深水基础锁口钢管桩围堰设计计算

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摘要：本文对大西客运专线晋陕黄河特大桥主墩承台施工的锁口钢管桩围堰结构设计计算。锁扣钢围堰在大西客专的成功运用，对其他类似工程具有一定的参考价值。

关键词：围堰 锁口钢管桩 Midas/Civil有限元分析

1 工程概况

大同至西安客运专线晋陕黄河特大桥跨越黄河，其主桥77#墩30根直径2m的钻孔桩基础采用钢平台施工，承台采用锁口钢管桩围堰施工。黄河河床主要以砂性黄土和粉砂土为主，承台采用一阶形式，底面高程为338.43m，结构尺寸为29.2×24×5m。根据现场调查提供资料：钢平台标高+348.00m， 20年一遇洪水位标高+347.32m，经现场实际测量77#墩处河床面标高约为338.68m。洪水位最大流速1.93m/s、封底混凝土厚度拟定为2.0m，根据承台底标高则围堰内开挖至标高+336.43m。

2 设计情况

围堰顶面标高根据二十年一遇洪水位设计，围堰顶标高设定为+347.3+0.5+0.2=+348.00m，锁口钢管桩采用形式是管桩219×10mm、管桩630×10mm、工字钢I20a焊接组合，管桩219mm割口处理后与工字钢形成锁口，单个锁口钢管桩各构件连接处采用钢板进行帮焊，钢管桩桩长15m。主墩承台尺寸29.2×24m，围堰尺寸大小拟定为27.3×32.5m。围堰设置一层内支撑，内支撑设置位置中心标高+347.32m，围檩采用3根工字钢并排组成；内支撑选用直径φ630×10mm的钢管支撑。围堰平面布置见图1所示：

3 静力分析

围堰采用有水开挖、基坑内不排水，开挖时保证基坑内水头与堰外水头高度一致，水下浇注封底混凝土后抽水至内部支撑位置处及时安装内撑，由此可知堰内水全部抽去时是锁扣钢管桩围堰结构最不利情况。

3.1 荷载计算

围堰外洪水位标高按20年一遇洪水位+347.32m计算，承台底标高+338.43m，开挖施工中围堰内不排水并保持围堰内外水头高度一致。

水压力荷载分为静水压力和流水压力，静水压力作用于围堰的四周，流水压力作用于围堰迎水面，这里验算迎水面的钢管桩受力情况。水流速度1.93m/s。

静水压力水头差347.32-338.43=8.89m，静水压力为■。流水压力按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）计算，可得F=22.6kN，作用于1/3水深处。

3.2 围堰受力分析

根据结构的受力情况，利用midas软件对结构建模计算。一个锁口钢管桩只考虑φ630钢管受力，锁扣钢管桩、围檩及内支撑用梁单元模拟，封底混凝土采用实体单元模拟。结构受到静水压力和流水压力，模型及荷载布置如图2所示。

计算结果见下表：

最大位移发生在钢管桩中部，容许位移值取：L/400=8.89/400=0.022m=22mm；临建结构容许应力可提高20%，因此Q235钢材容许弯曲应力取170MPa，容许剪切应力取102MPa，所以上述计算结果均满足设计要求！

3.3 封底混凝土的抗浮检算

（1）抗浮力计算

封底混凝土采用2.0m厚的C20砼，其受到水头压力差的作用，洪水期水位标高+347.32m，开挖基坑底标高+336.426m，则水头差h=10.89m。主墩承台下共有30根直径2m桩基，取桩基与封底混凝土的摩阻力τ=120kPa。围堰内部尺寸31.87×26.87m，其中30个钢护筒直径2.4m，则基地净面积是720.70m2，取钢管桩与封底混凝土摩阻力值为120kPa。

因此，水浮力P=78484.11kN；封底砼自重G=33152.15kN；桩基与封底砼摩阻力F=45216.0KN；钢管桩与封底砼摩阻力F=14097.6kN。

则抗浮系数： 满足要求。

（2）封底混凝土强度检算

考虑水下混凝土表层质量较差、养护时间短等因素，取C20水下混凝土容许拉弯应力[σ]= 500 kN/m2，封底砼按均布荷载下的四边固结双向简支板计算，Lx=3.2m，Ly=3.2m（桩间距为3.2m），当Lx/Ly=1.0时：Mx=My=0.0368×qL2=41.04KN*m ，封底砼简支板W=bh2/6=2.13m3，则σ=M/W=19.3KN/m2

4 结论

锁扣钢管桩围堰的计算首先要确定最不利工况，然后对结构构件计算分析，然后对封底混凝土做分析计算，另外尚需对内支撑做稳定性分析。锁扣钢围堰结构加工简单，便于施工，是深水基础结构支护的一种良好方法。锁扣钢管桩围堰在大西客专的成功应用可为其他相似工程借鉴参考。