深水基础锁口钢管桩与混凝土桩组合围堰的设计和思考

熊明华

【摘 要】 深水基础围堰的施工极具危险性。为了保证围堰结构和人员安全，文章以设计赣江特大桥R#35墩基础的锁口钢管桩与混凝土桩组合围堰为工程实例，采用有限元软件Midas Civil建立锁口钢管桩与混凝土桩组合围堰空间有限元模型，采用两种不同的计算方法进行了围堰设计的安全分析。计算结果表明：施工过程中的累积效应对结构内力的影响非常大，两种方法所得的计算结果相差悬殊，不考虑施工过程中的累积效应会导致错误的计算结果，甚至造成安全事故。根据计算结果改进了原设计的围堰结构，改进后的围堰结构能够满足各阶段受力要求，保证了在围堰施工时结构和人员安全。

【关键词】锁口钢管桩与砼桩组合围堰; 累积效应; 有限元分析; 安全性

锁口钢管桩由焊接在大直径钢管上的连接对进行相互连接，常见的锁口钢管桩连接形式有“P-P型”、“P-T型”、“L-T型”3种[1]。20世纪50年代中期，我国在前苏联专家指导下进行了锁口混凝土管桩应用试验。1964年，锁口钢管桩首次在日本使用，

最初锁口钢管桩多作为承台基础使用，近年来在沿海回填工程中作为挡土结构使用也取得了广泛应用[2-3]。锁扣钢管桩与混凝土组合桩围堰是先插打钢管桩围堰，再在钢管桩内引孔灌注钢筋混凝土，形成一种钢管混凝土组合桩围堰。此围堰形式既结合了锁扣钢管桩围堰与钢板桩围堰各自的优点，又通过混凝土锚固桩增加了围堰的嵌岩深度，保证了围堰在整个施工过程中的整体稳定性。同时实现了承台基坑无水开挖作业的环境，且施工作业空间大，减小了施工难度，加快了施工进度缩短施工周期。锁口钢管桩与混凝土组合桩围堰的设计最重要的是保证围堰在施工过程中结构的安全性。对于锁扣钢管桩与混凝土组合桩围堰，传统的设计计算往往利用平面几何模型[4-5]及简化力学模型[6-7]采用一次成型的计算方法，缺少空间整体分析。有的把水压力和土压力作为外荷载选取几个工序对钢板桩围堰结构进行有限元分析[8-9]。这些计算方法是基于简化假定和工程经验，虽具有建模简单，计算快捷的特点，但忽视了围堰施工过程内力的累积效应，故只能在一定程度上满足设计要求，不能反映其施工全过程的力学行为[10]。由于围堰结构和荷载在施工过程中不断发生变化，累积效应的结构内力和變形的影响不可忽视[11]。本文以赣江特大桥水中35#墩围堰为实例，介绍考虑施工过程内力累积效应的深水基础锁扣钢管桩与混凝土桩围堰的设计与安全性分析。

1 工程概况

赣州赣江特大桥是目前国内首座集成运用钢混结合梁、无砟轨道、锚垫板等新工艺新材料的大跨度高铁斜拉桥，大桥全长2 155.64 m，主桥采用（35+40+60+300+60+40+35） m双塔双索面结合梁斜拉桥跨越赣江。大桥的35#墩和36#墩位于赣江河道中，桥墩处河床覆盖层为砾砂，厚度5.2～6.3 m，覆盖层下基岩为中风化泥质砂岩。桥址处常水位94 m，警戒水位为98.1 m，设计施工水位为101.1 m。大桥35#墩的承台尺寸为47.5 m（横桥向）×20.7 m（纵桥向）×4.5 m（高度），承台桩基采用24根2.5 m钻孔灌注桩，基础施工采用围堰的形式。本桥基础围堰施工主要特点有水深、浅覆盖层、斜岩、水流急，施工难度大、施工组织复杂，且汛期水位变化大、无规律，对基础施工极为不利，围堰结构的安全性直接关系到项目的成败。

2 围堰选择及施工流程

2.1 围堰方案选择

围堰设计的优劣必须满足以下要求：围堰内的空间大小必须满足内部施工要求;具有良好的阻水效果;围堰结构必须有足够的刚度保证施工的安全性;围堰材料能回收节约成本。从承台形式、地质、水文及以往水中基础施工经验来看，对表1中常用的三个方案进行对比分析[12]。经过多方对比论证分析，赣江特大桥35#墩承台深水基础决定采用锁口钢管桩和混凝土桩组合围堰施工。

2.2 围堰构造

初步设计中围堰平面尺寸为61.4 m×23.3 m，采用锁口钢管桩与混凝土桩组合结构。围堰系统所用钢材均为Q235钢材，围堰共设置三道内支撑，三道圈梁均采用2H800×300，斜向撑杆和纵向撑杆采用700×10 mm钢管，横向支撑采用630×10 mm钢管。为保证钢管受力均匀，与圈梁相接触钢管四周加焊加劲板，圈梁与钢管桩之间的连接采用牛腿形式。单组锁口钢管桩（图1、图2）由钢管720×10 mm、159×8 mm及工字钢I18a组成，单根锁口钢管桩长度为17 m，钢管桩下端置于基岩顶面，整个围堰共布置182根锁口钢管桩。159×8 mm钢管和I18a工字钢加工组成切口与下一段锁口结构咬合。大小两种钢管间两侧采用焊接加劲板加固，自钢管桩顶部每隔150 cm设置一道。钢管桩底部至以上50 cm帮焊10 mm厚的钢板作为补强圈，防止插打时底部刃角卷起。为保证围堰的整体稳定，每根钢管桩均设置钢筋混凝土锚固桩，锚固桩嵌入基岩3 m并伸入钢管4.1 m，封底混凝土厚2.5 m。围堰结构整体布置如图3、图4所示。

2.3 围堰施工流程

①插打钢管桩，围堰锚固桩施工—②安装第一道内撑，基坑开挖4.5 m—③水下灌注封底混凝土2.5 m—④抽水5 m—⑤安装第二道支撑—⑥抽水4 m—⑦安装第三道支撑—⑧再次抽水4 m，此时围堰内水已抽干—⑨施工承台，围堰与承台空隙填筑砾砂后拆除第三道和第二道内撑。

3 钢管桩及其支撑系统的计算分析

3.1 模型建立

本文采用大型通用软件Midas Civil对钢管桩及支撑系统进行空间有限元计算。钢管桩围堰实测内壁尺寸为61.4 m（横桥向）×23.3 m（纵桥向），钢管桩、圈梁所用工字钢、内支撑所用的钢管采用梁单元进行模拟。钢材的弹性模量210 GPa，泊松系数0.3。令沿钢管桩方向为坐标Z向，承台短边方向为Y，承台长边方向为X，考虑到钢管桩及内支撑系统具有双轴对称性质，围堰整体模型1/4剖视见图5。

3.2 计算假定

（1）圈梁和内支撑之间的连接按刚接处理。

（2）圈梁和钢管桩间的采用只受压弹簧模拟。

（3）钢管桩锚固端插入基岩按固结处理。

（4）牛腿支撑与圈梁间共节点处理，在牛腿处竖向约束圈梁竖向位移模拟牛腿对圈梁的支撑作用。

3.3 计算工况及荷载

对于2.3节所示施工流程相对应的每个施工工况，锁扣钢管柱围堰系统所受外力主要有流水动压力、外侧静水压力和内侧静水压力，外侧主动土压力，以施工工况（4）为例，其结构体系和所受外力如图6（d）所示：

3.4 不考虑施工过程的计算分析

该方法不考虑结构应力的累积效应，对上述围堰系统结构在不同施工阶段及其相应荷载工况下的安全性进行计算分析。

对于图6所示的工况2至工况9的计算结果如表2所示。从表1的数据可知：钢管桩最大应力σmax=206 MPa<σ=210 MPa，圈梁的最大应力σmax=197 MPa<σ=210 MPa，内支撑的最大应力σmax=172 MPa<σ=210 MPa，均满足要求。

3.5 考虑施工过程的计算分析

对于原设计的锁扣钢管柱与砼组合桩围堰，随着围堰施工的逐步实施，水压等荷载逐步施加到围堰上。锁扣钢管柱与内支撑参与受力的顺序同样在发生改变。因此，要确保围堰结构安全，就必须精确地分析锁扣钢管柱围堰在施工过程中的受力结构应力的累积效应。在Midas Civil软件中，使用“激活”和“钝化”结构的办法来模拟围堰结构的参与受力的不同阶段。具体做法如下：按照施工顺序，采用“激活”新参与和“钝化”被拆除或退出结构受力的构件及其相应的荷载，然后再进行计算。前一阶段的计算结果将作为下一施工阶段的结构初始条件。考虑施工过程累积效应结构的计算结果如表3所示。对比表2和表3，可以得出如下结论：

3.5.1 工况（2）与工况（3）

两种不同计算方法的结果接近，这是因为此时两种计算方法的模型基本相同，且此时荷载效应很小。

3.5.2 工况（4）与工况（5）

考虑累积效应与不考虑累积效应相比，钢管桩的最大应力显著增大，其中钢管桩的应力已经略超过规范要求的容许值;圈梁与内支撑系统的最大应力反而减小。这是因为考虑累积效应时，第二道内支撑在工况（5）下才开始参与受力，因而其应力减小，而钢管桩由于在加载的工况（4）缺少第2道内支撑的支撑，其计算长度增大，因而应力显著增大。

3.5.3 工况（6）

考虑累积效应时，结构最大应力已经超出限值，结构被压溃。从上述计算结果可知，是否考虑围堰施工过程中的累积效应，会得出截然不同的计算结果。对于本项目，如果继续采用原设计的钢围堰结构和施工流程，最终将会造成钢围堰在外界水压力作用下发生结构性破坏，并可能导致重

大安全事故。因此必须对结构或者是施工流程进行调整，使之能够满足结构受力安全的需求。

4 围堰结构改进后安全性计算分析

通过分析可知围堰设计时若不考虑施工过程中荷载的累积效应，可能导致结构不安全甚至压溃。而产生这种结果的原因在于后面施工的结构在前面的加载阶段未参与受力，造成钢管柱计算长度增加，因而前面施工的结构应力显著增大甚至超过限值，导致结构失效。

围堰改进的思路主要是减小钢管桩的应力，有两种方法可行：（1）增加圈梁与内支撑的数量，缩小围堰内支撑的层距;（2）增加钢管柱的抗弯刚度，即增大钢管柱的有效截面积。方法（1）：增加内支撑的数量，必定要增加围堰结构的钢材用量，同时增加圈梁与内支撑的制作工期;同时内支撑层数量增加，可能会给下层的承台施工带来不便。方法（2）：增大钢管柱的抗弯刚度，可采取①在钢管柱内灌注混凝土，②=2＼*GB3增大钢管柱的壁厚。若采用①=1＼*GB3钢管柱内灌注混凝土的办法，不但增加了成百上千立方米混凝土的用量，而且对后期围堰结构的收回带来不便。而采用②=2＼*GB3增大钢管柱的壁厚，只需选用壁厚更大的钢管柱代替原钢管柱即可，此法虽增加了钢材用量，但可以按照原设计工期顺利完工，又可以方便后期材料的顺利回收。综合对比，可见选用方法⑵=2＼*GB2中的②=2＼*GB3增大钢管柱的壁厚更为科学。经过反复计算，最终决定采用720×16 mm的钢管代替720×10 mm钢管。

改进后围堰结构各工况的安全性计算结果如表4所示。从计算结果可知，增大钢管柱的壁厚后，锁扣钢管桩围堰系统的应力都能够满足施工要求。

5 结论

（1）深水基础围堰系统的施工过程对结构体系的受力有较大影响，在设计围堰时，若不考虑施工过程的结构應力累积效应将会导致错误的计算结果，造成安全事故。

（2）采用“激活”与“钝化”单元的方法模拟围堰施工过程中结构应力的累积效应，对保证围堰结构在施工过程中的安全是十分必要的。

（3）增大钢管柱的壁厚，从理论上确保钢管桩围堰安全可靠，在实际施工过程中也未发生任何事故，确保了整个围堰结构的安全、稳定，也不影响原设计的施工工期。

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