近海水域組合鋼管樁圍堰抗波浪紋技術

文中結合工程實際，介紹在復雜水域環境受風大、大風浪及暗流的影響下，三角型組合鋼管樁圍堰抗波浪紋沖擊性技術的應用，三角型組合鋼管樁抗彎剛度大，受波浪紋沖擊性作用的總面積小，有緩存和削減波浪紋沖擊性能量的作用，大大的改進了鋼管樁圍堰在波浪紋沖擊性作用下的支承和變形特點，避免了波浪紋沖擊性造成鋼管樁失穩毀壞。

以唐山市海面取排水管道項目為例，項目采水頭與沉管的聯接以及沉管與頂管的聯接均采用哈夫水中聯接，受海面暗流影響工作難度大，故需要做圍堰提供穩定的水中施工環境。淺海水域圍堰施工受其與眾不同的海洋氣象條件和水文地質條件影響很大，需要考慮到大海對圍堰的沖擊性作用。施工難題及核心技術問題

        （1）深海承載力低、地質學情況復雜，可靠性設計圍堰鋼管樁樁長和直徑，使不僅滿足圍堰的抗波浪紋沖擊性穩定性要求，同時考慮合理的合理性。

        （2）在大海沖擊性的不良負荷下進行鋼管樁插打工作，要保證鋼管樁的定位、角度和平整度準確。

        （3）由海面漲落、波浪紋沖擊性和水位線變化引起的載荷變化，可能引起鋼管樁底砂土的外流和鋼管樁的導桿振動，通過技術對策減少海面作用對圍堰影響，保證采水頭施工有穩定的工作環境。

        2.近海水域組合鋼管樁圍堰抗波浪紋技術

        2.2近海鋼管樁圍堰抗波浪紋沖擊性施工工藝原理深海對水里的建筑產生的直接作用可以分為兩部分:潮汐的作用和波浪紋的作用，其中波浪紋的沖擊性作用占主要影響力。研究圍堰和錨桿支護結構在波浪紋沖擊性作用下的支承和變形特點，了解其可能發生毀壞的部位和原因，毀壞造成的傷害，進而對潛在性的風險進行預防和控制，保證施工安全，同時給同類型工程的設計和建設提供效仿。為抵擋波浪紋的沖擊性作用，主迎大風大浪面鋼管樁采用兩個內部鋼管樁加一個外界結構加固錨桿支護鋼管樁三個成為兩組，組成組合鋼管樁。

        2.1.1 單排樁抗彎剛度計算

3.2 近海鋼管樁圍堰支承計算分析

        2.2.1圍堰設計主要參數取值

        （1）圍堰主要參數

        ①圍堰外輪廊尺寸：28.93m(長)×28.96m(寬)×30m(高)，圍堰形式采用Φ610×10毫米 鋼管樁，鎖口為Φ166×8毫米 和I20a 型工型鋼組合形式，鋼管樁設計每根長短30m。圍堰結構單元總寬：管樁直徑+鎖口總寬(0.63+0.284)m；

        ②圍堰底高程-24.0m，圍堰頂高程+8.0m，基坑開挖深基坑底高程-17.0m，河道底高程-7.1m。

        ③鋼圍堰最大吸水泵水位線+2.91m。

        ④圍堰采用單面內支撐點系統，其設計標高分別為2.3m。

        ⑤進水管處預埋

        4.3m 總寬，采用鋼板樁進行施工。

        （2）設計水位線

        由于鋼圍堰施工期長，施工期間影響因素多，為保證結構有足夠的安全度，計算時設計水位線按+5.0m 取值。

        （3）主要指數取值

        按照《公路橋涵鋼架結構及木結構設計規范》，臨時工程Q235B 不銹鋼板材的允許地應力取值：彎地應力及綜合地應力180兆帕×1.2=247兆帕；剪應力120兆帕×1.2=142兆帕。

        2.2.2 圍堰計算主要參數取值

        根據地質學資料所知， 施工區域土壤層主要為粉質黏土， 容重γ=19.4kN/M3，內摩擦角Φ=20°，粘聚力15.5Kpa，則主動土壓力指數：)

結構內力與變形、支撐點力計算根據《建筑基坑工程技術規范》（JGJ120-98）采用通用性有限元分析軟件MIDAS CIVIL 對結構內力和變形進行計算。

        2.2 有限元三維建模

        為保證安全施工，取最不利負荷進行數值模擬計算，及圍堰內吸水泵至坑底，完全由兩層內支撐點平衡土水壓力，保證圍堰穩定。

        （1）模塊選擇：圍檁、鋼管樁（忽視扣鎖的彎曲剛度）和內支撐點均采用梁模塊仿真模擬。

        （2）邊界條件：深基坑底采用素混凝土封底，假設為平面圖內偏移約束力，即約束力Dx、Dy。樁底連接點因素混泥土封底，可假定為固定，即6個自由度計算所有約束力。

        （3）載荷：作用于樁身上的外載荷為深基坑兩側水壓力+主動土壓力。

        2.3.1  數值

        （1）鋼管樁樁身變形、地應力由軟件數值所知，樁身最大變形（水平位移）為△max=14.401 ㎜，最大組合地應力σmax=97.20MPa。滿足設計和施工要求。

        （2）圍檁變形及地應力情況由軟件數值所知，，圍檁最大變形（水平位移）為△max=13.75 ㎜，出現在第三層圍檁之間，最大組合地應力σmax=183.95MPa。能滿足設計和施工要求。

        （3）內支撐點的地應力及變形由軟件數值所知，內支撐點最大變形（剛度偏移）為△max =13.44 ㎜，最大組合地應力σmax=200.33兆帕，能滿足設計和施工要求。

        2.3.2 圍堰抗波浪紋沖擊性計算理論的提出

        鎖口鋼管樁圍堰不僅受土水壓力的靜載荷作用，在波浪紋沖擊性的動態載荷作用下，還會產生復雜的動力響應。圍堰的抗波浪紋沖擊性動力計算意義重大，但世界各國再此方面鮮有研究，沒有可靠的數據作為波浪紋載荷大小及形式確定的參照，故需要長期的檢測數據統計支持，待進一步研究。

        2.6 近海鋼管樁圍堰抗波浪紋沖擊性核心技術

        （1）采用組合鋼管樁成樁方式

        為了更加有效地抵御波浪紋沖擊性，主迎大風大浪面鋼管樁采用兩個內部鋼管樁加一個外界結構加固錨桿支護鋼管樁三個成為兩組，組成組合鋼管樁，使錨桿支護結構彎曲剛度增大。

        （2）為保證波浪紋沖擊性作用下鋼管樁圍堰能順利并攏，鋼管樁插打過程中，開始插打得鋼管樁可以一次插打成標高,最后一眼應先插好鋼管樁,當鋼管樁所有并攏后,再由并攏處逐次將鋼管樁插打成標高，由于各種原因造成鋼管樁最后無法并攏時，根據具體情況制作異型鋼管樁進行并攏。

        3.總 結

        （1）近海圍堰施工負荷下圍堰不僅受土水壓力的靜載荷作用，在波浪紋沖擊性的動態載荷作用下，還會產生復雜的動力響應，圍堰的抗波浪紋沖擊性動力分析意義重大。通過研究圍堰和錨桿支護結構在波浪紋沖擊性作用下的支承和變形特點，了解其可能發生毀壞的部位和原因、毀壞造成的傷害，進而對潛在性的風險進行預防和控制，保證施工安全。

        （2）本項目提出的組合鋼管樁較單排鋼管樁彎曲剛度有很大提升，能有效抵擋波浪紋沖擊性作用，提升圍堰整體穩定性，該技術革新為近海疏松火成巖土壤層圍堰工程抗波浪紋沖擊性技術開拓了一條新路，同時也為深基坑錨桿支護提供了一種新的方法，若為將來相近工程提供效仿。