深水區無覆蓋層鋼棧橋基礎錨固方式對比分析

王政松

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072)

1 引言

目前，我國橋梁建設進入全新階段，深水橋梁的建設數量不斷增加，在深水橋梁施工中，鋼棧橋作為關鍵的建筑材料運輸線，對下部結構施工起到至關重要的作用。國內外裸巖河床條件下的棧橋和平臺結構設計常用的技術有兩種:一是根據安全要求設計足夠強度、剛度及穩定性的基礎平臺；二是采用浮動平臺設備避免棧橋及平臺與河床直接發生接觸，但存在使用功能有限、安全性達不到使用要求等問題。

黃懷朋[1]通過在陡峭堅硬裸巖地質河床上采用水下爆破形成人造覆蓋層，為減少爆破工作量采用短樁形式，根據“拉列琴假設”計算的入巖深度，確保了施工過程中的安全性和可靠性。張奮飛[2]在淺覆蓋層區域先利用板凳樁將棧橋貫通，為了增強棧橋洪水期的橫向穩定性，采用營孔法利用沖擊鉆對施工棧橋基礎進行沖樁補強，保證棧橋抵御洪水的能力。張戰凱等[3]通過對比排樁和設置水平懸鏈線鋼絲繩的板凳樁在流水壓力作用下棧橋樁側向穩定性，發現設置水平懸鏈線鋼絲繩的板凳樁可極大地降低管樁最大彎矩，但懸索只能在主體結構鉆孔樁完成后施作，所以需在洪水期以前做好懸索。王東輝等人[4－5]通過從設計和施工兩個方面，論述了裸巖地質條件下，在強風、深水、急流等復雜環境下混凝土錨樁鋼棧橋快速施工的關鍵技術，采用不同的施工方案，使得鋼棧橋在水流湍急、水位較深的條件下成功搭建。郭曉松等人[6－7]利用有限元模擬，通過混凝土錨樁－鋼棧橋管樁的承載力、剛度和穩定性驗算，驗證了鋼管樁接頭的應力可靠性。王東輝等[8]通過不同規范針對混凝土錨樁入巖錨固深度、單樁豎向承載力以及鋼管樁抗傾覆穩定性驗算進行理論分析。

以上分析表明，在超深水位條件下鋼管樁底部有可靠的錨固對鋼管樁整體穩定性的提高意義重大。在此基礎上，通過對整體結構進一步優化，對混凝土錨樁錨固長度的確定以及鋼管與混凝土之間的粘結進行進一步的修正。

2 不同錨固方案機理

2.1 人造覆蓋層中鋼棧橋受力機理

裸巖河床鋼管樁難以打入，無法達到設計深度，難以保證穩定性。因此在棧橋鋼管樁設計處通過爆破船進行水下定點爆破，將巖石完全破碎后的巖渣作為人造覆蓋層。然而，設計中通常將覆蓋層視為一個完整的巖體，未考慮爆破沖擊引起的巖石物理力學指標的變化。由于爆破后的巖體物理力學性能難以準確計算，為了分析結構施工過程中的安全性和整體穩定性，可根據鉸鏈法和固結法兩種方法計算樁底邊界條件，實際情況介于兩個計算結果之間。

2.2 板凳樁基礎鋼棧橋受力機理

板凳樁基礎采用雙排鋼管樁焊接成穩定的板凳形式。每個鋼管樁的長度是根據巖石基礎確定的，頂部平整放置縱梁；樁身上部剪刀撐和橫梁焊接成一個整體，然后放置下橫梁。“鋼板凳樁法”要求在每個棧橋墩底采用雙排鋼管樁，鋼管樁通過導向架準確定位，使每根鋼管樁能夠自由沉降，當鋼管樁沉至水底不動后進行垂直度定位，焊接平聯和剪刀撐進行加固，使其成為一個板凳的形式，然后在樁身周邊拋擲砂袋，從樁內灌注水下不分離混凝土，混凝土從管口向外流，與樁周圍砂袋形成一個整體，板凳樁在施工中很難形成固結體系，因此在建模分析時將樁的底部邊界條件按照鉸接進行計算。

2.3 混凝土錨樁鋼棧橋受力機理

當淺、無覆蓋層區域鋼管樁難以打入基巖時，由于受巖石表面不平和球形凸起的影響，穩定性較差，鋼棧橋的抗傾覆穩定性不能滿足要求，可以通過沖擊反循環成孔方式在鋼管樁內設置混凝土錨樁，在巖層和管樁中設置混凝土錨樁，以達到與基巖固結的目的。

與巖層的接觸長度可由計算所需的抗拔力來確定混凝土入巖深度，與鋼管的接觸長度可由抗拔力計算的所需粘結長度確定。同時由于混凝土錨樁自重較大，形成樁底配重，可提高鋼管樁抗傾覆能力，因此在模型中可將混凝土錨樁錨固方式按照固結進行模擬。

3 工程概況

某大橋棧橋位于三峽大壩上游地區，由于大壩的阻流作用，水位季節性變化大，升降幅值可達數十米，同時大橋位處地區雨量充沛，易形成洪水波運動，對河床沖刷作用嚴重，因此選擇合理的鋼管樁錨固方式對提高鋼管樁橫向剛度和抗傾覆能力十分重要。本文通過Midas有限元軟件分別對人造覆蓋層、板凳樁基礎及混凝土錨樁三種錨固方式進行對比，但是人造覆蓋層中樁底部邊界條件難以確定，本文中僅將板凳樁基礎按照底部鉸接及混凝土錨樁按照底部固結建立模型來分析，人造覆蓋層的樁底部邊界條件介于固結和鉸接之間。

因本棧橋位于U型河床，鋼管樁長度不同，從20 m向河中每跨遞增，最長達65 m，鋼管樁采用φ1 000×12 mm鋼管，單排設置兩根鋼管樁，鋼管樁橫向間距6.3 m，縱向間距為6 m和9 m兩種，為了加強施工棧橋鋼管樁的整體穩定性，鋼管樁橫向之間采用鋼管φ630×10 mm連接成整體。其橫向聯結布置如圖1所示。

圖1 橫向聯結布置

樁頂設置雙拼 40b作為橫梁，橫梁上布置貝雷梁，橫向間距采用90 cm、45 cm花窗連接，貝雷梁上鋪設 20b分配梁，間距為352.5 mm，最后鋪設10 mm厚花紋鋼板。

通過對不同高度、不同錨固方式的單跨鋼棧橋進行建模分析，采用30、40、50、60 m四種不同高度的單跨鋼管樁進行對比分析，鋼管樁橫向間距為6.3 m，縱向間距分別為6 m及9 m兩種形式，水流速度分別取0.94、1.5、2 m/s，為保證橫向聯結的穩定性，從鋼管樁樁頂開始每隔5 m布置“Z”型構件共布置3層，鋼管樁底部分別按照固結和鉸接約束，有限元模型計算結果如圖2、圖3所示。

圖2 底部鉸接樁頂位移

圖3 底部固結樁頂位移

由圖3可以看出，隨著鋼管樁高度的增加，底部固結可以大幅度地降低樁頂位移，同時由于水位較高以及水下焊接的不便，鋼管樁之間的連接件不能無限向下布置。人造覆蓋層及板凳樁基礎因為地質條件的限制，很難在樁底形成穩固的錨固體系，因此在超深水位條件下，混凝土錨樁更易在樁底形成固結體系。相同水流條件下，底部鉸接與固結產生的頂部位移的比值如表1所示。

表1 底部鉸接與固結產生的頂部位移的比值

由表1可以看出，隨著鋼管樁高度的增加，底部鉸接與固結產生的樁頂位移的比值逐漸增大，混凝土錨樁有助于鋼管樁在底部形成固結體系，因此在超深水位施工過程中采用混凝土錨樁施工下部結構更為有效。

4 棧橋下部結構計算及優化設計

超深水位下鋼管樁底部有可靠的錨固可以大幅度提高鋼棧橋的整體穩定性，因本棧橋鋼管樁較長，最長達65 m，因此，為了加強施工棧橋鋼管樁支墩的穩定性，考慮到橋址地質條件和施工期處于水庫的波動期[9]，棧橋1～3跨的柱底為擴大基礎，其余水下鋼管樁在柱底處設置φ800 mm C30鋼筋混凝土錨樁。如果按單排樁或雙排樁計算樁的錨固深度[10]，由于彎矩和水平力的重新分配，雙排樁的計算值小于單樁的計算值。出于安全考慮，錨固深度仍按單樁計算。

4.1 入巖固結深度計算

根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》，當河床巖層有沖刷時，樁基必須嵌入基巖，嵌巖樁按樁底嵌固設計[11]。其應嵌入基巖中的深度，圓形樁可按式(1)計算:

式中，h為樁嵌入基巖中的有效深度，不應小于0.5 m；MH為在基巖頂面處的彎矩(kN·m)；frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準(kPa)，黏土質巖取天然濕度單軸抗壓強度標準值；β為系數，根據巖層側面構造而定，節理發育的取小值；節理不發育的取大值，取0.5～1.0；d為樁身直徑(m)。

混凝土與基巖膠結面的抗剪強度，實質上是一種膠結材料與另一種材料之間膠結面的抗剪強度，當膠結面達到一定粗糙度時，其抗剪強度等于弱膠結面的抗剪強度。對于堅硬裸巖水域，實質上求的是混凝土自身的抗剪強度系數。因此，施工時可采用在巖石表面進行處理，提高其表面粗糙度以及混凝土強度等級的方法來提高其抗剪承載力。

4.2 抗拔最小長度

根據《港口工程樁基規范》，預制樁芯柱嵌巖樁的樁內混凝土芯柱應有足夠的長度，采用芯柱嵌巖時，預制樁內的芯柱長度不應小于主筋要求的錨固長度、1.5倍嵌巖深度及按照式(2)計算的芯柱傳遞軸向力所需最小長度L:

式中，L為芯柱傳遞軸向力所需最小長度(m)；α為系數，取1.2；N為樁在巖面處的軸向力設計值(kN)；τ0為芯柱與樁內壁結合面的抗剪強度設計值，無經驗時可取270～370 kN/m2，驗算極端荷載時取大值，其他情況取小值；d為樁的內徑(m)。

由式(2)可以看出，鋼管樁的抗拔承載力的大小與混凝土錨樁與鋼管樁的接觸面積成正比，在三峽大壩上游地區，由于其水位季節性變化很大，在超深水位時對鋼管樁的抗拔性能要求很高，因此在施工時可以通過在鋼管樁下部增加加勁肋的方法增加鋼管樁與混凝土之間的接觸面面積，增大鋼管樁與混凝土之間的粘結力，保證鋼管樁抗拔能力滿足要求[12]。

4.3 鋼筋混凝土樁正截面承載力

沿周邊均勻配置縱向普通鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土正截面受壓承載力可按式(3)計算:

式中，As為全部縱向普通鋼筋的截面面積；r為圓形截面的半徑；rs為縱向普通鋼筋重心所在圓周的半徑；α為對應于受壓區混凝土截面面積的圓心角與2π的比值；αt為縱向受拉普通鋼筋截面面積與全部縱向普通鋼筋截面面積的比值，當α大于0.625時，αt取0。

在上部鋼管混凝土樁中，鋼管對其內部混凝土的約束作用，使其處于三向受壓狀態，提高了混凝土的抗壓強度，鋼管內混凝土能有效防止鋼管樁的局部屈曲。研究表明，鋼管混凝凝土柱的承載力高于相應的鋼管樁和混凝土柱的承載力之和。

在下部結構中，大部分混凝土嵌入基巖之中，失去了鋼管樁的約束作用，但是混凝土材料抗拉性能較弱，因此鋼管樁內的混凝土與嵌固在巖石中的混凝土之間必須有可靠的連接。可以通過采用帶肋鋼筋以及在鋼筋籠中施加一小型鋼管樁提高接觸面積提高混凝土的整體性。

在水平荷載巨大的超深水域進行棧橋下部結構抗傾覆穩定性設計時，鋼管樁橫向間距應根據經濟性及穩定性進行比選，通過對比 6、7、8、9、10、11 m六種不同橫向間距的單排鋼管樁在不同高度下樁頂的位移，模型計算結果如圖4所示。

圖4 30～60m鋼管樁樁頂位移

由圖4可以看出，隨著鋼管樁橫向間距的增加，鋼管樁樁頂位移會略有降低，但是并不會隨著鋼管樁橫向間距的增加而持續下降，因此可以通過增加鋼管樁橫向間距的方法提高結構的整體剛度。但是隨著橫向間距的增加，整體剛度的提升并不明顯，且隨著橫向間距的增加，鋼管樁連接件的長度會大幅增加且焊接困難，因此鋼管樁橫向間距可根據實際情況略微提高。

同時考慮到在洪水波運動時，水流的運動狀態為紊流，易形成垂直于主流方向的運動，因此為了加強施工棧橋鋼管樁在超深水位下的整體穩定性，需要對鋼管樁增加縱向聯結。鋼管樁縱向間距有6 m和9 m兩種，縱向聯結布置如圖5所示。

圖5 縱向聯結布置

通過建立有限元模型分析計算以及縱向連接件的分布特點可得，當鋼管樁高度超過30 m后，無論在底部固結或鉸接情況下，鋼管樁的頂部位移都會隨著鋼管樁高度的增加而急劇增加，因此可針對超過30 m的鋼管樁施加縱向聯結以提高其穩定性。

5 結束語

三峽大壩上游地區由于大壩影響而形成的超深水位以及洪水波運動時形成的巨大水流，對人造覆蓋層、板凳樁基礎以及混凝土錨樁三種不同錨固方式，通過有限元模型按照底部鉸接及固結分析了單排鋼管樁在不同水流力、不同高度下的樁頂位移，同時為了使鋼管樁底部形成固結體系進行了進一步的優化，以及對鋼管樁之間橫向間距的優化和鋼管樁縱向之間的連接，通過分析及現場驗證，得出以下結論:

(1)在超深水位條件下，底部固結比鉸接對提高鋼管樁整體穩定性作用更明顯；同時在裸巖地質中，通過混凝土錨樁的形式更易使鋼管樁底部與基巖形成可靠的錨固，形成固結體系。

(2)為了使鋼管樁底部形成固結體系，可以采用較高強度等級混凝土提高混凝土與巖石之間的抗剪強度；采用在鋼管樁內增加加勁肋的方法提高鋼管樁與混凝土之間的粘結作用；采用帶肋鋼筋形式提高鋼管樁內混凝土與嵌巖混凝土之間的抗拉承載力；同時應力突變位置焊接鋼片提高鋼管樁局部穩定性。

(3)提高鋼管樁橫向間距可以提高鋼管樁之間的整體穩定性，但是鋼管樁橫向間距不能一直增大，需要根據鋼管樁的直徑進行分析比選；在超深水位下的洪水波運動會產生垂直于主流方向的運動，通過分析對比，可以對超過30 m的鋼管樁之間增加縱向聯結。