超长冷弯钢板桩的沉桩理论分析与工程实践

常绍杰，王明磊，沈燕来

（1.中交一航局第四工程有限公司，天津 300456；2.中海油海西宁德工业区开发有限公司，福建 宁德 352100）

冷弯钢板桩采用较薄的板材（常用厚度为8～14mm），以冷弯成型机组加工而成，可根据工程实际情况，选取最经济、合理的截面，实现工程设计上的最优化，比同性能热轧钢板桩节省材料10%～15%，极大地降低了施工成本。但受冷弯加工设备能力制约，只能生产钢种强度级别低、厚度较单薄的产品。随着长度的增加，冷弯钢板桩的柔性逐渐增强，当超过一定长度，钢板桩在其自重作用下将发生屈曲，为超长桩的施工带来很大困难。

1 钢板桩直立稳定分析

在初始弯曲条件下，插入土中的钢板桩可以假设桩为底部铅直固定，顶端自由，重量沿杆连续分布，受压力P作用。铁摩辛柯[1]分析了在自重荷载作用下细长杆的屈曲，如图1所示。

图1 均布轴向荷载分析

对于轴向压力沿杆件连续分布的情况，杆件的挠度曲线微分方程通常需要应用无穷级数法求解。对于只受连续分布自重作用的杆件，其挠度曲线的微分方程为：

方程右边为均布荷载q在任意截面mn所产生的弯矩，

将方程（1）对x求导，可得方程：

引入新的变量z代替x：

对x求导，并令：

将求导所得带入方程（2），得贝塞尔微分方程：

通过对方程（3）求解，并使u=0时z的最小值与最小屈曲荷重相对应，可得杆件均布荷重的临界值：

杆件在无均布荷重，只有桩顶端受荷重P，其临界值可由欧拉公式表示为：

由于均布荷重ql减少了荷重P的临界值，由式（4）、（5）联立可得到：

式（6）说明，无自重杆件的稳定临界荷载与有自重杆件的0.315倍自重荷载相等，均布自重荷载q的影响相当于一荷载0.315ql作用于杆顶端。因此，对于下端铅直固定，顶端自由，质量沿杆连续分布，两端受压力P作用桩顶的临界荷载公式可写为：

令式（7）Pcr=0可以得到自重作用下细长杆的最大稳定直立长度为：

式（7）可以求在钢板桩自由长度为l时桩锤的重量和激振力。假设施工选定的振动锤的重量为m，则随着桩的打入，桩体可承担的激振力为：

2 实际控制的最大桩长分析

2.1 细长桩的最大稳定直立长度的影响因素

自重作用下，一端固定一端自由细长桩的最大稳定直立长度取决于桩的弹性模量E、截面惯性矩I和自重q，增大桩的截面惯性矩I或减小自重q均可以增大细长钢桩的最大稳定直立长度。

2.2 桩锤的最大控制质量

在桩锤m一定时，减小桩的直立长度可以增大桩可承受的激振力F。把式（9）变换为：

故可以在满足桩穿越土层激振力确定的情况下，确定桩锤的最大质量。

2.3 实际控制的最大桩长

在桩锤质量m和需求的激振力F确定的情况下，可以将式（9）变换为式（11）的一元三次方程。

通过解方程（11）可得一个实数解，即实际控制的最大桩长：

式中：a=0.315q

2.4 施工应采取的措施

在锤重和激振力确定的情况下，由式（12）可以得到在考虑桩自重影响条件下的实际控制最大桩长。当桩的实际长度大于lcon时，桩在锤重和激振力的作用下，在克服桩端阻力和桩身摩擦力下沉之前，就会发生桩身屈曲变形。

施工来讲，有三种措施解决这个问题[2]：一是换锤施工法，就是先用自重和激振力小的锤沉桩到一定深度，再换用自重和激振力大的锤沉桩至设计高程；二是提高桩的自由站立稳定性，可以采用在钢板桩开口处合理设置缀板增加截面惯性矩的方法；也可以采用设置双层导向架或打桩机上设置导向槽的方法；三是采用预埋法，就是在桩位预钻孔，直接埋入一定深度，缩短桩的自由直立长度，增强桩身承受桩锤激振力、突破桩端阻力和侧摩擦力，实现超长桩的沉桩。

3 工程实例

3.1 工程概况

唐山德龙重工船务工程有限公司修船项目1号、2号修船坞双排钢板桩围堰工程，顶面宽度25m，长度430 m。钢板桩采用9mm厚（Q345B钢材）WRU23型冷弯钢板桩，外排桩长27m，内排桩长31m，单桩截面性能见表1。钢板桩沉桩过程中从上至下需穿透的土层见表2。

表1 冷弯钢板桩截面特征参数

3.2 现场出现的问题

根据刘宝河等[3]对振动锤选型估算方法的分析，可以得到：各土层的极限动侧摩阻力总和为468.61 kN；振动锤需要克服的桩端动阻力为18.59 kN；振动体系的工作振幅6.75mm，把桩沉至设计深度所需的最小振幅为5.08mm。表3所选的振动锤均符合上述要求。

表2 土层分布表

表3 振动锤参数一览表

现场分别采用了表3的5种桩锤进行了沉桩试验，钢板桩入土21m即到达粉土夹粉质黏土层时开始出现沉桩困难现象，钢板桩扭曲变形严重，很难穿透粉土夹粉质黏土层。辅助水冲法时，少数桩能够打至设计标高；使用ICE815和DZJ200两种重锤，钢板桩入土17m时沉桩速率明显减慢，共振现象严重。

3.3 问题的分析

笔者分析认为：土壤的打穿和液化需要消耗能量，以下几个原因导致振动能沿桩长衰减，使传至桩尖的能量不足以使稍密～中密状态的粉土液化。

1）钢板桩自由长度过长，桩身柔度较大，桩身在桩锤和激振力的作用下发生大幅度振动，使传至桩尖的动能发生衰减。

2）粉土上层松软的冲填土、松散的粉砂和可塑状态的粉质黏土夹粉土也消耗了较多的振动能。

3）在不考虑桩的初始弯曲的情况下由式（8）可以计算得到，WRU23型冷弯钢板桩自重作用下细长杆的最大稳定直立长度为61.55m。本工程选用的5种桩锤由式（12）可以计算得到相对应的实际控制最大桩长（见表3）。计算表明，WRU23型冷弯钢板桩的最大自由直立桩长在6～10.7m之间，桩锤和激振力之和越大，最大自由直立桩长越短。考虑初始弯曲影响的情况下，WRU23型冷弯钢板桩的最大自由直立桩长还会更短。

3.4 采取的措施

针对现场问题的分析，采取了以下措施：

1）采用螺旋钻进行松土，破坏土层结构，松土深度分别为30m。松土设备采用JZB90型长螺旋钻，电动机功率为110 kW，桩架高度为36m，松土钻孔直径为0.6m，孔位中心间距为0.8m。

2）利用水流冲刷加速土体液化，水泵选用15 kW高压水泵，扬程50m，出水压力1.2MPa。钢板桩内侧加带2根6.0 cm出水管，出水管通过尼龙水带与高压水泵连接。

3）为了增强钢板桩的刚度，减少钢板桩扭曲变形，在钢板桩内侧按每2.5m加焊1根钢板横肋。

4）沉桩采用一次沉桩方法即每根钢板桩一次打至距离设计标高40 cm处停止沉桩，每5根钢板桩为1组进行施工，待5根钢板桩均施打至该标高处后，依次进行二次复打至设计标高。

3.5 实践效果

试桩10根全部达到设计标高，钢板桩不再出现扭曲变形。钢板桩95%以上达到设计标高，未达到标高的控制在设计允许偏差范围内。工作效率也不断提高，平均1个班组每天（10 h）可施工11根31m钢板桩。

4 结语

超长冷弯钢板桩由于桩长可以任意控制，减少了现场接桩，为工程施工提供了便利，也带来了施工控制的困难。通过本工程的研究与实践，摸索出了有益的经验供类似工程参考，也为利用长螺旋松土配合水冲法的施工方案有效解决冷弯钢板桩易变形扭曲、沉桩困难等问题，取得非常好的效果，也带来了一些问题需要解决，如桩身振动和土层对振动能量的消散对打桩的影响，桩的初始弯曲对桩锤选择的影响。

[1] SP铁摩辛柯，JM盖莱.弹性稳定理论（2版）[M].北京：科学出版社，1958.

[2] 刘润，禚瑞花，闫澍旺，等.超长桩施工中桩身稳定性的三维非线性有限元分析[J].天津大学学报，2006（3）：257-263.

[3] 刘宝河，边强，袁孟全.振动沉桩锤的选型及应用[J].中国港湾建设，2008（3）：38-41.