深水基礎(chǔ)鎖口鋼管樁與混凝土樁組合圍堰的設(shè)計(jì)和思考

熊明華

【摘 要】?深水基礎(chǔ)圍堰的施工極具危險(xiǎn)性。為了保證圍堰結(jié)構(gòu)和人員安全，文章以設(shè)計(jì)贛江特大橋R#35墩基礎(chǔ)的鎖口鋼管樁與混凝土樁組合圍堰為工程實(shí)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(jì)算方法進(jìn)行了圍堰設(shè)計(jì)的安全分析。計(jì)算結(jié)果表明：施工過(guò)程中的累積效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響非常大，兩種方法所得的計(jì)算結(jié)果相差懸殊，不考慮施工過(guò)程中的累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，甚至造成安全事故。根據(jù)計(jì)算結(jié)果改進(jìn)了原設(shè)計(jì)的圍堰結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的圍堰結(jié)構(gòu)能夠滿足各階段受力要求，保證了在圍堰施工時(shí)結(jié)構(gòu)和人員安全。

【關(guān)鍵詞】鎖口鋼管樁與砼樁組合圍堰; 累積效應(yīng); 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(duì)進(jìn)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(jì)50年代中期，我國(guó)在前蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下進(jìn)行了鎖口混凝土管樁應(yīng)用試驗(yàn)。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(tái)基礎(chǔ)使用，近年來(lái)在沿?；靥罟こ讨凶鳛閾跬两Y(jié)構(gòu)使用也取得了廣泛應(yīng)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(nèi)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(jié)合了鎖扣鋼管樁圍堰與鋼板樁圍堰各自的優(yōu)點(diǎn)，又通過(guò)混凝土錨固樁增加了圍堰的嵌巖深度，保證了圍堰在整個(gè)施工過(guò)程中的整體穩(wěn)定性。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了承臺(tái)基坑無(wú)水開挖作業(yè)的環(huán)境，且施工作業(yè)空間大，減小了施工難度，加快了施工進(jìn)度縮短施工周期。鎖口鋼管樁與混凝土組合樁圍堰的設(shè)計(jì)最重要的是保證圍堰在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全性。對(duì)于鎖扣鋼管樁與混凝土組合樁圍堰，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算往往利用平面幾何模型[4-5]及簡(jiǎn)化力學(xué)模型[6-7]采用一次成型的計(jì)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(gè)工序?qū)︿摪鍢秶呓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析[8-9]。這些計(jì)算方法是基于簡(jiǎn)化假定和工程經(jīng)驗(yàn)，雖具有建模簡(jiǎn)單，計(jì)算快捷的特點(diǎn)，但忽視了圍堰施工過(guò)程內(nèi)力的累積效應(yīng)，故只能在一定程度上滿足設(shè)計(jì)要求，不能反映其施工全過(guò)程的力學(xué)行為[10]。由于圍堰結(jié)構(gòu)和荷載在施工過(guò)程中不斷發(fā)生變化，累積效應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)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(shí)例，介紹考慮施工過(guò)程內(nèi)力累積效應(yīng)的深水基礎(chǔ)鎖扣鋼管樁與混凝土樁圍堰的設(shè)計(jì)與安全性分析。

1 工程概況

贛州贛江特大橋是目前國(guó)內(nèi)首座集成運(yùn)用鋼混結(jié)合梁、無(wú)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(zhǎng)2 155.64 m，主橋采用（35+40+60+300+60+40+35） m雙塔雙索面結(jié)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(fēng)化泥質(zhì)砂巖。橋址處常水位94 m，警戒水位為98.1 m，設(shè)計(jì)施工水位為101.1 m。大橋35#墩的承臺(tái)尺寸為47.5 m（橫橋向）×20.7 m（縱橋向）×4.5 m（高度），承臺(tái)樁基采用24根2.5 m鉆孔灌注樁，基礎(chǔ)施工采用圍堰的形式。本橋基礎(chǔ)圍堰施工主要特點(diǎn)有水深、淺覆蓋層、斜巖、水流急，施工難度大、施工組織復(fù)雜，且汛期水位變化大、無(wú)規(guī)律，對(duì)基礎(chǔ)施工極為不利，圍堰結(jié)構(gòu)的安全性直接關(guān)系到項(xiàng)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(shè)計(jì)的優(yōu)劣必須滿足以下要求：圍堰內(nèi)的空間大小必須滿足內(nèi)部施工要求;具有良好的阻水效果;圍堰結(jié)構(gòu)必須有足夠的剛度保證施工的安全性;圍堰材料能回收節(jié)約成本。從承臺(tái)形式、地質(zhì)、水文及以往水中基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，對(duì)表1中常用的三個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析[12]。經(jīng)過(guò)多方對(duì)比論證分析，贛江特大橋35#墩承臺(tái)深水基礎(chǔ)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(gòu)造

初步設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。圍堰系統(tǒng)所用鋼材均為Q235鋼材，圍堰共設(shè)置三道內(nèi)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(zhǎng)度為17 m，鋼管樁下端置于基巖頂面，整個(gè)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(jié)構(gòu)咬合。大小兩種鋼管間兩側(cè)采用焊接加勁板加固，自鋼管樁頂部每隔150 cm設(shè)置一道。鋼管樁底部至以上50 cm幫焊10 mm厚的鋼板作為補(bǔ)強(qiáng)圈，防止插打時(shí)底部刃角卷起。為保證圍堰的整體穩(wěn)定，每根鋼管樁均設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(shí)圍堰內(nèi)水已抽干—⑨施工承臺(tái)，圍堰與承臺(tái)空隙填筑礫砂后拆除第三道和第二道內(nèi)撐。

3 鋼管樁及其支撐系統(tǒng)的計(jì)算分析

3.1 模型建立

本文采用大型通用軟件Midas Civil對(duì)鋼管樁及支撐系統(tǒng)進(jìn)行空間有限元計(jì)算。鋼管樁圍堰實(shí)測(cè)內(nèi)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(nèi)支撐所用的鋼管采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。鋼材的彈性模量210 GPa，泊松系數(shù)0.3。令沿鋼管樁方向?yàn)樽鴺?biāo)Z向，承臺(tái)短邊方向?yàn)閅，承臺(tái)長(zhǎng)邊方向?yàn)閄，考慮到鋼管樁及內(nèi)支撐系統(tǒng)具有雙軸對(duì)稱性質(zhì)，圍堰整體模型1/4剖視見圖5。

3.2 計(jì)算假定

（1）圈梁和內(nèi)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(jié)處理。

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

3.3 計(jì)算工況及荷載

對(duì)于2.3節(jié)所示施工流程相對(duì)應(yīng)的每個(gè)施工工況，鎖扣鋼管柱圍堰系統(tǒng)所受外力主要有流水動(dòng)壓力、外側(cè)靜水壓力和內(nèi)側(cè)靜水壓力，外側(cè)主動(dòng)土壓力，以施工工況（4）為例，其結(jié)構(gòu)體系和所受外力如圖6（d）所示：

3.4 不考慮施工過(guò)程的計(jì)算分析

該方法不考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力的累積效應(yīng)，對(duì)上述圍堰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在不同施工階段及其相應(yīng)荷載工況下的安全性進(jìn)行計(jì)算分析。

對(duì)于圖6所示的工況2至工況9的計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表1的數(shù)據(jù)可知：鋼管樁最大應(yīng)力σmax=206 MPa<σ=210 MPa，圈梁的最大應(yīng)力σmax=197 MPa<σ=210 MPa，內(nèi)支撐的最大應(yīng)力σmax=172 MPa<σ=210 MPa，均滿足要求。

3.5 考慮施工過(guò)程的計(jì)算分析

對(duì)于原設(shè)計(jì)的鎖扣鋼管柱與砼組合樁圍堰，隨著圍堰施工的逐步實(shí)施，水壓等荷載逐步施加到圍堰上。鎖扣鋼管柱與內(nèi)支撐參與受力的順序同樣在發(fā)生改變。因此，要確保圍堰結(jié)構(gòu)安全，就必須精確地分析鎖扣鋼管柱圍堰在施工過(guò)程中的受力結(jié)構(gòu)應(yīng)力的累積效應(yīng)。在Midas Civil軟件中，使用“激活”和“鈍化”結(jié)構(gòu)的辦法來(lái)模擬圍堰結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力的構(gòu)件及其相應(yīng)的荷載，然后再進(jìn)行計(jì)算。前一階段的計(jì)算結(jié)果將作為下一施工階段的結(jié)構(gòu)初始條件?？紤]施工過(guò)程累積效應(yīng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果如表3所示。對(duì)比表2和表3，可以得出如下結(jié)論：

3.5.1 工況（2）與工況（3）

兩種不同計(jì)算方法的結(jié)果接近，這是因?yàn)榇藭r(shí)兩種計(jì)算方法的模型基本相同，且此時(shí)荷載效應(yīng)很小。

3.5.2 工況（4）與工況（5）

考慮累積效應(yīng)與不考慮累積效應(yīng)相比，鋼管樁的最大應(yīng)力顯著增大，其中鋼管樁的應(yīng)力已經(jīng)略超過(guò)規(guī)范要求的容許值;圈梁與內(nèi)支撐系統(tǒng)的最大應(yīng)力反而減小。這是因?yàn)榭紤]累積效應(yīng)時(shí)，第二道內(nèi)支撐在工況（5）下才開始參與受力，因而其應(yīng)力減小，而鋼管樁由于在加載的工況（4）缺少第2道內(nèi)支撐的支撐，其計(jì)算長(zhǎng)度增大，因而應(yīng)力顯著增大。

3.5.3 工況（6）

考慮累積效應(yīng)時(shí)，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力已經(jīng)超出限值，結(jié)構(gòu)被壓潰。從上述計(jì)算結(jié)果可知，是否考慮圍堰施工過(guò)程中的累積效應(yīng)，會(huì)得出截然不同的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于本項(xiàng)目，如果繼續(xù)采用原設(shè)計(jì)的鋼圍堰結(jié)構(gòu)和施工流程，最終將會(huì)造成鋼圍堰在外界水壓力作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，并可能導(dǎo)致重

大安全事故。因此必須對(duì)結(jié)構(gòu)或者是施工流程進(jìn)行調(diào)整，使之能夠滿足結(jié)構(gòu)受力安全的需求。

4 圍堰結(jié)構(gòu)改進(jìn)后安全性計(jì)算分析

通過(guò)分析可知圍堰設(shè)計(jì)時(shí)若不考慮施工過(guò)程中荷載的累積效應(yīng)，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全甚至壓潰。而產(chǎn)生這種結(jié)果的原因在于后面施工的結(jié)構(gòu)在前面的加載階段未參與受力，造成鋼管柱計(jì)算長(zhǎng)度增加，因而前面施工的結(jié)構(gòu)應(yīng)力顯著增大甚至超過(guò)限值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。

圍堰改進(jìn)的思路主要是減小鋼管樁的應(yīng)力，有兩種方法可行：（1）增加圈梁與內(nèi)支撐的數(shù)量，縮小圍堰內(nèi)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(nèi)支撐的數(shù)量，必定要增加圍堰結(jié)構(gòu)的鋼材用量，同時(shí)增加圈梁與內(nèi)支撐的制作工期;同時(shí)內(nèi)支撐層數(shù)量增加，可能會(huì)給下層的承臺(tái)施工帶來(lái)不便。方法（2）：增大鋼管柱的抗彎剛度，可采?、僭阡摴苤鶅?nèi)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(nèi)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(duì)后期圍堰結(jié)構(gòu)的收回帶來(lái)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(shè)計(jì)工期順利完工，又可以方便后期材料的順利回收。綜合對(duì)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(xué)。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算，最終決定采用720×16 mm的鋼管代替720×10 mm鋼管。

改進(jìn)后圍堰結(jié)構(gòu)各工況的安全性計(jì)算結(jié)果如表4所示。從計(jì)算結(jié)果可知，增大鋼管柱的壁厚后，鎖扣鋼管樁圍堰系統(tǒng)的應(yīng)力都能夠滿足施工要求。

5 結(jié)論

（1）深水基礎(chǔ)圍堰系統(tǒng)的施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)體系的受力有較大影響，在設(shè)計(jì)圍堰時(shí)，若不考慮施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)應(yīng)力累積效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)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(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的累積效應(yīng)，對(duì)保證圍堰結(jié)構(gòu)在施工過(guò)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(shí)際施工過(guò)程中也未發(fā)生任何事故，確保了整個(gè)圍堰結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定，也不影響原設(shè)計(jì)的施工工期。

參考文獻(xiàn)

[1] Sakiza. Reference for highway bridge design specificati-ons for highway bridges： Part IV[R]. Tokyo： Japan Road Association， 2002： 24-26.

[2] Inazumi S. Impermeable Properties of H-jointed Steel Pipe Sheet Piles with H-H Joints[J]. Journal of the Society of Materials Science， 2008， 57（1）： 50-55.

[3] 李仁民，楊文俊.深基坑淺嵌固鋼板樁在紅砂巖地質(zhì)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（1）：493-498.

[4] 侯永茂，王建華，顧倩燕.大跨度雙排鋼板樁圍堰的變形特性分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43（10）：1577-1580，1584.

[5] 張玉成，楊光華，姜燕，等.軟土地區(qū)雙排鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及探討[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（增刊）： 659 -665.

[6] 杜闖，丁紅巖，等.鋼板樁圍堰有限元分析[J]巖土工程學(xué)報(bào)，2014， 36（2）：159-163.

[7] 王東輝.平潭海峽公鐵兩用大橋非通航孔引橋圍堰設(shè)計(jì)與施工[J].橋梁建設(shè)，2016，46（3）：1-5.

[8] 王玉果.海河特大橋鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與驗(yàn)算[J].公路，2013，（9）：95-100.

[9] 張駿.超長(zhǎng)鋼板樁圍堰合理內(nèi)支撐施工方案[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，25（2）：19-24.

[10] 吳清，尹浩輝.模擬施工過(guò)程的官洲河特大橋鋼板樁圍堰分析計(jì)算[J]，鐵道建筑，2010，（5）：8-11.

[11] 湯勁松，熊保林.深水基礎(chǔ)大規(guī)模超長(zhǎng)鋼板樁圍堰施工過(guò)程安全性分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2013，34（3）：32-38

[12] 粟學(xué)平，馬亞飛.深水中主墩圍堰施工方案比選研究[J]，鐵道建筑，2011 （10）：19-22.

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