流速对深水锁扣钢管桩围堰侧向变形的影响

黄梁，王宁，康华，万波，李建

(1.中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070；2.华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，南昌 330013；3.中铁十六局集团有限公司，北京 100018；4.南昌铁路天河建设有限公司，南昌 330002；5.江西省润邦工程技术研究有限公司，南昌 330077)

为加快城市发展速度，中国的基础建设规模不断扩大，近年来路桥隧的建设尤为迅速。在桥梁建设中，经常遇到深水作业的情况，如一些大型桥墩的施工。通常水中桥墩施工作业都采用围堰形式的基坑，围堰基坑在设计时需要考虑的外荷载包括静水压力、土压力以及流水压力。作为围堰的迎水面和背水面，由于流水压力的存在两者在受力方面是不同的，这可能导致围堰在两个方向的变形不同，这将直接影响到桥梁围堰设计、施工及监测安全[1-3]。

河道水流通常被假设成为明渠流，其中明渠流速是影响流水压力的主要因素。付辉等[4]研究了对数型流速分布3个参数对垂向流速分布的敏感性影响。刘建波等[5]认为峡岛湍流海域垂线流速不同于河道流，二次抛物线形式更符合对应湍流海域水流力分布规律。方崇等[6]基于粒子图像测速仪水槽实验系统，通过试验发现随着总水深的增加，紊流度沿垂向变化变缓；平均流速和比降的增大，都会使紊流度增大。周舟等[7]利用数值分析了等宽明渠交汇口流速的分布特性，数值结果显示交汇口内流线弯曲流速偏转，下游会出现回流结构与断面环流现象。张维乐等[8]总结流速分布解析模型的研究成果，并根据植被密度和淹没度对现有模型进行了评价。

根据桥墩的性状，围堰整体平面设计上存在圆形、椭圆形、矩形等。水流绕行不同形状产生的水压不同，进而带来不同的结构变形。此外围堰本身构造也对水流存在影响。如双壁钢围堰表面相对光滑，而锁扣钢管桩围堰表面相对粗糙。邓海等[9]认为双壁钢吊箱围堰结构中变形最严重的区域位于围堰中部的内支撑区域。张程然等[10]制作1∶100围堰模型分析了深水基础哑铃型新型组合围堰结构。王达等[11]分析了黄河上游超大型双壁钢围堰的结构受力情况，结果表明围堰内抽水准备安装第1层内支撑时为最不利工况，变形和应力均达到最大。王晓佳等[12]通过数值软件模拟了伶仃洋大桥西锚碇筑岛围堰施工过程，结果表明椭圆形围堰设计下整体结构受力较好。此外，徐小祥[13]、黄厚卿等[14]及杨春山等[15]也对围堰变形做了大量分析。

上述学者均对明渠流速分布规律及围堰受外力作用下变形规律做了大量研究，但针对围堰与流速相互作用关系的研究相对缺乏。然而，围堰作为大型水工结构，对明渠流的流向和流速都会造成显著的影响。此外，上述研究也缺乏对围堰本身结构和形状方面的分析。因此，现以某城市快速路跨河大桥桥墩深水基础施工所采用的锁扣钢管桩围堰结构为背景，采用Plaxis 3D有限元软件，建立围堰分步开挖模型，探究静水与明渠均匀流作用下锁扣钢管桩围堰的侧向变形空间效应，并在此基础上分析流速分布、钢管桩直径、嵌入深度及围护结构形式对围堰侧向变形的影响规律，以期为深水作业桥梁围堰的合理设计及施工监测提供参考。

1 工程概况与水文地质

1.1 工程概况

某城市快速路跨河大桥桥长1.168 km，两座主桥墩均位于河水中，尺寸为17.1 m×21.6 m，厚5 m。承台施工采用φ630 mm×10 mm锁扣钢管桩围堰，材质Q235，单根长度为24.00 m。钢管桩下端置于基岩顶面。围堰平面尺寸26.97 m×22.32 m，共设置两层内支撑，与承台净空均大于2.50 m。围堰顶高程为+31.591 m，底高程为+7.591 m。支护结构形式采用双拼工字钢围檩+内支撑的结构形式，采用C-T型锁扣止水，如图1所示。

图1 钢管桩围堰结构图

为确保桥墩施工的安全、抽水及开挖的顺利进行，在整个开挖施工过程中进行了全过程自动化监测，实行动态管理和信息化施工。监测主要内容包括：钢管桩桩顶侧向位移、钢管桩桩顶竖向位移、支撑内力、坑内水位以及钢管桩的深层侧向位移。监测点布置如图2所示。

图2 监测点布置平面图

1.2 水文地质

工程场地区覆盖层从上到下各层依次为：粉质黏土、粉砂、砾砂、卵石层、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩。大桥主墩桥位区主要是卵石层、强风化粉砂岩和中风化粉砂岩。

河流年平均实测水流速度为2.75 m/s，实测水位为27.589 m，随季节变化幅度在1.0～3.0 m。河水主要由大气降水汇聚和河流侧向补给。河水对混凝土结构具弱腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

2 数值模型

2.1 模型的建立与参数取值

利用Palxis 3D有限元软件，建立围堰分步开挖模型，如图3所示。为消除边界条件影响，模型尺寸为107 m(长)×102 m(宽)×30.5 m(高)，上表面设置为自由边界，下表面限制侧向及竖向位移，侧面限制侧向位移，网格划分采用自适应10节点四面体单元，单元数量共计50 517个(本文研究中仅考虑静水与流水荷载对围堰本身影响，暂不纳入桩基及承台施工过程)。

图3 三维有限元分析模型

赵明登等[16]、巩伟军[17]分析均表明明渠均匀流流速沿深度方向的分布为抛物线形，现有研究在考虑流水压力对围堰迎水面产生的侧向变形时，一般不考虑流水压力或简单地认为水流速度自水面沿深度向下至河床保持不变，即对应水流荷载沿深度方向为均一值，这将导致围堰结构受力与实际存在出入，为探究明渠均匀流作用下围堰钢桩实际受力情况，通过Plaxis 3D荷载自定义分布功能，实现了不同流速分布下对应荷载的变化，从而得到抛物线形荷载作用于迎水面，并分析比对了仅考虑静水压力及静水与流水压力共同作用下围堰侧向变形情况。地层剖面如图4所示。岩土体材料采用摩尔库伦本构，物理力学参数如表1所示。

表1 土层力学特征性指标表

h为竖向高度

为简化模型计算时间及减少小距离单元网格畸变，对锁扣式钢桩柱围护结构进行等刚度换算为矩形板单元，换算方法如图5所示。等刚度换算式中d取钢桩组合单元长度850 mm，D1为大钢桩直径，D2为小钢桩直径，Iy为工字钢长轴方向界面惯性矩，得到等效板单元厚度为47 mm。

图5 等效刚度换算示意图

2.2 静水与流水压力作用下围堰侧向变形比较

图6为静水与流水压力作用下围堰的侧向变形云图。如图6(a)所示，钢桩最大侧向变形出现在中间部位，在静水压力作用下，围堰长边方向最大位移略高于短边方向，这是由于在同等钢桩高度下，长边方向围堰面积略大于短边方向，导致受静水压力作用面积较大，因此总静水压力较短边高，使得在水压受荷方向最大位移高于短边；结合图7可知，当仅考虑静水压力时，钢桩竖向中心线最大侧向变形出现在距桩顶8.1 m处，桩身侧向变形自桩顶向下呈现先增大后减小趋势，桩顶侧向变形几乎为0，桩自深度约-17 m处开始侧向变形减小为0。

图6 围护结构侧向变形云图

如图6(b)所示，在明渠均匀流水荷载冲击下，钢管围护结构侧向变形的空间效应尤为显著，迎水面的侧向变形远高于侧向及背水面，结合图7可知，钢桩竖向中心线最大侧向变形出现在距桩顶5.5 m处，桩身侧向变形自桩顶向下呈现先略微增大而后减小至0的趋势，桩顶侧向变形达3.6 mm，其桩身侧向变形与仅考虑静水压力有着明显区别，因此有必要探究静水压力与流水压力共同作用下围堰最危险面(迎水面)的侧向变形规律，为实际围堰开挖工程设计及施工提供一定参考。

图7 静水压力与流水压力作用下钢桩侧向变形

2.3 模型验证

由图6可知，围护结构侧向变形最大值出现在钢排桩中部，因此取迎水面与背水面钢管桩竖向中心线作侧向位移实测值与模拟值对比，结果如图8所示，实测值虽偏于离散，但总体趋势仍与模拟值保持一致，且在桩端与桩顶部位侧向位移吻合较好，因此本模型结果可较好地反应钢桩侧向变形规律，从而进一步探究不同参数影响下围堰结构的侧向变形情况。迎水面钢桩侧向向变形最大值均出现在深度约-8 m处，且迎水面侧向变形远大于背水面，最大差值约为3.35 mm，体现在桩顶位置处，而后沿着深度的增大，侧向变形差值自桩顶向桩端处逐渐减小，侧向位移曲线趋于一致，最终在深度约-18 m处减小为0，由此可见，钢围堰迎水面与背水面受力形式相差较大，最大变形也存在较大差距，实际工程中应对迎水面钢管的设计、施工及变形监测加以重视。

图8 钢管桩侧向变形对比图

3 参数分析

3.1 水流速度的影响

为研究明渠流平均流速变化对钢管桩围堰侧向变形的影响，现取平均流速分别为V=1 m/s、V=2.75 m/s、V=3.5 m/s进行分析，其中V=2.75 m/s为实测水流均速，迎水面钢管桩侧向位移如图9所示，由图9可知其最大侧向位移出现了中心线位置，因此取对应竖向中心线侧向位移作对比如图10所示。

由图9可知，钢管桩侧向变形影响范围随着流速的增大而增大，且最大位移与流速呈正相关。由图10可知，钢管桩中心线侧向位移与流速分布规律基本一致，基本在最大流速深度h=-4.8 m处表现为最大位移；桩身位移自桩顶至桩端呈现为先增大而后减小为0的趋势，但当V=3.5 m/s时这一趋势变得微弱，桩顶位移随着流速增大显著增长，因此桩身侧向位移与明渠流速密切关联；不论在何种流速下，桩身入中风化岩后侧向位移均几乎为0。

图9 不同流速下钢桩侧向变形云图

图10 不同流速下钢桩侧向变形对比图

3.2 钢管直径的影响

为研究钢管桩直径变化对钢管桩围堰侧向变形的影响，同时为便于计算，利用等效刚度后板单元宽度变化表征钢管直径影响，现取钢管桩等效刚度板单元宽度分别为b=0.3 m、b=0.47 m、b=0.9 m进行分析，其中d=0.47 m为实际等效钢板宽度，迎水面钢管桩侧向位移如图11所示，同理由于最大侧向位移出现在中心区域，取对应竖向中心线侧向位移如图12所示。

图11 不同等效宽度下钢桩侧向变形云图

由图11可知，随着等刚度板单元宽度的增大(即对应钢管桩直径的增大)，迎水面钢管桩最大侧向位移迅速减小，但变形影响范围呈现逐步扩大态势。由图12可知，钢管桩中心线侧向位移随着钢管桩直径增大显著减弱，最大侧向位移值仍保持在最大流速对应深度；当b=0.3 m时，最大侧向位移达到了10.66 mm，约为b=0.47 m时的2.5倍，约为b=0.9时的10倍，因此增大钢桩的直径可有效控制围堰结构侧向变形。

图12 不同等效宽度下钢桩侧向变形对比图

3.3 嵌入深度的影响

为研究钢管桩嵌入深度变化对钢管桩围堰侧向变形的影响，现取钢管桩嵌入深度分别为d=5 m、d=10 m、d=14 m、d=20 m进行分析，其中d=14 m为实际嵌固深度，迎水面钢管桩侧向位移如图13所示，对应竖向中心线侧向位移如图14所示。

由图13可知，钢管桩嵌入深度对迎水面钢桩最大位移影响极其微小，影响区域基本保持在自桩顶向下15 m左右范围内。由图14可知，当钢管桩嵌入深度大于d=10 m时，迎水面钢管桩最大侧向位移随着嵌入深度的进一步增长几乎保持不变，最大侧向值几近同一值为4.39 mm；但当嵌入深度为d=5 m时，中心线侧向位移呈现整体增大现象，最大增幅出现在桩端，差值为1.2 mm，可能的原因是由于嵌入深度过小，且未到达强度较大的中风化砂岩，导致桩身侧摩阻力不足以提供流水及静水压力的抗力，从而导致桩身整体发生向坑内偏移现象。

图13 不同嵌入深度下钢桩侧向变形云图

图14 不同嵌入深度下钢桩侧向变形对比图

3.4 围护结构形式的影响

为研究围护结构形式变化对钢管柱围堰侧向变形的影响，现取围堰形式分别为矩形与圆形进行分析，其中矩形为实际围护结构形式，圆形围堰直径取矩形对角线长度，为便于计算，对其两道内支撑结构形式统一进行简化，对应模型如图15所示，两者迎水面钢管桩侧向位移如图16所示，对应竖向中心线侧向位移如图17所示。

图15 不同围护结构形式三维有限元分析模型

由图16可知，在采用同等内支撑结构条件下，圆形钢管桩围护结构迎水面最大侧向位移远远小于矩形，且圆形钢围堰侧向受力更为均匀。由图17可知，圆形钢管桩中心线自桩顶至桩端整体侧向位移几乎保持一致，最大侧向位移仅为0.19 mm，相对矩形围护结构最大侧向位移达4.36 mm，显然围堰采取圆形结构将极大地减弱水流冲击对围护结构的影响，且整个围护结构受力均匀，整体性相较矩形而言更为优越。因此实际工程中，对于流水冲击下的围堰开挖，可采用圆形钢管桩形式，可显著提高工程安全性。

图16 不同围护结构形式下钢桩侧向变形云图

图17 不同围护结构形式下钢桩侧向变形对比图

4 结论

以某城市快速路跨河大桥桥墩深水基础施工所采用的锁扣钢管桩围堰结构为背景，利用Plaxis 3D有限元数值软件，在考虑明渠均匀流速分布的情况下，建立了水流力冲击下钢管桩围护结构侧向变形分析模型，并在此基础上探讨了不同均匀流平均流速、钢管直径、嵌入深度及围护结构形式对围护结构侧向变形的影响规律，得出如下结论。

(1)迎水面钢管桩由于受荷形式的区别导致侧向位移相差较大，静水与流水压力共同作用下桩身侧向变形远大于仅考虑静水压力，且迎水面与背水面侧向位移也存在较大差异，侧向规律受空间效应影响显著，因此实际在静水湖泊与流水江河中围堰施工时需合理设计围护结构强度。

(2)水流速度越大迎水面钢桩侧向位移越大，且最大变形出现在流速最大对应深度处，钢桩侧向位移曲线与流速分布曲线表征的走势特点基本一致。

(3)钢管桩直径的增大将有效减弱迎水面钢桩侧向变形值，当等效宽度大于0.9 m时，围护结构侧向变形值趋近于1 mm，且桩身侧向位移基本呈均匀分布。

(4)当钢管桩嵌入深度大于10 m时，迎水面围护结构侧向位移不再随嵌入深度的增大而变化，而当嵌入深度过小时，围护结构将出现整体位移的趋势。

(5)围护结构的形式将显著影响迎水面钢桩侧向变形分布及最值大小，采用圆形围护结构可极大地提升围护结构侧向受荷能力，可有效减弱水流冲击，减小侧向位移，因此在流水江河中可优先选用圆形围护结构。