深水基礎鎖口鋼管樁與混凝土樁組合圍堰的設計和思考

熊明華

【摘 要】?深水基礎圍堰的施工極具危險性。為了保證圍堰結構和人員安全，文章以設計贛江特大橋R#35墩基礎的鎖口鋼管樁與混凝土樁組合圍堰為工程實例，采用有限元軟件Midas Civil建立鎖口鋼管樁與混凝土樁組合圍堰空間有限元模型，采用兩種不同的計算方法進行了圍堰設計的安全分析。計算結果表明：施工過程中的累積效應對結構內力的影響非常大，兩種方法所得的計算結果相差懸殊，不考慮施工過程中的累積效應會導致錯誤的計算結果，甚至造成安全事故。根據計算結果改進了原設計的圍堰結構，改進后的圍堰結構能夠滿足各階段受力要求，保證了在圍堰施工時結構和人員安全。

【關鍵詞】鎖口鋼管樁與砼樁組合圍堰; 累積效應; 有限元分析; 安全性

鎖口鋼管樁由焊接在大直徑鋼管上的連接對進行相互連接，常見的鎖口鋼管樁連接形式有“P-P型”、“P-T型”、“L-T型”3種[1]。20世紀50年代中期，我國在前蘇聯專家指導下進行了鎖口混凝土管樁應用試驗。1964年，鎖口鋼管樁首次在日本使用，

最初鎖口鋼管樁多作為承臺基礎使用，近年來在沿?；靥罟こ讨凶鳛閾跬两Y構使用也取得了廣泛應用[2-3]。鎖扣鋼管樁與混凝土組合樁圍堰是先插打鋼管樁圍堰，再在鋼管樁內引孔灌注鋼筋混凝土，形成一種鋼管混凝土組合樁圍堰。此圍堰形式既結合了鎖扣鋼管樁圍堰與鋼板樁圍堰各自的優點，又通過混凝土錨固樁增加了圍堰的嵌巖深度，保證了圍堰在整個施工過程中的整體穩定性。同時實現了承臺基坑無水開挖作業的環境，且施工作業空間大，減小了施工難度，加快了施工進度縮短施工周期。鎖口鋼管樁與混凝土組合樁圍堰的設計最重要的是保證圍堰在施工過程中結構的安全性。對于鎖扣鋼管樁與混凝土組合樁圍堰，傳統的設計計算往往利用平面幾何模型[4-5]及簡化力學模型[6-7]采用一次成型的計算方法，缺少空間整體分析。有的把水壓力和土壓力作為外荷載選取幾個工序對鋼板樁圍堰結構進行有限元分析[8-9]。這些計算方法是基于簡化假定和工程經驗，雖具有建模簡單，計算快捷的特點，但忽視了圍堰施工過程內力的累積效應，故只能在一定程度上滿足設計要求，不能反映其施工全過程的力學行為[10]。由于圍堰結構和荷載在施工過程中不斷發生變化，累積效應的結構內力和變形的影響不可忽視[11]。本文以贛江特大橋水中35#墩圍堰為實例，介紹考慮施工過程內力累積效應的深水基礎鎖扣鋼管樁與混凝土樁圍堰的設計與安全性分析。

1 工程概況

贛州贛江特大橋是目前國內首座集成運用鋼混結合梁、無砟軌道、錨墊板等新工藝新材料的大跨度高鐵斜拉橋，大橋全長2 155.64 m，主橋采用（35+40+60+300+60+40+35） m雙塔雙索面結合梁斜拉橋跨越贛江。大橋的35#墩和36#墩位于贛江河道中，橋墩處河床覆蓋層為礫砂，厚度5.2～6.3 m，覆蓋層下基巖為中風化泥質砂巖。橋址處常水位94 m，警戒水位為98.1 m，設計施工水位為101.1 m。大橋35#墩的承臺尺寸為47.5 m（橫橋向）×20.7 m（縱橋向）×4.5 m（高度），承臺樁基采用24根2.5 m鉆孔灌注樁，基礎施工采用圍堰的形式。本橋基礎圍堰施工主要特點有水深、淺覆蓋層、斜巖、水流急，施工難度大、施工組織復雜，且汛期水位變化大、無規律，對基礎施工極為不利，圍堰結構的安全性直接關系到項目的成敗。

2 圍堰選擇及施工流程

2.1 圍堰方案選擇

圍堰設計的優劣必須滿足以下要求：圍堰內的空間大小必須滿足內部施工要求;具有良好的阻水效果;圍堰結構必須有足夠的剛度保證施工的安全性;圍堰材料能回收節約成本。從承臺形式、地質、水文及以往水中基礎施工經驗來看，對表1中常用的三個方案進行對比分析[12]。經過多方對比論證分析，贛江特大橋35#墩承臺深水基礎決定采用鎖口鋼管樁和混凝土樁組合圍堰施工。

2.2 圍堰構造

初步設計中圍堰平面尺寸為61.4 m×23.3 m，采用鎖口鋼管樁與混凝土樁組合結構。圍堰系統所用鋼材均為Q235鋼材，圍堰共設置三道內支撐，三道圈梁均采用2H800×300，斜向撐桿和縱向撐桿采用700×10 mm鋼管，橫向支撐采用630×10 mm鋼管。為保證鋼管受力均勻，與圈梁相接觸鋼管四周加焊加勁板，圈梁與鋼管樁之間的連接采用牛腿形式。單組鎖口鋼管樁（圖1、圖2）由鋼管720×10 mm、159×8 mm及工字鋼I18a組成，單根鎖口鋼管樁長度為17 m，鋼管樁下端置于基巖頂面，整個圍堰共布置182根鎖口鋼管樁。159×8 mm鋼管和I18a工字鋼加工組成切口與下一段鎖口結構咬合。大小兩種鋼管間兩側采用焊接加勁板加固，自鋼管樁頂部每隔150 cm設置一道。鋼管樁底部至以上50 cm幫焊10 mm厚的鋼板作為補強圈，防止插打時底部刃角卷起。為保證圍堰的整體穩定，每根鋼管樁均設置鋼筋混凝土錨固樁，錨固樁嵌入基巖3 m并伸入鋼管4.1 m，封底混凝土厚2.5 m。圍堰結構整體布置如圖3、圖4所示。

2.3 圍堰施工流程

①插打鋼管樁，圍堰錨固樁施工—②安裝第一道內撐，基坑開挖4.5 m—③水下灌注封底混凝土2.5 m—④抽水5 m—⑤安裝第二道支撐—⑥抽水4 m—⑦安裝第三道支撐—⑧再次抽水4 m，此時圍堰內水已抽干—⑨施工承臺，圍堰與承臺空隙填筑礫砂后拆除第三道和第二道內撐。

3 鋼管樁及其支撐系統的計算分析

3.1 模型建立

本文采用大型通用軟件Midas Civil對鋼管樁及支撐系統進行空間有限元計算。鋼管樁圍堰實測內壁尺寸為61.4 m（橫橋向）×23.3 m（縱橋向），鋼管樁、圈梁所用工字鋼、內支撐所用的鋼管采用梁單元進行模擬。鋼材的彈性模量210 GPa，泊松系數0.3。令沿鋼管樁方向為坐標Z向，承臺短邊方向為Y，承臺長邊方向為X，考慮到鋼管樁及內支撐系統具有雙軸對稱性質，圍堰整體模型1/4剖視見圖5。

3.2 計算假定

（1）圈梁和內支撐之間的連接按剛接處理。

（2）圈梁和鋼管樁間的采用只受壓彈簧模擬。

（3）鋼管樁錨固端插入基巖按固結處理。

（4）牛腿支撐與圈梁間共節點處理，在牛腿處豎向約束圈梁豎向位移模擬牛腿對圈梁的支撐作用。

3.3 計算工況及荷載

對于2.3節所示施工流程相對應的每個施工工況，鎖扣鋼管柱圍堰系統所受外力主要有流水動壓力、外側靜水壓力和內側靜水壓力，外側主動土壓力，以施工工況（4）為例，其結構體系和所受外力如圖6（d）所示：

3.4 不考慮施工過程的計算分析

該方法不考慮結構應力的累積效應，對上述圍堰系統結構在不同施工階段及其相應荷載工況下的安全性進行計算分析。

對于圖6所示的工況2至工況9的計算結果如表2所示。從表1的數據可知：鋼管樁最大應力σmax=206 MPa<σ=210 MPa，圈梁的最大應力σmax=197 MPa<σ=210 MPa，內支撐的最大應力σmax=172 MPa<σ=210 MPa，均滿足要求。

3.5 考慮施工過程的計算分析

對于原設計的鎖扣鋼管柱與砼組合樁圍堰，隨著圍堰施工的逐步實施，水壓等荷載逐步施加到圍堰上。鎖扣鋼管柱與內支撐參與受力的順序同樣在發生改變。因此，要確保圍堰結構安全，就必須精確地分析鎖扣鋼管柱圍堰在施工過程中的受力結構應力的累積效應。在Midas Civil軟件中，使用“激活”和“鈍化”結構的辦法來模擬圍堰結構的參與受力的不同階段。具體做法如下：按照施工順序，采用“激活”新參與和“鈍化”被拆除或退出結構受力的構件及其相應的荷載，然后再進行計算。前一階段的計算結果將作為下一施工階段的結構初始條件?？紤]施工過程累積效應結構的計算結果如表3所示。對比表2和表3，可以得出如下結論：

3.5.1 工況（2）與工況（3）

兩種不同計算方法的結果接近，這是因為此時兩種計算方法的模型基本相同，且此時荷載效應很小。

3.5.2 工況（4）與工況（5）

考慮累積效應與不考慮累積效應相比，鋼管樁的最大應力顯著增大，其中鋼管樁的應力已經略超過規范要求的容許值;圈梁與內支撐系統的最大應力反而減小。這是因為考慮累積效應時，第二道內支撐在工況（5）下才開始參與受力，因而其應力減小，而鋼管樁由于在加載的工況（4）缺少第2道內支撐的支撐，其計算長度增大，因而應力顯著增大。

3.5.3 工況（6）

考慮累積效應時，結構最大應力已經超出限值，結構被壓潰。從上述計算結果可知，是否考慮圍堰施工過程中的累積效應，會得出截然不同的計算結果。對于本項目，如果繼續采用原設計的鋼圍堰結構和施工流程，最終將會造成鋼圍堰在外界水壓力作用下發生結構性破壞，并可能導致重

大安全事故。因此必須對結構或者是施工流程進行調整，使之能夠滿足結構受力安全的需求。

4 圍堰結構改進后安全性計算分析

通過分析可知圍堰設計時若不考慮施工過程中荷載的累積效應，可能導致結構不安全甚至壓潰。而產生這種結果的原因在于后面施工的結構在前面的加載階段未參與受力，造成鋼管柱計算長度增加，因而前面施工的結構應力顯著增大甚至超過限值，導致結構失效。

圍堰改進的思路主要是減小鋼管樁的應力，有兩種方法可行：（1）增加圈梁與內支撐的數量，縮小圍堰內支撐的層距;（2）增加鋼管柱的抗彎剛度，即增大鋼管柱的有效截面積。方法（1）：增加內支撐的數量，必定要增加圍堰結構的鋼材用量，同時增加圈梁與內支撐的制作工期;同時內支撐層數量增加，可能會給下層的承臺施工帶來不便。方法（2）：增大鋼管柱的抗彎剛度，可采取①在鋼管柱內灌注混凝土，②=2＼*GB3增大鋼管柱的壁厚。若采用①=1＼*GB3鋼管柱內灌注混凝土的辦法，不但增加了成百上千立方米混凝土的用量，而且對后期圍堰結構的收回帶來不便。而采用②=2＼*GB3增大鋼管柱的壁厚，只需選用壁厚更大的鋼管柱代替原鋼管柱即可，此法雖增加了鋼材用量，但可以按照原設計工期順利完工，又可以方便后期材料的順利回收。綜合對比，可見選用方法⑵=2＼*GB2中的②=2＼*GB3增大鋼管柱的壁厚更為科學。經過反復計算，最終決定采用720×16 mm的鋼管代替720×10 mm鋼管。

改進后圍堰結構各工況的安全性計算結果如表4所示。從計算結果可知，增大鋼管柱的壁厚后，鎖扣鋼管樁圍堰系統的應力都能夠滿足施工要求。

5 結論

（1）深水基礎圍堰系統的施工過程對結構體系的受力有較大影響，在設計圍堰時，若不考慮施工過程的結構應力累積效應將會導致錯誤的計算結果，造成安全事故。

（2）采用“激活”與“鈍化”單元的方法模擬圍堰施工過程中結構應力的累積效應，對保證圍堰結構在施工過程中的安全是十分必要的。

（3）增大鋼管柱的壁厚，從理論上確保鋼管樁圍堰安全可靠，在實際施工過程中也未發生任何事故，確保了整個圍堰結構的安全、穩定，也不影響原設計的施工工期。

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