近海海域组合钢管桩围堰抗波浪技术

近海海域组合钢管桩围堰抗波浪技术

张国宾

张国宾

（中国铁建十六局集团有限公司唐山064000）

摘要：本文结合工程实际，介绍在复杂海域环境受大风、大浪及暗流的影响下，三角型组合钢管桩围堰抗波浪冲击技术的应用，三角型组合钢管桩抗弯刚度大，受波浪冲击作用的面积小，有缓冲和消减波浪冲击能量的作用，大大改善了钢管桩围堰在波浪冲击作用下的受力和变形特性，避免了波浪冲击造成钢管桩失稳破坏。

关键词：钢围堰；组合钢管桩；抗波浪

1.前言

以唐山LNG海水取排水项目为例，项目取水头与沉管的连接以及沉管与顶管的连接均采用哈夫水下连接，受海水暗流影响作业难度大，故需要做围堰提供稳定的水下施工环境。浅海海域围堰施工受其独特的海洋气象条件和水文地质条件影响较大，需要充分考虑海浪对围堰的冲击作用。施工难点及关键技术问题

（1）海底地基承载力低、地质情况复杂，优化设计围堰钢管桩桩长和直径，使既要满足围堰的抗波浪冲击稳定性要求，同时考虑合理的经济性。

（2）在海浪冲击的不良工况下进行钢管桩插打作业，要保证钢管桩的定位、角度和垂直度准确。

（3）由海水涨落、波浪冲击和水位变化引起的荷载变化，可能引起钢管桩底土体的流失和钢管桩的往复震动，通过技术措施减小海水作用对围堰影响，保证取水头施工有稳定的作业环境。

2.近海海域组合钢管桩围堰抗波浪技术

2.1近海钢管桩围堰抗波浪冲击施工技术原理海洋对水中的建筑产生的直接作用可以分为两部分:潮汐的作用和波浪的作用，其中波浪的冲击作用占主要地位。研究围堰和支护结构在波浪冲击作用下的受力和变形特性，了解其可能发生破坏的部位和原因，破坏造成的危害，从而对潜在的危险进行预防和控制，保证工程安全，同时给同类型工程的设计和建设提供借鉴。为抵御波浪的冲击作用，主迎风浪面钢管桩采用两个内部钢管桩加一个外部加固支护钢管桩三个成为一组，构成组合钢管桩。

2.1.1单排桩抗弯刚度计算

2.2近海钢管桩围堰受力计算分析

2.2.1围堰设计参数取值

（1）围堰参数

①围堰外轮廓尺寸：28.93m(长)×28.96m(宽)×30m(高)，围堰形式采用Φ630×10mm钢管桩，锁口为Φ168×8mm和I20a型工字钢组合形式，钢管桩设计每根长度30m。围堰结构单元宽度：管桩直径+锁口宽度(0.63+0.284)m；

②围堰底高程-24.0m，围堰顶高程+6.0m，开挖基坑底高程-17.0m，河床底高程-7.0m。

③钢围堰最大抽水水位+2.91m。

④围堰采用单层内支撑系统，其标高分别为2.5m。

⑤进水口处预留

3.2m宽度，采用钢板桩进行施工。

（2）设计水位

鉴于钢围堰施工周期长，施工期间影响因素多，为保证结构有足够的安全度，计算时设计水位按+3.0m取值。

（3）主要系数取值

依照《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》，临时工程Q235B钢材的容许应力取值：弯应力及综合应力190Mpa×1.3=247Mpa；剪应力110Mpa×1.3=143Mpa。

2.2.2围堰计算参数取值

根据地质资料可知，施工区域土层主要为粉质粘土，容重γ=19.4KN/m3，内摩擦角Φ=20°，粘聚力16.5Kpa，则主动土压力系数：)

结构内力与变形、支点力计算根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）采用通用有限元分析软件MIDASCIVIL对结构内力和变形进行计算。

2.3有限元建模

为保证施工安全，取最不利工况进行数值模拟计算，及围堰内抽水至坑底，完全由四层内支撑平衡水土压力，保证围堰稳定。

（1）单元选择：围檩、钢管桩（忽略锁扣的刚度）和内支撑均采用梁单元模拟。

（2）边界条件：基坑底采用素混凝土封底，假定为平面内位移约束，即约束Dx、Dy。桩底节点因素混凝土封底，可假定为固定，即六个自由度全部约束。

（3）荷载：作用于桩身上的外荷载为基坑外侧水压力+主动土压力。

2.3.1计算结果

（1）钢管桩桩身变形、应力由软件计算结果可知，桩身最大变形（水平位移）为△max=14.401㎜，最大组合应力σmax=97.20MPa。满足设计和施工要求。

（2）围檩变形及应力情况由软件计算结果可知，，围檩最大变形（水平位移）为△max=13.75㎜，出现在第三层围檩之间，最大组合应力σmax=183.95MPa。能满足设计和施工要求。

（3）内支撑的应力及变形由软件计算结果可知，内支撑最大变形（挠度位移）为△max=13.44㎜，最大组合应力σmax=200.33Mpa，能满足设计和施工要求。

2.3.2围堰抗波浪冲击计算理论的提出

锁口钢管桩围堰不仅受水土压力的静荷载作用，在波浪冲击的动态荷载作用下，还会产生复杂的动力响应。围堰的抗波浪冲击动力计算意义重大，但国内外在此方面鲜有研究，没有可靠的数据作为波浪荷载大小及形式确定的参考，故需要长期的监测统计数据支持，待进一步研究。

2.4近海钢管桩围堰抗波浪冲击关键技术

（1）采用组合钢管桩成桩方式

为了更加有效地抵抗波浪冲击，主迎风浪面钢管桩采用两个内部钢管桩加一个外部加固支护钢管桩三个成为一组，构成组合钢管桩，使支护结构刚度变大。

（2）为保证波浪冲击作用下钢管桩围堰能顺利合拢，钢管桩插打过程中，开始插打的钢管桩可以一次插打至设计标高,最后一面应先插好钢管桩,当钢管桩全部合拢后,再由合拢处逐次将钢管桩插打至设计标高，由于各种原因导致钢管桩最后无法合拢时，根据实际情况制作异型钢管桩进行合拢。

3.总结

（1）近海围堰施工工况下围堰不仅受水土压力的静荷载作用，在波浪冲击的动态荷载作用下，还会产生复杂的动力响应，围堰的抗波浪冲击动力分析意义重大。通过研究围堰和支护结构在波浪冲击作用下的受力和变形特性，了解其可能发生破坏的部位和原因、破坏造成的危害，从而对潜在的危险进行预防和控制，保证工程安全。

（2）本项目提出的组合钢管桩较单排钢管桩刚度有很大提高，能有效抵御波浪冲击作用，提高围堰整体稳定性，该技术创新为近海松散沉积土层围堰工程抗波浪冲击技术开辟了一条新路，同时也为深基坑开挖支护提供了一种新的方法，可为今后类似工程提供借鉴。