筑坝围堰钢管桩受力分析方法及系统与流程

本发明涉及围堰施工技术领域，更为具体地，涉及一种筑坝围堰钢管桩受力分析方法及系统。

背景技术

在桥梁基础施工中，当桥梁墩、台基础位移地标水位以下时，通常根据当地材料修筑围堰，可以防水、围水，由可以支撑基坑的坑壁。钢管桩围堰是常用的一种围堰形式，通常适用于河床覆盖较厚的砂类土、石土和半干性粘土、风化岩层等基础工程，现有的钢管桩围堰，难以进行质量控制，无法保证施工质量。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种优化钢管桩围堰的多种选择的筑坝围堰钢管桩受力分析方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供一种筑坝围堰钢管桩受力分析方法，包括：

步骤s1，输入围堰、钢管桩和拉索的设计参数，所述设计参数包括钢管的材质和尺寸、拉索的材质和尺寸、围堰的地质和尺寸；

步骤s2，根据水文地质条件模拟钢管桩的受力情况，获得钢管桩内侧和外侧的多个主动土压力受力点和被动土压力受力点；

步骤s3，分别根据下式(1)和(2)确定各主动土压力受力点和被动土压力受力点的受力，

其中，pai表示第i个受力点处的主动土压力，ppi表示第i个受力点处的被动土压力，γ表示墙后填土的重度，h表示第i个受力点至填土表面的距离，表示第i个受力点处填土的内摩擦角；

步骤s4，建立钢管桩和拉索的受力模型；

步骤s5，判断不同拉索和不同钢管桩的不同组合方式的应力及位移是否在规定范围内；

步骤s6，采用在规定范围内的拉索和钢管桩的组合方式，利用坝体模型进行屈曲分析，判断拉索和钢管桩的组合方式的稳定性，根据施工要求选择符合稳定性要求的拉索和钢管桩的组合方式。

根据本发明的另一个方面，提供一种筑坝围堰钢管桩受力分析系统，包括：

第一输入单元，输入围堰、钢管桩和拉索的设计参数，所述设计参数包括钢管的材质和尺寸、拉索的材质和尺寸、围堰的地质和尺寸；

第一受力分析单元，根据水文地质条件模拟钢管桩的受力情况，获得钢管桩内侧和外侧的多个主动土压力受力点和被动土压力受力点；

第二受力分析单元，分别根据下式(1)和(2)确定各主动土压力受力点和被动土压力受力点的受力，

其中，pai表示第i个受力点处的主动土压力，ppi表示第i个受力点处的被动土压力，γ表示墙后填土的重度，h表示第i个受力点至填土表面的距离，表示第i个受力点处填土的内摩擦角；

受力模型构建单元，建立钢管桩和拉索的受力模型；

第二输入单元，将拉索和钢管桩的不同组合方式输入上述受力模型；

第一判断单元，判断不同拉索和不同钢管桩的不同组合方式的应力及位移是否在规定范围内；

第一筛选单元，选择在规定范围内的拉索和钢管桩的组合方式；

稳定性分析单元，根据第一筛选单元筛选的拉索和钢管桩的组合方式利用坝体模型进行屈曲分析；

第二判断单元，判断拉索和钢管桩的组合方式的稳定性；

第二筛选单元，根据施工要求选择符合稳定性要求的拉索和钢管桩的组合方式。

本发明所述系统及方法结合多个模型对钢管桩和拉索的组合方式进行选择，优化了钢管桩围堰的组合方式。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1是本发明所述筑坝围堰钢管桩受力分析系统的构成框图；

图2是本发明所述筑坝围堰钢管桩受力分析方法的流程示意图；

图3a是本发明所述第一工况的示意图；

图3b是本发明所述第二工况的示意图；

图4a是本发明第一工况作用于钢管桩上的土压力强度的分布示意图；

图4b是本发明第二工况作用于钢管桩上的土压力强度的分布示意图；

图5a是本发明第一工况的钢管桩和拉索的受力模型的示意图；

图5b是本发明第二工况的钢管桩和拉索的受力模型的示意图；

图6a是本发明第一工况的坝体组合应力图的示意图；

图6b是本发明第二工况的坝体组合应力图的示意图；

图7a是本发明第一工况的坝体位移图的示意图；

图7b是本发明第二工况的坝体位移图的示意图；

图8a是本发明第一工况的φ273×8mm钢管桩组合应力图的示意图；

图8b是本发明第二工况的φ273×8mm钢管桩组合应力图的示意图；

图9a是本发明第一工况的φ273×8mm钢管桩剪切应力图的示意图；

图9b是本发明第二工况的φ273×8mm钢管桩剪切应力图的示意图；

图10a是本发明第一工况的φ273×8mm钢管桩位移图的示意图；

图10b是本发明第二工况的φ273×8mm钢管桩位移图的示意图；

图11a是本发明第一工况的d16mm钢丝组合应力图的示意图；

图11b是本发明第二工况的d16mm钢丝组合应力图的示意图；

图12a是本发明第一工况的d16mm钢丝轴应力图的示意图；

图12b是本发明第二工况的d16mm钢丝轴应力图的示意图；

图13a是本发明第一工况的d16mm钢丝位移图的示意图；

图13b是本发明第二工况的d16mm钢丝位移图的示意图；

图14a是本发明第一工况的坝体屈曲分析图的示意图；

图14b是本发明第二工况的坝体屈曲分析图的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1是本发明所述筑坝围堰钢管桩受力分析系统的构成框图，如图1所示，本发明所述筑坝围堰钢管桩受力分析系统包括：

第一输入单元1，输入围堰、钢管桩和拉索的设计参数，所述设计参数包括钢管的材质和尺寸、拉索的材质和尺寸、围堰的地质和尺寸；

第一受力分析单元2，根据水文地质条件模拟钢管桩的受力情况，获得钢管桩内侧和外侧的多个主动土压力受力点和被动土压力受力点；

第二受力分析单元3，分别根据下式(1)和(2)确定各主动土压力受力点和被动土压力受力点的受力，

其中，pai表示第i个受力点处的主动土压力，ppi表示第i个受力点处的被动土压力，γ表示墙后填土的重度，h表示第i个受力点至填土表面的距离，表示第i个受力点处填土的内摩擦角；

受力模型构建单元4，建立钢管桩和拉索的受力模型；

第二输入单元5，将拉索和钢管桩的不同组合方式输入上述受力模型；

第一判断单元6，判断不同拉索和不同钢管桩的不同组合方式的应力及位移是否在规定范围内；

第一筛选单元7，选择在规定范围内的拉索和钢管桩的组合方式；

稳定性分析单元8，根据第一筛选单元筛选的拉索和钢管桩的组合方式利用坝体模型进行屈曲分析；

第二判断单元9，判断拉索和钢管桩的组合方式的稳定性；

第二筛选单元10，根据施工要求选择符合稳定性要求的拉索和钢管桩的组合方式。

在本发明的一个优选实施例中，上述筑坝围堰钢管桩受力分析系统还包括：

知识库11，存储已完成施工的围堰的设计参数；

获得单元12，将已完成施工的围堰的设计参数代入到上述实施例中的筑坝围堰钢管桩受力分析系统，得到已完成施工的围堰的拉索和钢管桩不同组合方式的稳定性；

赋值单元13，按照稳定性降序排列对已完成施工的围堰的组合方式和未施工的围堰的组合方式进行权重减小的赋值；

赋值调整单元14，保留已完成施工的围堰的实际的组合方式对应的权重，已完成施工的围堰的其他组合方式的权重设为0；

聚类单元15，采用聚类算法(系统聚类、k均值聚类等)按照稳定性对已完成施工的围堰和未施工的围堰进行聚类，得到与未施工的围堰相似的已完成施工的围堰的聚类结果；

推荐单元16，聚类结果中已完成施工的围堰的拉索和钢管桩的组合方式推荐给第二筛选单元。

上述各实施例中的第一受力分析单元2可以对钢管桩分工况进行钢管桩受力模拟，所述工况包括：湖床地质的种类，钢管桩打桩位置，桩底标高，例如，所述工况包括第一工况和第二工况，在第一工况中，湖床地质包括淤泥质土和粉质粘土，钢管桩打在粉质粘土中，在第二工况中，湖床地质为淤泥质土，钢管桩打在淤泥质土中。

上述各实施例中的第二受力分析单元3可以对钢管桩与围堰和湖床接触的主动土压力受力点和被动土压力受力点分别根据公式(1)和(2)进行受力点上侧受力分析和受力点下侧受力分析。

图2是本发明所述筑坝围堰钢管桩受力分析方法的流程示意图，如图2所示，所述筑坝围堰钢管桩受力分析方法包括：

步骤s1，输入围堰、钢管桩和拉索的设计参数，所述设计参数包括钢管的材质和尺寸、拉索的材质和尺寸、围堰的地质和尺寸；

步骤s2，根据水文地质条件模拟钢管桩的受力情况，获得钢管桩内侧和外侧的多个主动土压力受力点和被动土压力受力点；

步骤s3，分别根据下式(1)和(2)确定各主动土压力受力点和被动土压力受力点的受力，

其中，pai表示第i个受力点处的主动土压力，ppi表示第i个受力点处的被动土压力，γ表示墙后填土的重度，h表示第i个受力点至填土表面的距离，表示第i个受力点处填土的内摩擦角；

步骤s4，建立钢管桩和拉索的受力模型；

步骤s5，判断不同拉索和不同钢管桩的不同组合方式的应力及位移是否在规定范围内；

步骤s6，采用在规定范围内的拉索和钢管桩的组合方式，利用坝体模型进行屈曲分析，判断拉索和钢管桩的组合方式的稳定性，根据施工要求选择符合稳定性要求的拉索和钢管桩的组合方式。

在本发明的一个实施例中，在步骤s2中，对钢管桩分工况进行钢管桩受力模拟，所述工况包括：湖床地质的种类，钢管桩打桩位置，桩底标高，优选地，所述工况包括第一工况和第二工况，在第一工况中，湖床地质包括淤泥质土和粉质粘土，钢管桩打在粉质粘土中，在第二工况中，湖床地质为淤泥质土，钢管桩打在淤泥质土中。

在本发明的一个实施例中，在步骤s3中，钢管桩与围堰和湖床接触的主动土压力受力点和被动土压力受力点分别根据公式(1)和(2)进行受力点上侧受力分析和受力点下侧受力分析。

在本发明的一个优选实施例中，还包括根据已经完成施工的围堰选择未施工的围堰的符合稳定性要求的拉索及钢管桩的组合方式的步骤，所述步骤包括：

存储已完成施工的围堰的设计参数；

将已完成施工的围堰的设计参数代入到权利要求5所述的筑坝围堰钢管桩受力分析系统，得到已完成施工的围堰的拉索和钢管桩不同组合方式的稳定性；

按照稳定性降序排列对已完成施工的围堰的组合方式和未施工的围堰的组合方式进行权重减小的赋值；

保留已完成施工的围堰的实际的组合方式对应的权重，已完成施工的围堰的其他组合方式的权重设为0；

采用聚类方法按照稳定性对已完成施工的围堰和未施工的围堰进行聚类，得到与未施工的围堰相似的已完成施工的围堰的聚类结果；

根据聚类结果中已完成施工的围堰的拉索和钢管桩的组合方式选择未施工的围堰的符合稳定性要求的拉索和钢管桩的组合方式。

在本发明的一个具体实施例中，

在步骤s1中，钢管桩未施工的围堰的设计参数包括：

钢管长度h＝12m

钢管入水深度h0＝5.5m

钢管入土深度h1＝5.5m

钢管排距bh＝3.5m

钢管纵距bz＝1m

堰内填土高度th1＝6m

反压土高度th2＝2m

镇压土高度th3＝3m

粉质粘土容重γ1＝18kn/m

淤泥质土容重γ2＝16kn/m

水容重γ水＝10kn/m

淤泥承载力容许值[fa0]＝70kpa，粘聚力c1＝5.5kpa，摩擦角φ1＝4.6°，摩阻力容许值q1＝20kpa

粉质黏土承载力容许值[fa0]＝200kpa，粘聚力c2＝52kpa，摩擦角φ2＝16°，摩阻力容许值q2＝260kpa

q235钢材允许弯曲应力、轴应力、拉应力[σ]＝145mpa

q235钢材允许剪应力[ζ]＝85mpa

q235钢材弹性模量e＝2.1×10⁵mpa

φ273×8mm钢管截面积a＝6660.18mm²，惯性矩i＝58517142.60mm⁴，截面抵抗距w＝428697.02mm³，回转半径r＝93.73mm。

在步骤s2中，假定钢管桩与土层间弹性作用，采用有限元计算模式，对施工单位初步方案钢管桩进行分工况受力理论数值模拟计算，其中：

第一工况：湖床地质3m深淤泥质土+2m深粉质粘土，钢管桩打在粉质粘土中，桩底标高7m，其理论计算模型见图3a；

第二工况：湖床地质全为淤泥质土，钢管桩打在淤泥中，桩底标高6.5m，其理论计算模型见图3b。

在步骤s3中，包括:步骤s31，分别对两种工况中内侧钢管桩各点进行主动土压力分析，其中，以第一种工况进行说明，具体地：

a点主动土压力，ha＝0m

c点主动土压力，hac＝6m

d点主动土压力，had＝9m，hac＝6m，hcd＝3m

e点主动土压力，hae＝11m，hac＝6m，hcd＝3m，hde＝2m

步骤s32，分别对两种工况中内侧钢管桩各点进行被动土压力计算，其中，以第一种工况进行说明，具体地：

b点被动土压力，hb＝0m

c点被动土压力，hbc＝3m

d点被动土压力，hbd＝6m，hbc＝3m，hcd＝3m

e点被动土压力，hbe＝8m，hbc＝3m，hcd＝3m，hde＝2m

步骤s33，分别对两种工况中外侧钢管桩各点进行主动土压力计算，其中，以第一种工况进行说明，具体地：

g点主动土压力，hg＝0m

pag＝γ水h水＝10×0＝0kn/m

h点主动土压力，h水＝hgh＝3.5m

i点主动土压力，hgi＝5.5m，h水＝hgh＝3.5m，hhi＝2m

j点主动土压力，hgj＝8.5m，h水＝hgh＝3.5m，hhi＝2m，hij＝3m

k点主动土压力，hgj＝8.5m，h水＝hgh＝3.5m，hhi＝2m，hij＝3m，hjk＝2m

步骤s34，分别对两种工况中外侧钢管桩各点进行被动土压力计算，其中，以第一种工况进行说明，具体地：

f点被动土压力，hf＝0m

i点被动土压力，hfi＝6m

j点被动土压力，hfj＝9m，hfi＝6m，hfj＝3m

k点被动土压力，hfk＝11m，hfi＝6m，hij＝3m，hjk＝2m

步骤s35，根据步骤s21-s24的各受力点的受力分析结构，分别模拟第一工况和第二工况作用于钢管桩上的土压力强度分布曲线，如图4a和4b所示；

在步骤s4中，通过有限元(例如midascivil)建立钢管桩和拉索的受力模型，例如，选取纵向5m长坝体，分数值模拟工况建立数值模拟模型。假定钢管桩与土层间弹性作用，采用midascivil软件对坝体钢管桩、对拉索建立三维空间数值模拟模型，其中：

第一工况，采用midascivil建立数值模拟模型，共建立324个节点，建立318个单元，其数值模拟模型见图5a。

第二工况，采用midascivil建立数值模拟模型，共建立336个节点，建立330个单元，其数值模拟模型见图5b。

在步骤s5，包括：

步骤s51，模拟第一工况和第二工况坝体组合的应力情况，如图6a和6b，模拟受应力下的不同工况的坝体位移图，如图7a和7b，得到在第一工况下，坝体的最大组合应力85.2mpa，发生在钢管桩上；坝体的最大位移为8.037mm，发生在钢管桩顶。在第二工况下，坝体的最大组合应力84.8mpa，发生在钢管桩上，坝体的最大位移为7.994mm，发生在钢管桩顶。

步骤s52,分别模拟采用φ273×8mm钢管的不同工况下的钢管桩应力情况、剪切应力情况和位移情况，如图8a-10b所示，在第一工况下，φ273×8mm钢管桩的最大组合应力85.2mpa＜145mpa，满足要求；φ273×8mm钢管桩的最大剪切应力23.4mpa＜145mpa，满足要求；φ273×8mm钢管桩的最大位移为满足要求。在第二工况中，φ273×8mm钢管桩的最大组合应力84.8mpa＜145mpa，满足要求；φ273×8mm钢管桩的最大剪切应力23.3mpa＜145mpa，满足要求；φ273×8mm钢管桩的最大位移为满足要求。

步骤s53,分别模拟采用d16mm钢丝的拉索的不同工况下的钢丝组合应力情况、钢丝轴应力情况和钢丝位移情况，如图11a-13b所示，在第一工况下，d16mm钢丝的最大组合应力22.5mpa＜145mpa，满足要求；d16mm钢丝的最大轴应力15.7mpa＜145mpa，满足要求；d16mm钢丝的最大位移为满足要求。在第二工况中，d16mm钢丝的最大组合应力22.4mpa＜145mpa，满足要求；d16mm钢丝的最大轴应力15.6mpa＜145mpa，满足要求；d16mm钢丝的最大位移为满足要求。

在步骤s6中，验算不同工况坝体的整体稳定性，采用midascivil软件对坝体模型进行整体屈曲分析，一阶模态的分析结果见图14a和14b,在第一工况下，φ273×8mm钢管桩和d16mm钢丝拉索的组合方式的临界载荷系数为25＞4，稳定性满足要求，在第二工况下，φ273×8mm钢管桩和d16mm钢丝拉索的组合方式的临界载荷系数为17＞4，稳定性满足要求。

从上述实施例可以看出，最不利工况荷载作用下，坝体的强度能满足规范要求的容许强度。整体稳定性验算中，临界荷载系数较大，安全可靠。刚度验算中，坝体所有构件的挠度变形均在规范允许的变形范围内(l/400)，故本坝体的设计能满足规范要求。

上述实施例中，以钢管桩和拉索的最优组合方式进行了说明，在实际工作中可以采用多种不同直径的钢管和钢管桩和不同直径或/和不同材质的拉索的多种组合进行多次验证，可能得到符合应力要求、位移要求稳定性要求的多种组合方式，然后采用多个已完成钢管桩施工的围堰进行聚类，根据聚类结果和施工条件(成本，现有钢管或拉索、稳定性等)确定最佳组合方式，从而得到筑坝围堰钢管桩的最佳实施方式，其中：筑坝围堰施工总体流程为：测量放样→打桩→安装土工格栅防水土工布→安装对拉索→围堰填土→围堰抽水→围堰清淤→修建便道→拆除围堰，具体地，包括：

1)钢管桩筑坝围堰设计水位标高17.5m，坝顶填土标高18m。围堰填土高度h＝6m，镇压层厚度d＝2m，镇压层宽度b＝3m。

2)桥墩采用φ273×8mm钢管打设(长度根据地质不同而不同)，钢管排距bh＝3.5m，钢管纵距bz＝1m，对拉索采用d16mm钢丝，堰体宽度为3.5m，围堰内宽度52m，整个围堰宽度为59m。

3)湖床地质全为淤泥质土，钢管桩长12m，桩底标高6.5m；湖床地质3m深淤泥质土+2m深粉质粘土，钢管桩长11.5m，桩底标高7m。

4)钢管桩筑坝围堰挡土结构设置防水土工布、土工格栅、竹片网或钢筋网等结构层。

在上述各实施例中，本发明所述筑坝围堰钢管桩受力分析方法及系统对不同钢管和不同拉索的组合方式进行分析，获得最佳的组合方式，能够对围堰的质量进行严格控制，优化了设计，另外，结合已经钢管桩围堰施工的围堰获得最佳的组合方式，保证了组合方式优化的准确率，有利于提供围堰施工质量。

综上所述，参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的筑坝围堰钢管桩受力分析方法及系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的系统及方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。