桥梁建设永久性钢管桩围堰基础研究

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中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

引言

永久性钢管桩围堰基础系统起源于日本，这项系统能为需在水下施工的桥梁基础节约大量成本。自1964年起，这项技术的发展已经成为日本土木工程历史的一部分。该技术最初是作为钢铁厂鼓风炉中混凝土沉箱基础的替代形式。自那时起，这项技术广泛应用于很多河流和海上桥梁。研究人员发表了很多关于该系统设计和建造的技术指南。

尽管永久性围堰基础在日本境内拥有广泛应用，但很少被其他国家采用，并且非日本工程师基本上都对其一无所知。不幸的是，虽然这项极具竞争力的基础技术以往具有出色成就，但并未得到推广。本文回顾了永久性围堰基础，并给出了一些设计实例。

日本研究人员经常将该基础的日语术语翻译成英文“钢管板桩”，虽然“管”和“板”两个术语相互排斥。尽管人们已有这样的翻译，但本文采用“永久性钢管桩围堰基础”译名，以便理解这项技术在英语情境下的含义。

图1.永久性钢管桩围堰基础

（Bridge Pier桥梁墩台，Steel Tubular Piles钢管桩，cut off at the pile cap level after the construction施工结束后在桩帽平面进行去除，Connection Detail连接详情，Interlocking Key联锁键，Mortar砂浆，Pile Cap/Footing桩帽/底座，below ground level地平面下）

图2.联锁键系统

（Mortar砂浆，Steel Pipe钢管，D=165.2 t=11mm，Shop Welding工厂焊接）

结构系统

永久性钢管桩围堰基础独一无二的桥梁基础系统，由钢管桩构成，排列构成封闭截面（图1）。桥梁墩台施工期间，桩的作用是充当围堰，相比于其他基础具有特定优势，特别是在软地层条件下进行施工，因为人们可以轻松安装这些桩。下部结构建造完成后，在桥梁墩台底部平面切断围堰桩，这样不会阻断水流。采用连锁键系统，将各管桩同其周围连接起来，联锁系统通常由填充灰泥的较小钢管组成（图2）。同主要管桩成分相比，这一灌浆关键链接硬度较弱。当外力施加在基础上时，可能会发生一定的剪切形变，这意味着该截面可能不会保持在一个平面上。因此，简单工程梁理论并不适合基础的分析（参见本文以下部分）。

需要注意的是，连锁键连接采用工厂焊接，这样可精确安装桩。这种情况下，可使用基础构造各种类型的封闭截面（图3）。墩台桩和底座一般通过螺纹钢焊接到钢桩上，确保基础和上述墩台结构之间具有刚性连接。这样的结果是，同底座相邻的桩部分会受到弯矩的影响。桩的相应部分通常会填充混凝土，从而防止局部弯曲（图4）。

图3. 永久性钢管桩围堰基础横截面的可能形状

（Circle圆形，Rectangle长方形，Oval椭圆形）

图4.管内填充混凝土

（Infilling Concrete填充混凝土，Footing底座，Base Concrete基础混凝土）

图5.管状钢桩导引结构

图6.采用液压锤安装管桩

图7.采用旋挖钻孔技术进行安装

永久性围堰基础建造

第一步，安装导引结构

围堰基础部分各桩必须进行准确安装，因为桩组需要形成封闭截面。为了确保必要的精度，通常在安装主要桩前，都会建立导引结构。图5介绍了导引结构，由两个平行的T形截面构件组成，其下采用H型钢桩进行支撑。根据两个平行构件之间的间隙设置主要桩的位置，一般比桩直径宽20-30毫米，允许进行相应校准。

第二步，安装管桩

借助于导引结构，采用振动或液压桩锤，实现管状钢桩安装的较高精度（图6）。换句话说，为了避免噪音和振动问题，可采用旋挖钻孔技术（图7），在接近现场位置具有灵敏接收器。采用这种技术时，可借助钻孔螺丝移除管桩内的泥土。尽管在声音方面具有优势，但这种方法不可避免地松动桩末端和地面之间的连接，这需要对桩承压强度的损失进行补偿。在大多数情况下，从桩末端将水泥砂浆灌入地面，并同周围土壤混合，从而形成大量加固地面。

需要设置较深基础时，应该一部分接一部分安装钢桩。一般采用现场对头焊接，连接各桩部分。强烈建议相邻桩的焊缝进行垂直偏移，从而确保基础的结构完整性。

图8.联锁键连接器内浇筑砂浆

图9.钢管内浇筑混凝土

图10.水下开挖

（Pontoon浮桥，Bucket铲斗）

图11.水下混凝土基础建造

(Concrete Plant Ship混凝土设备船,Concrete Base混凝土基础)

第三步，联锁键内砂浆浇筑

桩安装结束后，移除联锁键连接器内的泥土；一般采用气压泵水冲法，以便使砂浆浇筑在里面（图8）。砂浆可提高键连接的硬度和强度，并密封连接器之间存在的缝隙，后者能让一系列桩起到围堰的作用。通常将钢板安装在用作围堰的部分，从而避免渗漏到外部环境中。

第四步，桩内浇筑混凝土

如前所述，同桥梁墩台底座相连的桩部分，需要在这一步填充混凝土，从而防止局部弯曲（图9）。采用气压泵、泥沙泵或冲击式抓斗等设备，在底座水平以下去除桩内的泥土。去除泥土后，将混凝土浇筑进桩的相应部分。

第五步，水下开挖

对内部区域中被钢桩包围的泥土进行开挖，以便建造底座。通常在水下采用蛤壳形斗对泥土进行挖掘（图10）。水下开挖优于干开挖，因为作用于围堰内表面的水压，能降低施加到桩上的外部压力增加。

第六步，安装混凝土地基和排水装置

开挖后，采用混凝土地基覆盖被挖地面表面。这一地基必不可少，可有效阻止水流进入围堰。安装该地基也有很多好处，比如边缘可阻止水土压力造成围堰变形。地基混凝土在水下进行浇筑（图11）。如地面非常软，在安装混凝土地基前，需要放置砂砾石。需要注意的是，这一地基通常不是用来承担永久性结构的垂直作用力。设计一般假定，管桩端轴承和表面摩擦承担垂直作用力。

地基混凝土建造完成后，需要将水从围堰中抽出。排水过程期间，增加安装支腰梁，从而抵制外部横向作用力。需要注意的是，地基混凝土也充当支腰梁的作用。设计准则给出了最小地基厚度的经验公式，以便确保其完整性。

设计必须确保围堰墙可承载水位变化产生的横向负载，而地基必须足以克服地下水流产生的上托力。将高压水通过渗水孔排出围堰外，可减少浮托压力。还需注意的是，适用条件设计时，需要考虑施工期间地基产生的残余应力。

图12.焊接钢连接器组件

图13.桥梁墩台和底座建造

(Concrete Plant Ship混凝土设备船,Waling支腰梁,Pier & Footing墩台和底座)

图14.等离子切割机

第七步，底座和墩台建造

抽完水后，将钢连接器构件焊接到钢桩表面，以便确保桩和底座之间的刚性连接（图12）。需要注意的是，必须首先去除钢桩表面粘附的锈迹和泥土，一般采用水冲法进行作业。同时，采用燃气喷嘴加热钢材表面，以便去除水分。

安装完连接器构件后，就可以轻松建造主要底部结构部分。图13介绍了桥梁墩台的建造过程。如图所示，无需建造额外装置来防止水流进入，因为钢桩充当围堰作用。相比于其他桩结构基础，这是该基础系统的主要优势，能够减少施工费用和时间。

第八步，切断管桩

建造完桥梁墩台后，一般采用盘形滚刀或等离子切割机，切断底座水平上的桩围堰部分。采用盘式滚刀时，一般需要在切割位置对桩进行预切割，这能加速移除桩剩余部分。但是，采用等离子切割机时，可省略这一预切割步骤（图14），因此这是优先考虑的切割方法。桩切割是施工过程的必要组成部分；否则，围堰会继续堵塞河道。

分析方法

本文前面部分简要介绍了永久性围堰基础。显然，该系统不同于其他传统基础，即一系列桩构成封闭截面。由于钢桩通过较为静止的联锁键系统结构组件进行连接，因此基础部分在横向作用力施加情况下，不会停留在原先相同平面。因此，直接采用工程梁理论不足以分析永久性围堰基础，我们需要进行更精密的分析。这里介绍了两种针对设计的实用分析方法（简化的方法和较复杂的方法）。

图15.分析模型

Ground Level地平面

简化的方法：弹性基础梁模型

这种方法主要依据弹性基础梁理论，仅对其进行些许修改。当联锁键连接产生的剪切形变相对较小时，才可使用这种方法，比如基础的深度和宽度比大于1。

控制方程

分别设定横向土体弹簧刚度KH1（kN/m/m2）和垂直坐标及横向位移为y（m）和u0（m）（图15），得到以下方程：

其中，B和Es是基础宽度和杨氏模量，Iz表示整个基础区域的横截面二阶矩量，由以下方程得到：

其中：

Aoi和I0i为各桩的横截面面积和二阶矩量，下标i为表示桩数的整数。xi是到整个横截面中性轴的距离，μ是复合有效系数，表示联锁键连接局部变形造成的整个横截面有效刚度的降低。日本公路桥梁基础标准根据诸多实验结果，给出的μ建议值为0.75。

垂直反作用力

设基础底部的垂直作用力和弯矩为V0和MB，可由以下方程计算各桩的反作用力：

其中：

n是桩总数量。

最大工作应力

由于横截面为部分合成，整个横截面的张力为作用于整个横截面的全局张力以及作用于各个桩弯矩产生的局部张力之和。

图16.基于弯矩的永久性围堰基础张力分布情况

Global Strain Distribution全局张力分布

Local Strain Distribution局部张力分布

Total Strain Distribution总张力分布

图16简要介绍了这些全局和局部张力构件的分布情况。设计过程中，通常采用全局和局部弯矩比η来计算桩应力。可由以下方程得到η值：

其中：

Mη和Mi分别是整个横截面的全局弯矩以及各桩的局部弯矩。很多试验结果表明，η值一般在0.96和0.97之间。

有研究表明，如桩截面长度L和整个截面宽度D之比接近1，基础性能就接近于一组桩的性能，例如各桩单独作用时，η值下降到0.93。表1给出了依据日本公路桥梁基础标准以及一系列试验结果的设计建议值。

根据比率η，我们可根据以下公式近似计算基础最大应力：

其中：

Z0是各钢桩截面模量。

表1：全局和局部弯矩之比建议值

还需注意的是，应该在服务阶段考虑施工过程中产生的应力作为残余应力。因此，需要进行序列分析，以便计算钢桩的最大应力。

考虑联锁键连接的弹簧刚度，可得到更完美的控制方程，我们可以进行更精确的分析。当整个基础截面宽度大于深度，或需要考虑较大横向力水平（例如地震力），这种高级方法就非常有用。这种情况下，桩之间的剪切滞后非常大，例如各桩倾向于单独作业，其中符合效力μ就不够了。这种方法的详细情况参见JRA设计指南。

更复杂的方法：框架模型

我们还可采用框架分析程序来分析永久性围堰基础。这种方法中，一般采用梁单元对钢桩进行建模，需要用到三个平移弹簧元件。这时，可以对钢桩之间的剪切滞后进行精确建模，可使分析更加精确。联锁键连接的弹簧刚度和抗剪强度推荐值如表2所示。根据针对连接进行的试验结果，确定这些值。虽然简化的方法仅限于线性分析，我们仍可对材料中的非线性进行非线性分析。需要进行精密分析时，常常会采用这种方法，例如地震/塑性设计。

表2：联锁键连接的弹簧刚度和抗剪强度推荐值

岩土设计

日本公路和铁路桥梁标准中详细介绍了设计中的岩土内容（比如设计承压强度和允许位移）。因为岩土设计同标准钢管桩基础差别不大，所以本文略去不述。

图17. Awa Shirasagi Ohashi桥

图18.图示地层概况和典型标准贯入阻力（N）值

(Made Ground填筑地,Sandy Silt砂质粉土,Silt粉土，Sand砂，Gravel砂砾)

图19.拟议基础的典型横截面

（In situ Concrete现场混凝土，Precast PC Panel预制混凝土板(t=150mm)，Steel Tubular Pile钢管桩(D=1200mm)）

图20.拟议桥墩台和基础

（Moment Connection刚性连接，Pile Cap桩帽，PC panel预制混凝土板《Steel Tubular Piles钢管桩）

永久性钢管桩围堰基础：设计实例概念

日本德岛最近新建Awa Shirasagi Ohashi桥，其中包括一些新颖的结构系统（图17）。由于预算有限，成本效益是本项目需要考虑的主要问题之一。

桥梁建在吉野川河形成的非常松散的冲积层上。图18介绍了现场典型地层以及标准贯入试验结果。如图所示，水平面-30m以上的标准贯入阻力（N）一般远低于10。

在这种恶劣的地面情况下，基础成本可占到总成本的50%以上。因此很有必要降低基础费用。同其他基础类型相比，永久性围堰基础具有较大优势，特别是在软土条件下，因为能够更轻松安装这些桩。因此，顶级设计师都会优先采用这种基础类型。

为了进一步提高这种基础系统的竞争力，人们设计了更细长形式的永久性钢管桩围堰（图19和20）。这种狭长横截面能让桩帽放置在河床上，基本上不会阻碍水势（日本标准规定河流结构宽度限于河流总宽的5%）。通过将桩帽放置在这一水平，可最大限度减少排水和开挖作业（图21）。这种优势是降低总施工费用的主要措施之一。需要注意的是，建造水位下桩帽时，通常需要进行大面积的排水和开挖作业。

图21.基础浇筑混凝土

（Concrete Plant Ship混凝土设备船，Plug Concrete混凝土洞塞，PC panel预制混凝土板）

图22.纵向横向负载情况下典型弯矩分布

Rigid Connection刚性连接

图22a.拟议基础系统

图22b.传统河流桥梁基础系统

显而易见，所给出的窄截面不具备足够结构性能来承载地震引起的潜在纵向和水平负载，特别是在这种极端软土情况下。为了提高结构的抗震性能，采用刚性夹芯板，将结构设计成集剖面，可提高上层结构刚度，并且将底部结构刚性连接至这一刚性上层结构。这产生五跨连续框架结构，各跨度长为70米。由于这两种结构组件之间的刚度存在差异，出现纵向地震荷载时，会将大部分作用力分配给刚性上层结构。随后，这可减少灵活基础上的作用力（图22a）。采用弹性支撑和刚性永久性钢管桩围堰基础，可使最大弯矩程度显著低于普通河流桥梁（图22b）。这种规模桥梁的地震橡胶支座在日本非常昂贵，通常占据总上层结构成本的5%。因此，所提出的框架系统可显著节约成本。

这种基本结构原则能实现拟议成本效益基础设计。需要注意的是，人们一般认为软地面是结构的缺陷，但在这种情况下却能被充分利用。

图23.内桩和联锁键连接

（Internal Piles内桩，Steel Pipe钢管，High Strength Interlocking Key Connection高强度联锁键连接，Standard Interlocking Key Connection标准联锁键连接）

图24.高强度联锁键连接

Steel Pipe钢管

(internal surface deformed)（内表面变形）

Mortar砂浆

Rib Plate刚性板

结构细节

抗剪设计

主要问题是这种基础的纵向抗剪性能，这是因为这截面非常细小。虽然通过刚性连接，可以减少地震力造成的弯矩绝对值，但这不会减少各基础需支撑的剪切力。为了提高抗剪强度，采用内部桩加强基础两个端面之间的连接（图23）。幸运的是，由于基础较细，这并没有显著增加桩的数量；事实上，仅需一个桩连接各端面。

设计开发阶段，人们担心剪切力会导致前/后和内桩之间的滑移。该滑移会降低截面的完整性，从而降低复合有效系数μ。为了计算这一系数，我们需要用到联锁键系统的改进形似（图24）。这一系统中，可通过提高连接管和填充砂浆之间的粘结强度来实现较高抗剪强度，主要包含以下技术方面：

高强度填充砂浆（60N/mm2）

将连接管直径从165.2mm增加至267.4mm

连接管内表面变形（图25）

图25.连接管内表面

图26.钢管桩附近混凝土层详情

Stud钉

Concrete混凝土

Inter-locking Key between Steel Pipe and PC Panel钢管和预制混凝土板之间联锁键

T Section T-型横截面

(temporary only during concreting)（仅在混凝土浇筑期间存在）

PC Panel预制混凝土板

根据物理试验结果，我们发现高强度连接器的设计抗剪强度应设定为2.0MMm-1，这显著高于传统连接器的抗剪强度（通常为0.25- 0.35MNm-1）。

防腐蚀

本系统中，由于钢桩上部分暴露在外部环境，因此可靠的防腐蚀措施非常重要。作为主要防腐蚀措施，我们采用预制混凝土（PC）板覆盖在桩的外表面。预制混凝土板和桩之间的间隙用现场混凝土填充。较大地震仍会使钢管和混凝土有分层的潜在风险。如图26所示，将剪力钉焊接到钢管外表面，以阻止滑动。作为额外预防措施，同时在桩相应部位进行防腐蚀涂层。

结论

本文简要介绍了永久性围堰基础以及一个最新设计实例。虽然这项技术早已存在，但仍需对其进行进一步完善（参见Awa Shirasagi Ohashi桥实例）。显而易见的是，这项技术在水下基础施工中具有诸多优势。本文作者相信这项技术能为设计工程师提供极具竞争力的基础解决方案。

致谢

本文作者非常感谢Peter Rutty（莫特麦克唐纳咨询公司基础和岩土力学部项目主管）提出的建议和给予的鼓励。我们还感谢Brian Stewart（莫特麦克唐纳咨询公司特别服务部技术主管）和Bernard Waterworth博士（莫特麦克唐纳咨询公司顾问）对本文提出的建设性意见以及帮助润色英语部分。

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