山区库区深水裸岩充砂嵌岩钢管桩工作平台设计分析及应用

摘  要：山区库区深水裸岩工作平台钢管桩底部加焊导向槽钢固定架嵌入基岩中以混凝土固结，钢管桩内填充密实砂砾的摩阻力增大了钢管桩的刚度，提高了钢管桩的压弯稳定性。通过浙江省丽水市景宁县金钟大桥工程120m 预应力混凝土连续刚构、水深40m左右山区库区深水裸岩充砂嵌岩钢管桩工作平台的应用，确保了施工平台的稳定性和承载能力，取得了明显的效果。

关键词：山区库区  深水裸岩  充砂嵌岩钢管桩  刚度  工作平台  设计计算

中图分类号：U445.3    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（a）-0049-02

山区库区具有典型的山区河流特点，水位暴涨暴落，洪水期水量剧增，洪峰后水位急降，对基础冲刷作用强烈。同时，由于受交通条件的限制，对于深水达40m及以上、裸岩地基，缺乏大型起吊设备和驳船的库区大型桥桩基的施工难度较大。裸岩大直径桥梁桩基施工，若采用普通的钢管桩固定支撑平台方案，存在临时施工平台钢管桩插打难度大，柔度大等诸多不利因素。如在钢管桩中灌入混凝土，则可较大程度地提高钢管桩的承载能力和稳定性，但工程费用将大幅增加，且钢管桩不能回收再次使用。

浙江省丽水市景宁县金钟大桥工程桩基施工中，搭设水上钻孔桩固定平台的方式进行钻孔桩施工。在库区深水裸岩施工平台搭设中，采用库区深水裸岩充砂嵌岩钢管桩工作平台施工技术，确保了施工平台的稳定性和承载能力，取得了明显的效果。

1  充砂嵌岩钢管桩工作平台设计

1.1 工作平台结构

如图1所示，山区库区深水裸岩工作平台钢管桩底部加焊导向槽钢固定架嵌入基岩中以混凝土固结，钢管桩内填充密实砂砾的摩阻力增大了钢管桩的刚度，提高了钢管桩的压弯稳定性，钢管桩纵向、横向间设置槽钢剪刀撑，其上依次安装双拼槽钢横向分配梁、贝雷梁（纵梁）和横向双拼工字钢横梁组成工作平台。工作平台承载桥墩钻孔灌注桩施工荷载。

1.2 midas civil有限元软件计算模型

1.2.1 荷载分析

根据设计图纸可知，施工平台主要考虑钻机荷载，设计荷载。

（1）结构自重。

（2）18t钻机荷载：10t自重+8t锤重。

（3）风荷载。

0.33kN/m2

式中，wk为风荷载标准值，kN/m2;βz为高度Z处的风振系数，取0.7;μs为风荷载体型系数，取1.3;μz为风压高低变化系数，高度按6.5m，地面粗糙度类别为B类计，取1;w0为基本风压，根据风速24m/s 计算得0.36kN/m2。

（4）流水压力。

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4.3.9条得每根钢管桩：

0.19kN

式中，Fw为流水压力标准值，kN;k为桥墩形状系数，取0.8;A为桥墩阻水面积，冲刷深度按3m计，取1.89m2;γ为水的重度，取10kN/m2;v为水流速度，取0.5m/s;g为重力加速度，为9.81m/s2。

（5）荷载系数。

结构自重：1.2;钻机荷载：1.4;可变荷载：风荷载：1.1，其他可变作用1.4，组合系数取0.75。

1.2.2 荷载组合

荷载组合：结构自重+钻机荷载+风荷载+流水压力荷载组合采用荷载设计值（荷载标准值乘以荷载分项系数）时用于结构强度计算;荷载组合采用荷载标准值用于结构刚度计算。

1.2.3 整体建模

充砂钢管桩施工工作平台均采用梁单元模拟。模型如图2所示，荷载作用形式：通过对钻机支点反力的计算，按集中荷载作用于横向分配梁上，风荷载按线荷载作用于水面以上结构，流水压力按集中荷载作用于水面以下0.3倍的冲刷深度处（为节约篇幅本处省略）。

1.2.4 钢管桩承载力验算（上部结构强度、刚度和稳定性符合要求，为节约篇幅本处省略）

（1）竖向力。根据计算可知，在承载力组合荷载作用下，最大反力为343kN。鋼管采用φ630mm×8mm型号，钢材为Q235，设计最大立柱高度按35m计算。Q235钢材抗压设计强度为190MPa。

（2）钢管承载力计算。

N=343kN，φ630mm×8mm钢管：

满足要求。

（3）钢管稳定性计算。φ630mm×8mm钢管回转半径，按一端固结，一端铰接形式考虑，h为钢管桩长度（m），长细比，满足要求;查《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）表5-23，可得b类截面轴心受压构件的稳定系数，则：

，满足要求。

1.3 钢管桩充砂结构理论分析

钢管桩充砂结构的受力需用其他有限元软件如ANSYS计算，该次用理论分析钢管桩充砂受力效果。如图1固定工作平台示意图中右-立面，假设单排钢管桩为下端嵌固在基岩、上端为一对钢管桩顶与工字钢横梁形成门字形刚构以水平弹性连接，单根充砂钢管桩的受力如图3所示，钢管桩内径为R1、外直径为R2、计算长度为h，钢管桩顶受到贝雷梁平台、工字钢横梁传递的集中垂直力P、力矩MA和均布水流压力q;受弯刚度为EI的钢管桩在集中垂直力p、力矩MA、均布水流压力q和弹性连接A端的水平反力为FA的作用下发生挠曲，曲率半径为，假设钢管桩内填充砂砾的摩阻力与钢管桩变形与正比（k单位变形的摩阻力，由试验得到），即，则

由于钢管桩中充砂后刚度，则增大了钢管桩结构的受压弯稳定性。为了节约篇幅，该文中各符号详见图3和文献[3]。

2  应用实例

浙江省丽水市景宁县金钟大桥工程上部采用（68+120+68）m变截面箱梁，下部结构桥台采用重力式U型台，桥墩采用双肢薄壁墩，承台接水深40m左右的深水群桩基础。桩基施工平台位于金钟大桥主墩1#、2#墩位，平台搭设全长24m，平台宽15m。平台面标高为156m。平台采用φ630×8mm钢管桩横向、纵向各布置4排，共计16根，纵向间距5m+12.6m+5m，横向间距3m×5m，平台上可同时布置6台桩机以满足施工需要。

3  结语

（1）钢管桩内填充密实的砂砾，砂砾洁净含泥量小于3%，含水量小于5%，堆放时用雨棚遮盖，砂砾分层依次灌入钢管桩内振动密实，要求密实度为85%～95%，可增加钢管桩的刚度5～15%，加强了钢管桩的承载能力和稳定性。（2）钢管桩可回收再次使用，砂砾取材容易、价格低廉、可重复利用、节约钢材，与钢管桩中灌入混凝土提高承载能力和稳定性的其他措施相比，具有较大经济效益和社会效益。（3）该工程深水裸岩充砂嵌岩钢管桩工作平台和浮式钢栈桥于2017年11月开始施工，2018年2月完成，为桥墩桩基、下部承台钢套箱沉放和上部0#块支架施工提供有力支撑。

参考文献

[1] 徐刚，姚勇，邓勇军，等.压实系数对内填砂卵石薄壁方钢管柱在冲击载荷下力学性能的影响分析[J].振动与冲击，2017，36（2）：177-184.

[2] 徐鑫.内灌砂钢管柱力学性能试验研究[D].苏州科技大学，2016.

[3] 陈海圣.水上充砂嵌岩钢管桩工作平台及其施工方法[EB/OL].http：//search.cnipr.com/search！doOverviewSearch.4Index.Action.