深水区无覆盖层钢栈桥基础锚固方式对比分析

王政松

(中铁二十三局集团有限公司 四川成都 610072)

1 引言

目前，我国桥梁建设进入全新阶段，深水桥梁的建设数量不断增加，在深水桥梁施工中，钢栈桥作为关键的建筑材料运输线，对下部结构施工起到至关重要的作用。国内外裸岩河床条件下的栈桥和平台结构设计常用的技术有两种:一是根据安全要求设计足够强度、刚度及稳定性的基础平台；二是采用浮动平台设备避免栈桥及平台与河床直接发生接触，但存在使用功能有限、安全性达不到使用要求等问题。

黄怀朋[1]通过在陡峭坚硬裸岩地质河床上采用水下爆破形成人造覆盖层，为减少爆破工作量采用短桩形式，根据“拉列琴假设”计算的入岩深度，确保了施工过程中的安全性和可靠性。张奋飞[2]在浅覆盖层区域先利用板凳桩将栈桥贯通，为了增强栈桥洪水期的横向稳定性，采用营孔法利用冲击钻对施工栈桥基础进行冲桩补强，保证栈桥抵御洪水的能力。张战凯等[3]通过对比排桩和设置水平悬链线钢丝绳的板凳桩在流水压力作用下栈桥桩侧向稳定性，发现设置水平悬链线钢丝绳的板凳桩可极大地降低管桩最大弯矩，但悬索只能在主体结构钻孔桩完成后施作，所以需在洪水期以前做好悬索。王东辉等人[4－5]通过从设计和施工两个方面，论述了裸岩地质条件下，在强风、深水、急流等复杂环境下混凝土锚桩钢栈桥快速施工的关键技术，采用不同的施工方案，使得钢栈桥在水流湍急、水位较深的条件下成功搭建。郭晓松等人[6－7]利用有限元模拟，通过混凝土锚桩－钢栈桥管桩的承载力、刚度和稳定性验算，验证了钢管桩接头的应力可靠性。王东辉等[8]通过不同规范针对混凝土锚桩入岩锚固深度、单桩竖向承载力以及钢管桩抗倾覆稳定性验算进行理论分析。

以上分析表明，在超深水位条件下钢管桩底部有可靠的锚固对钢管桩整体稳定性的提高意义重大。在此基础上，通过对整体结构进一步优化，对混凝土锚桩锚固长度的确定以及钢管与混凝土之间的粘结进行进一步的修正。

2 不同锚固方案机理

2.1 人造覆盖层中钢栈桥受力机理

裸岩河床钢管桩难以打入，无法达到设计深度，难以保证稳定性。因此在栈桥钢管桩设计处通过爆破船进行水下定点爆破，将岩石完全破碎后的岩渣作为人造覆盖层。然而，设计中通常将覆盖层视为一个完整的岩体，未考虑爆破冲击引起的岩石物理力学指标的变化。由于爆破后的岩体物理力学性能难以准确计算，为了分析结构施工过程中的安全性和整体稳定性，可根据铰链法和固结法两种方法计算桩底边界条件，实际情况介于两个计算结果之间。

2.2 板凳桩基础钢栈桥受力机理

板凳桩基础采用双排钢管桩焊接成稳定的板凳形式。每个钢管桩的长度是根据岩石基础确定的，顶部平整放置纵梁；桩身上部剪刀撑和横梁焊接成一个整体，然后放置下横梁。“钢板凳桩法”要求在每个栈桥墩底采用双排钢管桩，钢管桩通过导向架准确定位，使每根钢管桩能够自由沉降，当钢管桩沉至水底不动后进行垂直度定位，焊接平联和剪刀撑进行加固，使其成为一个板凳的形式，然后在桩身周边抛掷砂袋，从桩内灌注水下不分离混凝土，混凝土从管口向外流，与桩周围砂袋形成一个整体，板凳桩在施工中很难形成固结体系，因此在建模分析时将桩的底部边界条件按照铰接进行计算。

2.3 混凝土锚桩钢栈桥受力机理

当浅、无覆盖层区域钢管桩难以打入基岩时，由于受岩石表面不平和球形凸起的影响，稳定性较差，钢栈桥的抗倾覆稳定性不能满足要求，可以通过冲击反循环成孔方式在钢管桩内设置混凝土锚桩，在岩层和管桩中设置混凝土锚桩，以达到与基岩固结的目的。

与岩层的接触长度可由计算所需的抗拔力来确定混凝土入岩深度，与钢管的接触长度可由抗拔力计算的所需粘结长度确定。同时由于混凝土锚桩自重较大，形成桩底配重，可提高钢管桩抗倾覆能力，因此在模型中可将混凝土锚桩锚固方式按照固结进行模拟。

3 工程概况

某大桥栈桥位于三峡大坝上游地区，由于大坝的阻流作用，水位季节性变化大，升降幅值可达数十米，同时大桥位处地区雨量充沛，易形成洪水波运动，对河床冲刷作用严重，因此选择合理的钢管桩锚固方式对提高钢管桩横向刚度和抗倾覆能力十分重要。本文通过Midas有限元软件分别对人造覆盖层、板凳桩基础及混凝土锚桩三种锚固方式进行对比，但是人造覆盖层中桩底部边界条件难以确定，本文中仅将板凳桩基础按照底部铰接及混凝土锚桩按照底部固结建立模型来分析，人造覆盖层的桩底部边界条件介于固结和铰接之间。

因本栈桥位于U型河床，钢管桩长度不同，从20 m向河中每跨递增，最长达65 m，钢管桩采用φ1 000×12 mm钢管，单排设置两根钢管桩，钢管桩横向间距6.3 m，纵向间距为6 m和9 m两种，为了加强施工栈桥钢管桩的整体稳定性，钢管桩横向之间采用钢管φ630×10 mm连接成整体。其横向联结布置如图1所示。

图1 横向联结布置

桩顶设置双拼 40b作为横梁，横梁上布置贝雷梁，横向间距采用90 cm、45 cm花窗连接，贝雷梁上铺设 20b分配梁，间距为352.5 mm，最后铺设10 mm厚花纹钢板。

通过对不同高度、不同锚固方式的单跨钢栈桥进行建模分析，采用30、40、50、60 m四种不同高度的单跨钢管桩进行对比分析，钢管桩横向间距为6.3 m，纵向间距分别为6 m及9 m两种形式，水流速度分别取0.94、1.5、2 m/s，为保证横向联结的稳定性，从钢管桩桩顶开始每隔5 m布置“Z”型构件共布置3层，钢管桩底部分别按照固结和铰接约束，有限元模型计算结果如图2、图3所示。

图2 底部铰接桩顶位移

图3 底部固结桩顶位移

由图3可以看出，随着钢管桩高度的增加，底部固结可以大幅度地降低桩顶位移，同时由于水位较高以及水下焊接的不便，钢管桩之间的连接件不能无限向下布置。人造覆盖层及板凳桩基础因为地质条件的限制，很难在桩底形成稳固的锚固体系，因此在超深水位条件下，混凝土锚桩更易在桩底形成固结体系。相同水流条件下，底部铰接与固结产生的顶部位移的比值如表1所示。

表1 底部铰接与固结产生的顶部位移的比值

由表1可以看出，随着钢管桩高度的增加，底部铰接与固结产生的桩顶位移的比值逐渐增大，混凝土锚桩有助于钢管桩在底部形成固结体系，因此在超深水位施工过程中采用混凝土锚桩施工下部结构更为有效。

4 栈桥下部结构计算及优化设计

超深水位下钢管桩底部有可靠的锚固可以大幅度提高钢栈桥的整体稳定性，因本栈桥钢管桩较长，最长达65 m，因此，为了加强施工栈桥钢管桩支墩的稳定性，考虑到桥址地质条件和施工期处于水库的波动期[9]，栈桥1～3跨的柱底为扩大基础，其余水下钢管桩在柱底处设置φ800 mm C30钢筋混凝土锚桩。如果按单排桩或双排桩计算桩的锚固深度[10]，由于弯矩和水平力的重新分配，双排桩的计算值小于单桩的计算值。出于安全考虑，锚固深度仍按单桩计算。

4.1 入岩固结深度计算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》，当河床岩层有冲刷时，桩基必须嵌入基岩，嵌岩桩按桩底嵌固设计[11]。其应嵌入基岩中的深度，圆形桩可按式(1)计算:

式中，h为桩嵌入基岩中的有效深度，不应小于0.5 m；MH为在基岩顶面处的弯矩(kN·m)；frk为岩石饱和单轴抗压强度标准(kPa)，黏土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值；β为系数，根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值；节理不发育的取大值，取0.5～1.0；d为桩身直径(m)。

混凝土与基岩胶结面的抗剪强度，实质上是一种胶结材料与另一种材料之间胶结面的抗剪强度，当胶结面达到一定粗糙度时，其抗剪强度等于弱胶结面的抗剪强度。对于坚硬裸岩水域，实质上求的是混凝土自身的抗剪强度系数。因此，施工时可采用在岩石表面进行处理，提高其表面粗糙度以及混凝土强度等级的方法来提高其抗剪承载力。

4.2 抗拔最小长度

根据《港口工程桩基规范》，预制桩芯柱嵌岩桩的桩内混凝土芯柱应有足够的长度，采用芯柱嵌岩时，预制桩内的芯柱长度不应小于主筋要求的锚固长度、1.5倍嵌岩深度及按照式(2)计算的芯柱传递轴向力所需最小长度L:

式中，L为芯柱传递轴向力所需最小长度(m)；α为系数，取1.2；N为桩在岩面处的轴向力设计值(kN)；τ0为芯柱与桩内壁结合面的抗剪强度设计值，无经验时可取270～370 kN/m2，验算极端荷载时取大值，其他情况取小值；d为桩的内径(m)。

由式(2)可以看出，钢管桩的抗拔承载力的大小与混凝土锚桩与钢管桩的接触面积成正比，在三峡大坝上游地区，由于其水位季节性变化很大，在超深水位时对钢管桩的抗拔性能要求很高，因此在施工时可以通过在钢管桩下部增加加劲肋的方法增加钢管桩与混凝土之间的接触面面积，增大钢管桩与混凝土之间的粘结力，保证钢管桩抗拔能力满足要求[12]。

4.3 钢筋混凝土桩正截面承载力

沿周边均匀配置纵向普通钢筋的圆形截面钢筋混凝土正截面受压承载力可按式(3)计算:

式中，As为全部纵向普通钢筋的截面面积；r为圆形截面的半径；rs为纵向普通钢筋重心所在圆周的半径；α为对应于受压区混凝土截面面积的圆心角与2π的比值；αt为纵向受拉普通钢筋截面面积与全部纵向普通钢筋截面面积的比值，当α大于0.625时，αt取0。

在上部钢管混凝土桩中，钢管对其内部混凝土的约束作用，使其处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度，钢管内混凝土能有效防止钢管桩的局部屈曲。研究表明，钢管混凝凝土柱的承载力高于相应的钢管桩和混凝土柱的承载力之和。

在下部结构中，大部分混凝土嵌入基岩之中，失去了钢管桩的约束作用，但是混凝土材料抗拉性能较弱，因此钢管桩内的混凝土与嵌固在岩石中的混凝土之间必须有可靠的连接。可以通过采用带肋钢筋以及在钢筋笼中施加一小型钢管桩提高接触面积提高混凝土的整体性。

在水平荷载巨大的超深水域进行栈桥下部结构抗倾覆稳定性设计时，钢管桩横向间距应根据经济性及稳定性进行比选，通过对比 6、7、8、9、10、11 m六种不同横向间距的单排钢管桩在不同高度下桩顶的位移，模型计算结果如图4所示。

图4 30～60m钢管桩桩顶位移

由图4可以看出，随着钢管桩横向间距的增加，钢管桩桩顶位移会略有降低，但是并不会随着钢管桩横向间距的增加而持续下降，因此可以通过增加钢管桩横向间距的方法提高结构的整体刚度。但是随着横向间距的增加，整体刚度的提升并不明显，且随着横向间距的增加，钢管桩连接件的长度会大幅增加且焊接困难，因此钢管桩横向间距可根据实际情况略微提高。

同时考虑到在洪水波运动时，水流的运动状态为紊流，易形成垂直于主流方向的运动，因此为了加强施工栈桥钢管桩在超深水位下的整体稳定性，需要对钢管桩增加纵向联结。钢管桩纵向间距有6 m和9 m两种，纵向联结布置如图5所示。

图5 纵向联结布置

通过建立有限元模型分析计算以及纵向连接件的分布特点可得，当钢管桩高度超过30 m后，无论在底部固结或铰接情况下，钢管桩的顶部位移都会随着钢管桩高度的增加而急剧增加，因此可针对超过30 m的钢管桩施加纵向联结以提高其稳定性。

5 结束语

三峡大坝上游地区由于大坝影响而形成的超深水位以及洪水波运动时形成的巨大水流，对人造覆盖层、板凳桩基础以及混凝土锚桩三种不同锚固方式，通过有限元模型按照底部铰接及固结分析了单排钢管桩在不同水流力、不同高度下的桩顶位移，同时为了使钢管桩底部形成固结体系进行了进一步的优化，以及对钢管桩之间横向间距的优化和钢管桩纵向之间的连接，通过分析及现场验证，得出以下结论:

(1)在超深水位条件下，底部固结比铰接对提高钢管桩整体稳定性作用更明显；同时在裸岩地质中，通过混凝土锚桩的形式更易使钢管桩底部与基岩形成可靠的锚固，形成固结体系。

(2)为了使钢管桩底部形成固结体系，可以采用较高强度等级混凝土提高混凝土与岩石之间的抗剪强度；采用在钢管桩内增加加劲肋的方法提高钢管桩与混凝土之间的粘结作用；采用带肋钢筋形式提高钢管桩内混凝土与嵌岩混凝土之间的抗拉承载力；同时应力突变位置焊接钢片提高钢管桩局部稳定性。

(3)提高钢管桩横向间距可以提高钢管桩之间的整体稳定性，但是钢管桩横向间距不能一直增大，需要根据钢管桩的直径进行分析比选；在超深水位下的洪水波运动会产生垂直于主流方向的运动，通过分析对比，可以对超过30 m的钢管桩之间增加纵向联结。