基于m法的钢板桩围堰有限元分析

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摘要：钢板桩围堰桩土结合部位采用m法处理，利用有限元软件midas/civel ，建立钢板桩围堰模型，进行应力、位移的分析，保证钢围堰在整个施工过程中的安全性。

关键词： m法；midas/civel ；钢板桩围堰；应力；位移

中图分类号：S611 文献标识码：A

1、工程概况：

海口大桥工程，位于武汉市东西湖区环湖路，起止桩号为：K8+718.750～K8+835.450。全桥长116.7m ，上部结构为（30.5+5+35+5+30.5）m 预应力混凝土连续箱梁， 桥墩采用矩形墩，桥台采用门式台，基础采用钻孔灌注桩。承台、墩柱位于湖泊中，水深较大，淤泥、粉细砂等软土地基埋深较厚，基础施工采用拉森Ⅲ型钢板桩围堰。

2、钢围堰设计：

钢围堰长40.25m,宽9.8m，围囹采用双拼32a工字钢，支撑采用￠500x10mm钢管，封底混凝土厚1m。依地质资料及作业条件决定选用15.5m长钢板桩，入土深度7.5m。围堰顶标高20m，第一层支撑标高18.5m，第二层支撑标高15.5m，封底混凝土顶标高13m，封底混凝土底标高12m，围堰底标高4.5m。详细布置方案如下图所示：

钢围堰结构图（单位：cm）

3、设计说明:

利用有限元软件midas/ civel对钢围堰进行计算分析。拉森Ⅲ型钢板桩截面模量为223 cm3,用40x5.78 cm钢板代替，用四节点板单元模拟，围囹和横撑用梁单元模拟，封底混凝土和回填砂石用实体单元模拟。

深入土下的钢板桩边界条件用m法进行模拟，即在计算桩的水平抗力时，采用线弹性地基反力法（基床系数法），假设桩侧土为Winkler离散线性弹簧，不考虑桩土之间的黏着力和摩阻力，假定土的抗拉强度为零，弹簧只受压而不受拉，可以得出任一深度桩侧土反力与该点的水平位移成正比。依据《公路桥涵地基与基础设计规范》，钢板桩下土层系数如下表所示：

3.1设计工况：

施工过程中,主要有以下两种危险性较大工况需要验算：

工况1：封底混凝土达到设计强度后，围堰内的水抽到封底混凝土顶面处；

工况2：当承台做好，主墩浇筑至第二道内支撑时，往围堰内回填砂石，至第二道支撑标高，之后拆掉第二道支撑。

3.2设计强度：钢围堰采用q235钢，轴向应力182 N/mm2，弯曲应力205 N/mm2，剪切应力120 N/mm2 。

4、钢围堰验算

钢围堰模型

围囹、支撑模型

边界条件（弹性链接）

工况1荷载

工况2荷载

(1)工况1计算结果：

变形图

板单元应力

围囹、支撑轴向应力

围囹、支撑剪切应力

围囹、支撑弯曲应力

围囹、支撑组合应力

(2) 工况2计算结果：

变形图

板单元应力

围囹、支撑轴向应力

围囹、支撑剪切应力

围囹、支撑弯曲应力

围囹、支撑组合应力

(3)计算结果表格:

5、结论

由以上计算结果可知，钢围堰构件应力均小于设计强度，满足强度要求；钢围堰最大变形为4.39mm，挠跨比为0.4.39/1550=1/3531,满足刚度要求；因此钢板桩围堰满足设计要求。施工过程中回填砂石时，注意分层压实，提高砂石的侧向支撑力。

参考文献

[1] 刘俊生. 基于水平荷载和倾斜荷载的桩基m法研究，2009年.

[2] 住房和城乡建设部颁布的《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011.

[3] 交通部颁发的《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007