管桩支护空间有限元模型的建立

2.1 基坑围护结构尺寸、材料及材料特性

围护结构材料特性表如表1所示。

表1 围护结构材料特性表

2.2 围护结构平面图

围护结构平面图如图1所示。

2.3 计算内容及有限元模型的建立

2.3.1 仿真计算的主要内容

基坑开挖支护仿真计算主要包括:内力计算、应力计算、变形计算及稳定计算。钢管桩嵌入深度计算。该工程项目施工拟采用无水开挖方案。

2.3.2 有限元模型的建立

采用有限元软件MIDAS建立围护结构的三维空间有限元模型,围护桩、横向支撑、斜撑、围檩及临时支墩均采用梁单元建模。共计建立节点5 711个,梁单元8 220个。

1)主动土压力分布计算。根据郎金主动土压力计算公式:

其中,Ka为主动土压力系数;γ为土层的重度,kN/m3,地下水位以下采用浮容重;h为计算主动土压力强度的点至土表面的距离;c为土的粘聚力,kN/m2。

绘出土压力分布图如图2所示。

2)被动土压力计算。被动土压力采用节点弹簧水平抗力模拟[7],具体计算如下:

a.水平地基系数:Cy=mz。其中,m为地基比例系数,由地质资料,液性指标 IL分布在1～0.5之间,故取5 000 kN/m4。

b.土抗力计算宽度b:钢管桩直径为0.8 m＜1 m,b=0.9(1.5d+0.5),同时应该满足排桩总的计算宽度之和 nb不超过最外侧桩所包的距离B,即 nb=73b≤73.8,故最终取土抗力计算宽度b=1.0 m。

c.侧向土抗力(压应力):σzx=mzxz=5 000×xz×z。其中,z为土层深度;xz为深度z处桩的横向挠度。将单根桩承受的被动土压力简化成节点弹簧,那么弹簧等效刚度系数其中,k为弹簧等效抗压刚度系数;A为侧向土抗压面积。取土层厚度2 m设置一节点弹簧,计算得到各层土的等效弹簧刚度系数为10,30,50,70,90,110,130…单位为:kN/mm。

3 施工过程基坑支护仿真分析

3.1 工况划分

表2 控制工况应力、变形计算结果

考虑基坑开挖顺序和承台分层施工顺序,将整个施工过程划分成七个工况:工况一,基坑开挖4 m(无内支撑),钢管桩最大悬臂状态,为钢管桩最大变形控制工况;工况二,基坑开挖7 m(在标高+7.5 m处加第一道内支撑后,开挖至+3.0 m),为单层内支撑时围护结构最大组合应力与变形的控制工况;工况三,基坑开挖10 m(在标高+4.0 m处加第二道内支撑,开挖至+0.0 m),为基坑最大开挖深度时围护结构组合应力与变形的控制工况;工况四,浇筑垫层1 m厚混凝土,待混凝土具有一定强度对围护桩形成约束;工况五,浇筑承台下层2 m厚混凝土;工况六,回填已施工承台周,在标高+2.5 m加临时水平支撑,拆除第二道内支撑,浇筑承台第二层混凝土,为围护结构最大剪应力控制工况及屈曲稳定控制工况;工况七,回填承台第二层混凝土坑周,在标高+4.5 m加临时水平支撑,拆除标高+2.5 m处临时水平支撑,浇筑承台最上层混凝土。

根据结构受力特点及支护体系的变化,确定工况一、二、三和六为控制性工况。