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摘要：水下封底混凝土在整个围堰结构中起到抗水浮力及结构支撑作用。通过查阅大量关于水下封底混凝土的设计有关标准、规程，其封底混凝土厚度设计的核心指标就是封底混凝土与钢护筒之间握裹力强度（kPa），其取值范围80～120kPa，本人在官渡黄河大桥围堰设计过程中，针对钢板桩围堰结构特点进行了分析，最终取握裹力强度值150kPa，虽然超过标准规程数据值，但能够有效保证围堰安全稳定性，且大幅提高封底混凝土设计的经济性。
关键词：深水；软弱河床；钢板桩围堰；封底混凝土；握裹力强度
1.前言
水的浮力作用，是深水围堰工程的重要荷载之一，为了使围堰具有抗水浮力稳定性，且保证施工所需的空间，设计会采用水下封底混凝土。对于钢板桩围堰而言，水下封底混凝土设计主要参数有水深、围堰深度（相对于水面）、围堰平面净面积（扣除钢护筒）、封底混凝土设计强度、封底混凝土与钢护筒之间握裹力强度等5个重要参数。本文在国道107改线官渡黄河特大桥124#墩钢板桩围堰设计过程中，研究和分析钢板桩围堰结构特点与浮力的关系，发现对于钢板桩围堰来说，水下封底混凝土与钢护筒的握裹力设计取值可以提高到150kPa。下面是案例项目工程概况：
国道107改线官渡黄河特大桥工程位于新乡市、郑州市境内。黄河特大桥全长7377m，桥跨布置为：5×（4×30m）+（25m+125m+75m）+3×（4× 40m）+（5×40m）+（3×50m）+3×（4× 40m）+2×（5×40m）+9×（4×50m）+2×（3×50m）+3×（75m+5×125m+75m）+3×（4×30）。主桥下部结构：主墩采用矩形空心墩，承台加钻孔灌注桩群桩基础；引桥下部结构采用柱式墩、肋板台钻孔灌注桩基础。
其中124#墩位于黄河主河道，为水中承台，采用钢板桩围堰施工。124#墩承台结构尺寸为1890cm×1760cm×450cm，承台底标高71.4m，设计水位84.5m，设计水深13.1m。围堰范围内土层主要以粉砂土为主，其水下粘聚力10kPa，内摩擦角20°，设计2.5m厚C25水下封底混凝土。根据黄河水流特点，其表层河床处于反复冲淤状态，因此其准确的渗透系数难以确定。选用拉森SP-Ⅳ型钢板桩，围堰结构图见下图1.0.1。
图1.0.1围堰平面图
2.现有标准的规定
根据中国交通建设股份有限公司企业标准《水上钢板（管）板桩围堰技术规程》（Q/CCCC ZH002-2016）中第4.3.19条中的规定如下（以下为原文摘录）：
条文说明：
围堰封底混凝土厚度计算公式是根据最不利工况下封底混凝土受力平衡条件推算得出。从偏于安全的角度考虑，该计算未考虑钢板桩围堰结构自重，未考虑围堰与土体、围堰与封底混凝土之间的摩阻力。
封底混凝土与桩基础钢护筒之间的摩阻力标准值是经验取值，其它可根据实际施工条件选取。
3.根据企业标准进行封底混凝土厚度计算
官渡黄河大桥124#墩采用水下浇筑封底混凝土工艺，封底混凝土最不利工况，即疏干围堰内的水时。封底混凝土总体受力计算如下：
设封底混凝土厚度为h，围堰内外水位差为Δh为13.1m，围堰净面积A=710m2，共有钻孔灌注桩28根，桩基护筒直径2.2m。根据资料调查显示，封底混凝土与钢护筒之间的握裹力 取值范围80～120kPa，本方案取120kPa。具体计算如下：
4.钢板桩围堰浮力特点分析
图4.1：钢板桩围堰封底混凝土浮力示意
通过式（4.2.1）～（4.2.3）计算得水流渗透后对底板压力为3.17kN。
（2）通过（1）中的计算围堰外围水经过土体渗流后对底板的压力仅有3.17kN，而按标准中对围堰浮力计算值为112890kN，显然两者存在天壤之别。那么究竟选择哪个计算为准，截止目前尚无相关标准和规范对此作出明确说明。本章（1）里面的计算的假设条件：①河床土层假定为均质砂层，这与实际情况是不符的，首先在钢板桩围堰施工前，围堰内的桩基施工或多或少改变了土层的均质性，其次黄河下游河床是不断变化的淤积层，土层参数本身就有较强的不确定性；②钢板桩围堰本身具有止水性能，而实际钢板桩围堰施工中发现，根据施工条件会在局部存在不同程度的渗漏，只要渗漏存在，就改变外围水压的渗漏通道，计算就不会准确，所以综上所述不能盲目采用，但可以参考的是钢板桩围堰的底板浮力不是纯粹的静水浮力，而是水经过渗透后对围堰底板的压力，其显然要比套箱类围堰的浮力计算值小很多。
5.对比理论分析和专家经验综合确定合理参数
如果采用本文4中的计算结果，进行封底混凝土厚度设计，风险很大，但是理论分析表明钢板桩围堰不是纯粹受静水浮力作用，而其所受浮力远远小于内外水头差的浮力。查看类似工程资料，确实存在很多钢板桩围堰出现封底失败，导致涌水、涌砂事故发生的事实。从结构安全的角度出发，钢板桩围堰水下封底混凝土厚度按纯静水压力作为浮力计算值时，围堰的抗浮安全是一定能够得到保证的。那么决定封底混凝土厚度设计的又一核心指标就是封底混凝土与钢护筒之间的握裹力取值。对于封底混凝土与钢护筒之间的握裹力强度取值，很多单位、项目做过类似的研究，其取值范围80、90、100、120、150、180、240kPa，特别是苏通大桥关于C30封底混凝土与钢护筒之间的握裹力研究结果取值370kPa。中铁大桥局结构所也专门做了类似研究，经其研究和多项目实践经验，水下封底混凝土与钢护筒之间的握裹力强度取值150kPa是安全可靠的。
通过上文大篇幅的分析可知钢板桩围堰浮力特点，我们选择150kPa作为水下封底混凝土与钢护筒之间的握裹力参数，即安全可靠，又能相比之前设计更加经济。
6.再次对钢板桩围堰水下封底混凝土进行设计
官渡黄河大桥124#墩采用C25水下浇筑封底混凝土工艺，封底混凝土最不利工况，即疏干围堰内的水时。
设封底混凝土厚度为h，围堰内外水位差为Δh为13.1m，围堰净面积A=710m2，共有钻孔灌注桩28根，桩基护筒直径2.2m。根据资料调查显示，封底混凝土与钢护筒之间的握裹力
取150kPa。具体计算如下：
根据标准封底混凝土在计算的基础上增加200mm厚度为设计值，即封底混凝土厚度为2.6m。
相比与第一次以120kPa为参数的设计值3.0m，减少混凝土厚度0.4m，减少水下封底混凝土0.4×710=284m3，按1500元/m3水下封底混凝土的造价（包含水下开挖或者吸泥费用）计算，节约成本42.6万元。
7.总结
软弱河床深水钢板桩围堰结构具有一定的止水性能，在对其进行水下封底混凝土设计时，可以考虑其关键荷载浮力并非内外水头差与水重度的乘积，而是围堰外围水通过河床土层渗透作用后，对封底混凝土底板的压力，根据结构分析可知，其值远小于内外水头差与水重度的乘积。截止目前尚无针对钢板桩围堰结构浮力计算标准和相关研究，因此在此方面仍有很大的研究空间。另外对于不稳定河床（反复冲淤积河床），其准确力学参数难以确定，应用专家法、类比法等方法确定水下封底混凝土厚度设计参数是可行的，所以在官渡黄河大桥124#墩钢板桩围堰设计过程中，取C25水下封底混凝土与钢护筒之间握裹力强度150kPa，即保证结构安全，又实现技术经济。
参考文献：
[1] 建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012 中华人民共和国住房城乡建设部，2012.10；
[2] 水上钢板（管）板桩围堰技术规程 Q/CCCC ZH002-2016，中国交通建设股份有限公司企业标准；
[3] 《苏通大桥承台封底混凝土与钢护筒握裹力试验研究与应用》，杨红等，公路2008年10月；
论文作者:郑定刚,郭柯心
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/26
标签：围堰论文; 封底论文; 混凝土论文; 钢板论文; 浮力论文; 水下论文; 黄河论文; 《基层建设》2019年第5期论文;