锁口钢管桩围堰在深水桩基处治中的应用

黄永顺

(福建亿达工程勘察设计研究院有限公司，三明 365000)

随着我国公共基础设施建设的大力投入， 交通网已不断向全国各地延伸。桥梁作为跨越河流、丘谷等结构技术也得到了推进。桥梁下部结构基坑施工一直是个难题。目前常见的围堰类型主要有土石袋围堰、 混凝土套箱围堰、钢板桩围堰、锁口钢管桩围堰等[1-2]。 锁口钢管桩围堰凭借着结构刚度大、安全性能好、加工便捷、工期可控等良好经济效益受到了广泛的青睐[3-4]。 本文以某跨江大桥桩基维修处治围堰施工为分析对象， 采用三维有限元软件分析其在不同施工阶段下围堰的受力状态以及整体围堰的抗浮力、 稳定性能等各项性能指标是否满足相应规范要求。

1 工程概况

某跨江大桥于2000 年建成通车， 桥长1020.0 m，主桥采用(65+120+65)m 预应力混凝土变截面连续刚构，主孔下部为薄壁双肢墩，群桩基础；引桥跨径均为35 m，共22 孔，下部结构为柱式墩，钻孔桩基础。 受上游电站泄洪及潮水影响，河床冲刷下切较为严重，水中各个桩基均出现不同程度的混凝土剥落、钢筋锈蚀、缩颈等严重病害。经论证其维修处治方案采用增大桩基截面法。

该桥址水流湍急、航道通行繁忙，每年夏季水位变化受汛期影响显著。 水中桩基河床底部至最高水位高度在4～14 m 范围，其中8#主墩水位深接近14 m。

2 围堰结构设计

8# 主墩承台尺寸为11.2 m(横桥向)×9.0 m(纵桥向)×3.0 m(厚度)。 锁口钢管桩围堰初步设计内侧结构尺寸为14.67 m×12.27 m， 围堰顶标高为+43.5 m， 围堰底高为+17.5 m，长度为26 m。 采用Q235Bφ630 mm×10 mm 型号钢管桩， 锁口阴头采用φ180 mm×7 mm 钢管和阳头为I20b 型钢，组合成“C-T”接口形式，锁口内灌入防水材料。顺桥向每侧15 根，横桥向每侧设打18 根。 打入河床以下11 m 左右深。 锁口钢管桩围堰结构临时支撑从上往下依次设置4 道内圈梁内支撑， 分别设置在标高为42.5 m、39.5 m、36.5 m、33.5 m、31.0 m 对应的高度。 考虑到水位较深、抗浮力等各种因素，封底混凝土浇筑厚度为2.5 m。8#主墩锁口钢管桩围堰平面及内支撑布置示意如图1～2 所示。

图1 钢管桩平面布置图(单位：mm)

图2 钢管桩立面布置图(单位：mm)

3 结构受力分析

3.1 有限元模型

采用Midas Civil 有限元软件对8# 墩围堰的不同施工阶段受力进行计算分析。 该模型由1868 个节点和3462 个单元组成，相邻两根锁口钢管桩作为单根柱单元模拟， 且不考虑公扣与母扣之间搭接对围堰结构整体的稳定性作用，以保证计算结果偏于安全。每根钢管桩底部均采用铰接方式模拟边界约束， 内支撑与圈梁和锁口钢管桩采用刚性连接方式模拟焊接， 封底混凝土与钢管桩共节点；钢管桩入土深度节段按“m”法模拟节点弹性支撑。 钢管桩从河床往下依次进入淤泥层2.4 m，其m 法计算值取4000 kN/m4；中砂层4.5 m，m 法计算13000 kN/m4、卵石层4.1 m， 其m 法计算值取42000 kN/m4。 有限元分析模型见图3。

图3 围堰三维计算模型

3.2 荷载工况

围堰主要施工工序顺序如下： ①先施打横桥向两侧的锁口钢管桩，后施打纵桥向两侧的钢管桩。②合拢完成后， 在相应的设计标高处安设第一道支撑及圈梁并进行焊接固定。 ③河床底部清理、整平并浇筑2.5 m 厚的封底混凝土。 ④待混凝土达到一定强度后，抽水至39.5 m标高位置处并安设第二道支撑。 ⑤抽水至36.5 m 标高位置处并安设第三道支撑。 ⑥抽水至33.5 m 标高位置处并安设第四道支撑。⑦抽水至31.0 m 标高位置处，便可开始进行桩基表面清洗等工艺。 围堰内支撑各工况见表1。

表1 围堰计算工况

4 计算结果

4.1 围堰强度计算

采用Midas Civil 有限元数值模拟分析施工过程中4 种最不利荷载工况下钢管桩及圈梁围堰材料的受力状态。

(1)工况一

在工况一状态下(抽水1 m 深)，钢管桩及圈梁构件材料的应力图如图4～5 所示。由钢管桩应力图可知，其最大应力σmax=33.67 MPa＜168 MPa (钢材的容取应力值可按《铁路桥梁钢结构设计规定》规定选用，提高系数取1.2。即Q235 级钢材的容取最大应力σmax=140×1.2=168 MPa)；出现在封底混凝土顶面界面处；由图5 可知，工字钢圈梁的最大应力σmax=28.66 MPa，出现在横向圈梁与内支撑钢管焊接位置处， 小于钢材的容取值； 围堰的最大变形量lmax=5.6 mm，出现在钢管桩顶部。综上分析，在工况一状态下，围堰的应力应变均满足要求。

图4 工况一钢管桩应力图

图5 工况一圈梁应力图

(2)工况二

当围堰处于工况二状态下， 即抽水至39.5 m。 经有限元数值分析可得钢管桩及圈梁构件的应力如图6～7 所示。 由图6 可以看出，在工况二荷载下，钢管桩应力σmax=34.02 MPa，出现在封底混凝土顶面位置处；而圈梁的最大应力σmax=92.65 MPa 出现在第二道圈梁横桥向中间位置处，变形量lmax=14.3 mm。 应力应变均满足设计要求。

图6 工况二钢管桩应力图

图7 工况二圈梁应力图

(3)工况三

图8 工况三钢管桩应力图

图9 工况三圈梁应力图

当围堰内抽水至36.5 m， 进行第三道内支撑固定时，此刻的钢管桩及圈梁构件的应力状态如图8～9 所示。由图8 可以看出，在该工况下钢管桩应力σmax=39.61 MPa，出现标高28.5 m 位置处，圈梁的最大应力σmax=104.1 MPa 出现在第三道横桥向内置撑中间位置处， 围堰结构最大变形量lmax=18.9 mm。 应力应变均满足设计要求。

(4)工况四

在工况四荷载下， 钢管桩及圈梁构件的应力如图10～11。 从图10 不难发现锁口钢管桩的最大应力为σmax=58.56 MPa，仍出现在封底混凝土顶面位置处；圈梁的应力σmax=148.3 MPa， 出现在第四道内支撑与圈梁节点处；该工况下围堰的最大变形量lmax=26.5 mm。 应力应变均满足设计要求。

图10 工况四钢管桩应力图

图11 工况四圈梁应力图

综合上述分析可知， 围堰的钢管桩和圈梁构件最大应力均发生在工况四， 此时的钢管桩组合应力σmax=58.56 MPa、圈梁的最大应力σmax=148.3 MPa 均小于钢材允许应力；且最大变形量lmax=26.5 mm 也满足相关变形量要求。

4.2 围堰整体抗浮计算

封底混凝土标号强度为C30，厚度为2.5m，承台下有6 根直径为2 m 桩基， 桩基与封底混凝土的摩阻力T 取120 kPa。围堰内净面积为170.1 m2。水浮力：P浮=rhA=10×14.3×170.1=25515 kN；封底混凝土重：G重=rV=23×170.1×2.5=9781 kN；桩基与封底混凝土的摩阻力：F摩=TS=120×6×3.14×2.5=5652 kN。

围堰对水浮力稳定作用取下式计算的较小值： 钢管桩与封底混凝土的摩阻力：F=TS=120×(11+13.5)×2×2.5=14700 kN； 钢 管 桩 抗 拔 力：F=66×26×250/100+66×11×3.14×0.63×20=33013 kN。 (共有66 根钢管桩，钢管桩与砂土摩阻值按20 kPa 计算， 封底混凝土底面下钢管入土11.0 m，锁口钢管桩每延米重量约250 kg)。

围堰整体抗浮满足相关要求。

4.3 围堰整体稳定性计算

在水流压力下围堰可能会发生倾斜变动， 其转动轴在围堰脚趾处， 围堰稳定力矩是由围堰结构重量G1、混凝土重G2、桩与土层的摩擦力G3的合力与水浮力P 的差值。倾覆力矩是由水流压力F 水产生。即围堰整体结构的稳定力矩：M0=(G1+G2+G3-P)×0.5L=(33013+9781+14700-25515)×12.27×0.5=196191 kN。

其中K 为形状系数， 取1.5；A 为阻水面积，15.5m×15m=232.5 m2；v 为水流速度， 取2.6 m/s；r 为水的密度，取10 kN/m3，故动水压力为1179 kN,其作用于水面下1/3水深处。 抗倾覆力矩：

Mt=FD=1179×15×2/3=11790 kN。

综合上述计算分析，围堰稳定性满足要求。

5 结论

本文采用大型有限元分析软件对某跨江桥梁采用锁口钢管桩围堰方式施工进行不同阶段下的受力性能分析，得到以下几点结论：

(1)数值分析结果表明：在各个不同施工工况下，锁口钢管桩围堰的刚度(变形)和强度(应力)及变形值均满足规范要求。

(2)锁口钢管桩和圈梁的最大应力均发生在工况四，应力分别为σmax=58.56 MPa、σmax=148.3 MPa。 可见钢管桩构件的安全富裕系数偏高，而圈梁的安全富裕系数偏小。必要时可适当对圈梁进行加固， 从而提高围堰结构的安全系数。

(3)围堰的抗浮系数为1.18；稳定系数为16.6 均满足相关规范要求， 由此可见锁口钢管桩围堰在12～18 m 深水基坑施工中具有较好的应用前景。