夹填软粘土钢管桩围堰的受力变形影响分析

梁磊，梁聪，郭文峰，康乐，赵旭，温江海

（1.中国中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710032；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055）

0 引言

围堰在水下工程施工中主要承担来自水土的荷载压力，为工程施工提供类似无水的施工作业面。现有围堰形式较多，浅水区域围堰多为土石围堰，其施工方便，造价较低[1]。桥墩施工多为钢围堰，占地面积小，材料可重复利用，技术较为成熟。近年来逐渐出现一种双排钢管桩围堰[2]-[5]，具体结构为两侧插打钢管桩，形成密闭结构，中间回填土体，提高围堰稳定性。这种围堰形式同时具备土围堰和钢围堰的优点，利用土体与钢管桩共同抵抗水土压力，占地面积小，适用于深水或深基坑、水深4m以上、覆盖层较厚，流速较大的砂类土、黏性土、碎石土及风化岩等坚硬河床。相较传统钢围堰，双排钢管桩稳定性更高，防水性能好，整体刚度较强。

袁聪聪等[6]利用三维数值模拟分析了钢管桩围堰双侧和单侧钢管桩在不同桩距下的工况围堰的受力变形影响；朱涵成等[7]通过进数值分析，对软岩地层管廊基坑施工时不同围堰方案进行优缺点比选；张玉成等[8]综述了双排钢管桩围堰的优缺点及方案计算方法，认为现今的双排钢管桩围堰设计计算方法未充分考虑双排钢管桩相互作用之间的影响。

目前国内外对双排钢管桩围堰的研究还较少，且钢管桩的间距对围堰变形受力影响的相关研究较少，本文以苏州市浒墅关车辆段围堰工程为背景，分析围堰双侧钢管桩和单侧钢管桩在不同桩距工况下对围堰的受力变形影响，为类似工程提供参考。

1 钢管桩围堰支护变形特性及施工流程

钢管桩围堰是将单根钢管在围堰两侧逐根打入水下河床土体内，并通过围檩将相邻的桩体进行连接并配合水工布等形成一个连续的，具有挡土和隔水的连续构造物。在钢管桩的围堰支护体系内，钢管桩是主要受力构件，其驳岸施工过程中所产生的水压力和土层压力均由钢管桩来承担。

1.1 围堰水平位移

驳岸在抽水过程中，随着驳岸背水侧水压力的减少，围堰临水侧水压力和其他附加荷载共同作用在围堰上，引起围堰向基坑方向变形。

1.2 围堰竖向位移

驳岸施工时，围堰竖向位移产生的主要原因一般为围堰的整体下沉，这是由于围堰整体结构在自身重力的影响下发生的土体自然下沉，这种情况在软土地区水下工程施工时表现得最为明显。

1.3 施工流程

河道清淤-放样-夯打钢管桩-钢管桩双侧敷设防水土工布和竹帘片-双侧钢管桩围檩加固-围堰堰体抛填粘性土-背水侧控制性降水—间隔观测记录围堰变形和日常养护。

2 工程实例

2.1 工程概况

苏州市轨道交通6号线浒墅关车辆段工程，运用库及物资总库需占用既有河流牌永河，占用河道长度约290m，现场计划施工河道西侧新建驳岸宽0.5m～3.7m，高4.41m～4.99m，围堰形式为双排钢管桩+夹心土围堰。围堰及基坑工程总长约79m，宽约3 m。图1为浒墅关车辆段工程围堰平面图。监测点选取围堰典型段AB段并布设7个监测点，监测点位于围堰顶部背水侧，自降水起，每3h对围堰监控量测进行1次量测。

图1 围堰平面图

2.2 围堰概况

围堰设计水位取地勘勘察常水位3.0m，河床标高0.5m，围堰宽度3m，围堰两侧设置竹帘片交错排列，同时设置防水土工布。围堰顶部标高4.5m，钢管桩桩长9m，插入深度5m。外侧钢管桩围檩采用2*50*6钢管连接，钢管桩桩距不超过0.5m。双排钢管桩使用直径16mm的钢丝绳相互连接。围堰设计示意图见图2～图3。

图2 钢管桩围堰主体断面图

图3 钢管桩围堰平面结构布置图

3 有限元模型

3.1 模型尺寸

根据实际工程情况，建立有限元模型，选取该围堰典型长条段进行计算。根据相关经验，土层厚度取钢管桩桩长的2倍进行模拟。一般情况下，围堰与围檩采用弹性模型，各土层采用3D实体单元来模拟，围堰采用2D板单元来模拟，钢管桩、围檩采用1D梁单元进行模拟。

图4 有限元三维模型

3.2 模型参数选取

土体和钢材需采用不同模型进行定义，其中土体采用摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）模型，钢材采用弹性模型（Elastic）。对于钢管桩在有限元建模时，将钢管桩围堰等效为地连墙，其地连墙公式按照下式进行计算：

在本模型中，D=250mm，t=0.5m，求得转换后的地连墙厚度h=145mm。

本文充分考虑了项目所在地区的地质情况，结合地质勘查所得到的结果，选用的材料参数如下表所示。

模型计算参数表

3.3 施工阶段模拟

围堰施工通过Midas的激活/钝化来实现，模型施工阶段与实际工程基本一致，准确计算各单元的内力变形情况，具体施工阶段如下：

①初始渗流场与初始应力场分析；

②施工封底混凝土；

③激活钢管桩围堰；

④围堰内第一次降水，抽水至常水位以下0.5m；

⑤围堰内第二次降水，抽水至常水位以下1m；

⑥围堰内第三次降水，抽水至常水位以下1.5m；

⑦围堰内第四次降水，抽水至常水位以下2m；

⑧围堰内第五次降水，抽水至常水位以下2.5m；

模型计算参数（见下表）。

4 结果分析

4.1 模型可靠性验证

在工程施工时，围堰中段每隔20m内设置一处水平位移监测点，共设置7个监测点。水平和竖向位移监测点为共用点，监测点设置在驳岸顶部。

由图5与实测结果相比，数值计算在降水起始阶段，总位移变化较大，随后位移曲线逐渐变缓，最后水位从1.5m下降至0.5m区间，位移变化率再次增大，监测点①和监测点⑦处位移在实测和模拟中均为较小值。位移实测和数值计算结果略有偏差，两者中最大的位移分别为14.31mm、13mm，相差9.15%。从数值计算结果与监测数据对比中可以看出，数值计算结果与监测数据相差不大，变形趋势接近，本数值模型可反映工程实际情况。

图5 实测与模拟对比分析

4.2 桩距对围堰变形的影响

为研究不同桩距下，对围堰施工降水过程中围堰顶部总变形量的影响。保持模型其他参数不变，改变钢管桩双排桩距，分析钢管桩双排桩距同时变化围堰顶部变形影响。保持一侧钢管桩桩距不变，改变内侧或外侧钢管桩桩距，分析单侧钢管桩不同桩距时对围堰顶部变形的影响。

钢管桩不同桩距围堰顶部总变形的分析结果如图6，从图中曲线可以看出，当桩距从本工程所采用的500mm桩距开始减小时，围堰顶部总变形量变化率明显小于桩距递增时围堰顶部总变形量变化率。故考虑材料用量的情况下，钢管桩采用双排间距500mm方案最为经济和安全。

图6 不同桩距下围堰顶部总变形

相比于只改变内侧单侧钢管桩桩距，只改变外侧单侧钢管桩桩距，对围堰顶部总变形量所产生的影响更为明显，故在保证围堰承载力的情况下，可以适当增大内侧钢管桩桩距，节省材料，经济效益更为明显。

5 结论

以浒墅关工程为依托，根据现场监测结果，建立数值模型，进行实测与模拟对比，获得与本工程相符的模型参数，进而研究钢管桩桩距，围檩尺寸对钢管桩围堰的应力变形影响，得出如下结论。

①内、外桩距同步增大会导致钢管桩围堰总变形，随着桩距增幅提高，钢管桩变形增速先提高后减缓；

②内、外侧桩距单独增大，对围堰影响不同，相同增长幅度下，外侧桩距变化对围堰影响明显大于内侧桩距变化。本工程结果为外侧桩距由0.5m增长为1m时，围堰变形量增加20.30%，而内侧桩距同等变化时，围堰变形量增加14.31%；

③通过分析单排管桩和双排管桩在不同桩距下顶部位移的影响，可以得出在进行围堰施工时，在保证围堰的承载能力的同时，可以适当减少管桩的用量。在本工程模拟中，施工方案可按内侧桩距不变，外侧桩距适当增大调整，减少围堰顶部总变形量。