单成林， 吴鹏均

(华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640)

0 引言

水下桩基加固一种是耐久性加固，如桥梁水下桩基和水下墩柱混凝土出现空洞、露筋、开裂等病害时常采用外包钢筋混凝土加固[1-3]，另一种是提高桩基承载力的加固，如在桩周灌浆、微型桩加固等[4-5]，文中只论述前者加固。外包混凝土加固时根据施工期间的现场和水位情况，一般水深3m以下可采用填筑围堰的方式，抽干围堰内的水施工。水深超过3m时可采用钢箱围堰、混凝土箱围堰等施工，但成本很高[6-7]。也就是说为了桩基少量的外包混凝土施工，附加措施费用要高出很多倍，往往让人难以接受。近年来，国内也引入过采用纤维复合材料套筒水下外包桩基，再往筒内灌注环氧聚合物的加固方法[8-9]，虽然能解决封底问题，但由于纤维套筒内壁与混凝土桩柱壁的空隙很小，而混凝土桩柱壁表面往往不规则，如弯曲、凸包、大空洞等都会使套筒合龙、灌浆困难，或因大量昂贵的环氧聚合物流入空洞造成浪费而难以适用。现今大多采用以钢套筒作为模板，浇筑水下混凝土的施工方法，即将圆形钢套筒及钢筋笼分为两个半圆，分段加工制作，在水下包围桩柱拼装成圆筒，先插入河床浇筑水下封底混凝土，再逐段拼装套筒和钢筋笼，并逐段浇筑水下混凝土[10-11]。此法节省了大量附加措施费，成本大为降低，是目前常用的方法。但就是采用此法也还存在一个问题：无论病害在桩柱的任何位置，钢套筒必须插入河床才能封底浇筑混凝土，即外包混凝土必须从河床面往上外包，如果因桩柱较长，病害位置又靠近水面，不需要从底包上来，只需外包上面一段时，采用此法还是有些浪费。或者桩柱底有混凝土承台或横梁时，则筒底封闭不了，不能采用此法。因此，现今的钢套筒加固水下桩柱也是有条件的。文中发明的钢套筒，主要是在筒底设置了浇筑水下混凝土时能自动封闭装置，就像一个阀门，水可以进去，但混凝土落下时可凭借自重封闭筒底，以便浇筑水下混凝土，筒底可在桩柱任意位置封底施工，想外包哪一段桩柱就包哪一段。该种方法已授权国家发明专利[12]，模型试验成功，正寻找相应加固工程实践。以下主要是分析在外包混凝土施工时，筒底封闭装置在不同尺寸参数变化对其受力及变形影响，以便工程应用时方便制作。

1 封底原理

文中所说的能自动封底的钢套筒竖剖面图见图1，筒底是一块圆环形封底钢板，内径比被加固的混凝土桩柱略大，四周有几厘米的空隙，以便钢套筒下沉过程中适应桩柱表面的不规则及设置橡胶片阀门。橡胶片也为圆环形，内径与圆环形封底钢板的内径一致，但外径是封底钢板外径的2倍以上，见筒底局部大样图2，用衬托弧形钢板的水平面部分压住橡胶片内环，通过周边密布的螺栓将它们固定于圆环封底钢板底面内环边缘。以上措施仅为水下混凝土初凝前的临时性措施，衬托弧形钢板的水平面长度、弯折弧度及厚度仅以能临时固牢和不折破橡胶片为宜。橡胶片的非固定部分径向剪开成扇形反向弯折伸入筒中，靠橡胶片的弹性贴附在桩柱周壁，水下混凝土落下时挤紧橡胶片使其更紧密地贴紧混凝土桩壁，起到自动封底的作用，从而可浇筑筒内水下混凝土。因钢套筒内外静水压力平衡，水平向流水压力对橡胶片的封闭作用无影响。

图1 自动封底钢套筒外包混凝土加固桩柱竖剖面图Figure 1 Vertical section of strengthening pile for wrapping concrete with the steel sleeve of automatic sealing bottom

2 分析内容

钢套筒底部封底装置能否顺利封闭，取决于2个参数：封底圆环形钢板与混凝土桩柱壁的空隙，即图2中的d1；橡胶片的厚度d2。至于橡胶片与桩柱壁接触高度方向的长度采用构造措施满足，一般在25 cm以上。外包混凝土的厚度一般20～25cm左右。浇筑水下混凝土时，如果上述2个参数取值不当，都可能造成漏浆。因此以下通过有限元计算，分析这2个参数分别变化时橡胶片最大应力、变形等，以便工程应用中选取适当的参数，保证施工过程的可靠性。

图2 筒底封闭装置竖剖面局部大样图Figure 2 Vertical section detail drawing of the sealing device of sleeve bottom

3 有限元模型的建立

3.1 模型尺寸

设水下桩基高度为8m，半径为0.75m，现需对水下靠上部4.6m长一段进行外包混凝土加固，钢套筒总高也为4.6m，钢套筒和环形封底钢板等厚度为5mm，外包混凝土厚20cm 钢套筒半径为0.95m，半模型剖面图尺寸如图3所示。钢套筒下沉安装时将筒底沿径向剪开的扇形橡胶阀片通过衬托弧形钢板条向上弯入筒中，橡胶片水平固定长度8cm，弯折弧度半径4cm，与桩基混凝土壁接触长度25cm，环形封底钢板内边缘与桩壁空隙为d1，如图2所示，橡胶阀片的厚度为d2，计算中其值待定。

图3 半模型竖剖面尺寸图(单位：mm)Figure 3 Vertical section size drawing of half model( Unit：mm)

3.2 单元类型及材料属性

本计算采用大型通用有限元软件ANSYS进行，为避免因为模型简化和单元的不协调产生的误差，更加真实、准确地反映结构的力学性能，所以本文桩柱、钢套筒及其环形封底钢板、环形橡胶阀片均采用三维实体单元SOLID185建立计算模型，该单元为3D8节点结构实体单元，除具有单元SOLID45的塑性、蠕变、应力刚化、大变形、大应变、单元生死、初应力输入等特性外，还具有超弹、黏弹和单元技术自动选择等特性。同时为模拟紧贴桩柱表面橡胶片的滑移，在计算模型中采用接触单元进行分析，橡胶片的接触面采用CONTACT174单元，桩柱的接触面采用TARGE170单元。CONTACT单元为3D8节点面面接触单元，适用于3D结构的接触分析。

本模型桩柱混凝土采用C30，外包混凝土采用C40，混凝土抗压强度设计值fcd=15.64MPa，弹性模量Ec=32500MPa，重力密度ρ=2600kg/m3，泊松比为0.2；钢套筒的钢板弹性模量为206000MPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.28；根据橡胶市场产品调查，橡胶片弹性模量一般为7.8MPa，密度为1300kg/m3，泊松比为0.47。

3.3 单元划分

由于整个结构为圆柱形的轴对称结构，所以可选择结构的1/4模型计算，采用映射网格划分后，全模型共有23299个单元，节点总数为 27264个，沿着桩柱高度方向为z轴。

网格划分对计算精度和计算效率具有直接影响，模型中有橡胶阀片段的单元大部分网格尺寸为5cm，橡胶片弯折段适当加密，其余部分网格尺寸加大，从而提高计算效率。筒底局部有限元模型如图4所示。

图4 筒底局部有限元模型图Figure 4 Local finite element model of sleeve bottom

3.4 边界条件

橡胶片与桩柱混凝土外壁的接触问题是一种高度非线性行为，随着荷载等因素的变化，接触面之间或接触或分开，接触区域存在不确定性，另外，大多数的接触问题需要考虑摩擦作用。本次建模时采用ANSYS提供的接触单元进行模拟面面接触，由于混凝土的刚度相较于橡胶而言比较大，所以橡胶阀片作为接触面，桩柱混凝土表面作为目标面。初始设置时，法向接触刚度系数取FKN=0.01，因为较低的接触刚度导致的侵入问题比过高的接触刚度导致的收敛问题更容易解决；橡胶和混凝土的摩擦系数取0.25。

钢套筒壁下端与环形封底钢板焊接，顶端通过支架与混凝土桩柱固定，环形橡胶阀片通过螺栓固定于环形封底钢板内缘底部，以上连接均视为固结。由于本模型主要计算钢套筒和橡胶的应力和变形，为简化计算，螺栓连接处的应力集中不予考虑，桩柱底端采用固端约束；建模时分别建立各部几何模型，最终通过VGLUE进行联结成整体。

由于计算模型为圆柱体轴对称结构，采用1/4模型计算时需要在截取的对称截面上设置对称约束。

3.5 加载方式

主要有桩柱、外包混凝土及钢套筒自重，通过设置所使用的相应材料(混凝土、橡胶、钢材)的密度和施加重力加速度(9.8 N/kg)计算。其中对橡胶阀片受力起作用的是外包混凝土荷载。

利用钢套筒浇筑水下混凝土外包桩基实际施工时，一般首先浇筑50～60 cm厚的封底混凝土，待这部分混凝土初凝后继续浇筑以上混凝土。作为橡胶阀片最不利的受力状态是没有先浇筑封底混凝土，而直接连续浇筑混凝土至筒顶，以下按此考虑。在加载时，需模拟流动状态混凝土产生的压力，混凝土压力计算式如下：

P=γ·g·h

(1)

式中：P为混凝土压力，N/m2;γ为流动混凝土的密度，kg/m3,扣除水的浮力后取1600;g为重力加速度，N/kg，取9.8；h为压力点到外包混凝土顶面的高度，m,筒底取4.6。这样筒壁四周竖向呈三角形分布的面荷载，筒顶为0，筒底荷载强度72128N/m2，圆环形筒底面按此荷载强度作为均布面荷载加载。

3.6 计算工况

为分析封底圆环形钢板与混凝土桩柱壁的空隙d1和橡胶阀片厚度d2在浇筑水下混凝土施工时对封底装置的力学性能影响，采用控制变量法分以下两个工况计算：

工况一： 封底圆环形钢板与混凝土桩柱壁的空隙取d1=40mm，橡胶阀片厚度分别取d2=2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 mm。

工况二： 橡胶阀片厚度取d2=2.5 mm，封底圆环形钢板与混凝土桩柱壁的空隙分别取d1=30、 35、40、45、50、55、60、65 mm。

4 结果分析

4.1 橡胶阀片厚度对封底装置的力学性能影响

按工况一，保持封底圆环形钢板与混凝土桩柱壁的空隙d1=40mm不变，橡胶阀片厚度d2每次以0.5mm的增量，从2.5mm增至6mm，计算结果见表1。

表1 工况一计算结果Table 1 Calculation results of the first condition橡胶片厚度d2/mm橡胶片竖向下坠/mm橡胶片最大等效拉应力/MPa钢套筒脚最大等效拉应力/MPa2.518.4152.7567.5703.015.9412.6447.6243.513.9642.5387.6634.012.3502.4397.6974.511.1682.3567.7355.09.7652.1347.6625.58.9272.0827.7066.09.2272.3168.027

从表1可以看出：在空隙d1不变的情况下，随着橡胶阀片的厚度d2的增加，橡胶阀片的下坠幅度减小，厚度超过5mm时达到一定刚度下坠就趋于稳定，说明太厚的橡胶阀片影响不大。尽管上述下坠包含了橡胶阀片的下滑和拉伸，但橡胶片最大下坠18.4mm远未超过250mm，表明橡胶阀片没有与桩柱外壁脱离接触，即起到了封闭作用。橡胶片及钢套筒壁与环形封底钢板连接处的筒脚最大拉应力的变化很小，拉应力值也很小，不控制设计。工程用橡胶一般拉伸强度25MPa以上，拉断伸长率650%以上，相对上述应力和变形都很小。

4.2 圆环形封底钢板与混凝土桩柱壁的空隙对封底装置的力学性能影响

按工况二，保持橡胶阀片厚度d2=2.5mm不变，圆环形封底钢板与混凝土桩柱壁的空隙d1每次以5mm的增量，从30mm增至65mm，计算结果见表2。

表2 工况二计算结果Table 2 Calculation results of the second condition空隙宽度d1/mm橡胶片竖向下坠/mm橡胶片最大等效拉应力/MPa钢套筒脚最大等效拉应力/MPa3016.922 3.090 8.007 3517.856 2.934 7.793 4018.415 2.756 7.570 4518.822 2.570 7.359 5025.784 2.550 7.257 5525.820 2.356 7.060 6020.628 2.041 6.879 6520.401 2.306 7.425

从表2可以看出：在橡胶片厚度d2不变的情况下，随着圆环形封底钢板与混凝土桩柱壁空隙d1的增大，橡胶阀片的下坠也越大，空隙55mm时下坠幅度最大，之后趋于稳定，这是因为橡胶阀片下坠越大，其与桩柱壁接触面积越大，产生的摩

阻力就越大，从而阻止了橡胶阀片的继续下坠。同样上述下坠包含了橡胶阀片的下滑和拉伸，但橡胶片最大下坠25.8mm，而橡胶阀片与桩柱外壁接触长度为250mm，说明并非空隙d1越大，橡胶片下坠越大。橡胶片及钢套筒壁与环形封底钢板连接处的筒脚最大拉应力的变化很小，且拉应力值同样很小，不控制设计。

5 结论

采用该种自行封底钢套筒外包混凝土加固水下桩柱时，根据上述计算结果分析可得出：

a. 工程用橡胶阀片的厚度d2主要考虑施工及市场供货的方便性，宜在2.5～5mm间，并非越厚封闭性越好。

b. 圆环形封底钢板与混凝土桩柱壁空隙d1主要兼顾桩柱表面的不平整性及施工的方便性，并非空隙越大，橡胶阀片封闭性就越差，而是有个合理范围，宜在30～50mm间，浇筑混凝土前橡胶片与桩柱表面接触高度宜大于250 mm；材料强度不控制设计。