桥梁基础钢板桩围堰安全性评估

摘要：以某项目为研究背景，通过有限元软件对桥梁基础双排钢板桩围堰的位移、弯矩、剪力和土压力分布展开分析，对桥梁基础钢板桩围堰的安全性评估展开研究。研究结果表明，导流工况下的双排钢板桩围堰的水平位移最大，且桩顶处水平位移最大值达到101mm，挡水前钢板桩围堰最大水平位移发生在距离桩底7～10m，导流工况相比与另外两种工况位移值增大了278.69%。左侧钢板桩主要是地上部分桩体在承担受力，而右侧钢板桩主要是地下部分桩体在承担受力。钢板桩围堰在施工工况下并非为主动土压力和静止土压力，而是介于两者之间。导流工况下的土压力介于静止土压力与被动土压力之间，但更贴近静止土压力。

关键词：钢板桩；围堰；位移；弯矩；土压力

0 引言

在桥梁设计与施工过程中，基础结构的安全性显得尤为重要。其中，桥梁基础钢板桩围堰作为常见的基础支撑形式，承担着承台或桥墩的荷载传递和承托功能。桥梁基础钢板桩围堰具备一定的特殊性和复杂性，对其安全性评估是确保桥梁结构稳定的关键环节。潘泓[2]研究两种不同工序施工过程中，钢板桩围堰的变形及内力不同特性，提出修正施工工序有助于大幅降低钢板桩围堰的变形及弯矩，充分调动整体的协调性和安全性。张玉成[3]在传统研究的基础上，对新型的双排桩支护结构的受力性能展开有限元数值模拟，提出了一个简化计算模型。通过对新型的双排桩支护结构模型的内力和位移展开数据分析，验证了简化模型的可靠性。汤劲松[4]以大桥主墩深水基础超长钢板桩围堰施工为依托，利用ANSYS软件研究了在静水和流水两种工况下钢板桩、内支撑和土体相互作用，发现钢板桩桩身的最大水平位移在开挖面附近，流水压力会增大迎水面的钢板桩的水平位移。

上述研究虽然从多角度对桥梁基础钢板桩围堰的受力和位移展开了分析，但仍未明确桥梁基础双排钢板桩围堰的内在受力机理。为此本文以某项目为研究背景，通过有限元软件对桥梁基础双排钢板桩围堰的位移、弯矩、剪力和土压力分布展开研究，明确其内在受力机理，确保其安全性。

1 工程概况

某工程项目位于某主航道，采用20根直径为2m、长88m的桩组成基础，承台尺寸为24.7m×19.4m，土层自上而下由粉砂、黏土和粉土。桥梁基础双排钢板桩围堰设计为矩形，尺寸为28m×22.4m，选用拉森Ⅳ型钢板桩长30m，共6道支撑，前3道支撑的中心线高分别为27.46m、24.46m、21.46m，由H40c型钢组成；后3道由2H40c型钢组成，标高分别为18.66m、15.86m和13.36m。

2 数值模拟参数确定

为减少边界效应的影响，至少需保证边界到钢板桩围堰的距离大于埋深的3倍。钢板桩围堰的尺寸为196m×190m×40m，采用壳单元模拟钢板桩围堰，采用梁单元模拟支撑，并采用应变硬化模型模拟土体。

土体重度为19kN/m3，饱和重度为19kN/m3，浮重度为9.1kN/m3，粘聚力为15.9kPa，内摩擦角为23.6°，变形模量为6.6MPa，泊松比为0.32，折减系数为0.75。有限元网格共划分113520个单元，其中包含7112个钢板桩围堰单元和2328个支撑单元，以及104080个土单元。约束模型侧面边界的水平位移和横向位移，约束底部边界的竖向变形。

3 受力变形及安全稳定性评估方法

3.1 钢板桩围堰的水平位移

3.1.1 导流工况下钢板桩围堰的水平位移

图1显示了在施工工况、导流工况和永久工况下，双排钢板桩围堰的左右钢板桩的水平位移变化情况。其中左钢板为迎水钢板，右钢板为基坑钢板。由图1可知，3种工况中，导流工况下的双排钢板桩围堰的水平位移最大，且在桩顶处水平位移值最大为101mm，而永久工况和施工工况下的水平位移几乎一致。

在导流工况下，水流冲击力对双排钢板桩围堰施加较大水平荷载。这种水平荷载作用导致桩顶处承受较大水平力，进而导致桩体发生较大水平位移。由于桩顶是双排钢板桩围堰的最上方，水平荷载在该位置的作用最为明显，因此在桩顶处水平位移值最大。相比之下，永久工况和施工工况下的水平位移较小且几乎一致。

3.1.2 永久工况下钢板桩围堰的水平位移

永久工况下的水平力主要来自土压力、结构自重等静力作用，而施工工况下的水平力主要来自于施工过程中的挖掘、浇筑等荷载。这些荷载相对较小且对整个桩体均匀分布，导致水平位移相对较小且在整个桩体上相对一致。

在挡水前，钢板桩围堰最大水平位移发生在距离桩底7～10m，导流工况相比与另外两种工况的位移值增大了278.69%。这是由于钢板桩围堰结构中距离桩底7～10m位置，相对于其他区域更加接近桩底，承受了较大水平荷载，因此其水平位移也相对较大。

相对而言，其他工况下（如永久工况和施工工况），水流冲击力较小或不考虑水流荷载，因此产生的水平位移较小。而在导流工况下，水流冲击力对结构产生了显著影响，导致较大的水平位移，相比其他工况增加了278.69%的位移值。

3.2 钢板桩围堰的弯矩

3.2.1 各工况下钢板桩围堰的弯矩变化情况

图2显示了在施工工况、导流工况和永久工况下，双排钢板桩围堰的左右钢板桩的弯矩随深度的变化情况。由图2可知，从桩顶到桩底，左侧的钢板桩有3块区域承受正弯矩，2块区域承受负弯矩，最大正弯矩为223kN·m，最大负弯矩为346kN·m。

分析认为，左侧的钢板桩主要是地上部分的桩体在承担受力，而右侧的钢板桩主要是地下部分的桩体在承担受力。相较于其他两种工况，永久工况条件下的的钢板桩的弯矩值最大相较于施工工况而言增幅14.19%。

3.2.2 各工况下钢板桩围堰弯矩荷载变化机理

在永久工况下，钢板桩围堰承受的荷载会有所改变。永久工况包括结构自重、土压力和其他永久性荷载等。相比之下，施工工况下的荷载通常主要是临时荷载，如挖掘和浇筑荷载等。

永久工况下的荷载是持久存在的，可能会导致钢板桩在承受荷载时产生更大的弯矩。在永久工况下，土体可能会发生长期压实和变形，对钢板桩产生较大的侧向力。这些侧向力会导致钢板桩产生更大的弯曲变形，增加弯矩值。

永久工况下，土体的长期压实和变形可能导致钢板桩在水平方向上发生较大的位移。这种位移会导致桩体承受更大的弯矩。由于在永久工况下，土体的变形较大且比较持久，所以在右侧的地下部分钢板桩受力较大，弯矩值相对较高。

永久工况下，地下水的压力可能对钢板桩产生额外的力和弯矩。地下水压力会对右侧地下部分的钢板桩产生侧向力和弯矩，使其承受更大的受力情况。

综上所述，相较于施工工况，在永久工况下，左侧地上部分的钢板桩和右侧地下部分的钢板桩都会受到一定的力和弯矩。永久工况下的荷载、土体变形、水平位移以及地下水压力可能相互作用，导致右侧地下部分钢板桩承受更大的弯矩值，使其相对于施工工况增大14.19%的弯矩值。这种差异可能是由永久工况下不同的荷载特点和土体行为引起的。

3.3 钢板桩围堰的剪力

3.3.1 各工况条件下钢板桩围堰受力情况

图3显示了在施工工况、导流工况和永久工况下，双排钢板桩围堰的左右钢板桩的剪力随深度的变化情况。由图3可知，右板桩的剪力大于左板桩，且在导流工况下最大，尤其是在桩底附近的剪力变化差异最明显。

在施工工况下，右板桩的桩底剪力由88.58kN增加到117.98kN，变化幅度为33.19%，导流工况下增幅为121.24%，左侧钢板的最大剪力由173.56kN减小至141.21kN，降幅为22.91%。

3.3.2 各工况下钢板桩围堰剪力变化机理分析

在导流工况下，水流的冲击力主要作用于右侧钢板桩，由于水流方向与右板桩平面垂直，导致右侧钢板桩承受较大的水平剪力。而左侧钢板桩由于水流方向与其平面平行，所以承受的水平剪力较小。

在导流工况下，右侧钢板桩承受的水平荷载会导致土体产生反力。这些反力主要作用于右侧钢板桩，并增加了其承载的剪力。而左侧钢板桩由于水流荷载与其平面平行，土体反力较小，导致剪力相对较小。

导流工况下水流冲击作用主要在右侧钢板桩附近，尤其是在桩底附近。由于右侧钢板桩负责承担较大的水平荷载，尤其是位于桩底附近，因此其承受的剪力值较大。

在施工工况下，右侧钢板桩的桩底剪力由88.58kN增大到117.98kN，变化幅度为33.19%。这是由于施工工况下施加的荷载，如挖掘和浇筑荷载，使得右侧钢板桩承受的剪力增加。相比之下，左侧钢板由于水流流向和土体反力对左板桩产生较小的水平剪力，并导致其剪力值相对减小。

3.4 钢板桩围堰的土压力

图4和图5显示了分别在施工工况和导流工况下，双排钢板桩围堰的左右钢板桩承受的土压力变化情况。从图4、图5可以看出，施工工况下左右钢板桩的土压力变化情况基本一致，随着深度的增加先增后减。钢板桩围堰在施工工况下的土压力是介于主动土压力和静止之间。在导流工况下的左侧钢板桩的土压力略大于右侧钢板桩，但两者整体的变化规律基本一致。在导流工况下的土压力介于静止土压力与被动土压力之间，但更贴近静止土压力。

分析认为，在导流工况下，水流冲击力对土体和钢板桩都会产生相应的反作用力。土体受到水流冲刷和挤压，产生一定的土压力，而钢板桩则会受到水流的冲击力和反作用力。这种土压力与剪力的相互作用会影响钢板桩围堰的土压力分布。由于土压力受水流冲击力的影响，减小了与土体位移有关的主动土压力成分，导致其更趋近于静止平衡状态下的土压力。

4 结束语

本文以某主航道为研究背景，通过有限元对桥梁基础双排钢板桩围堰的位移、弯矩、剪力和土压力分布展开研究，具体结论如下：

导流工况下的双排钢板桩围堰的水平位移最大，在桩顶处水平位移最大值为101mm，而永久工况和施工工况下的水平位移几乎一致。在挡水前钢板桩围堰的最大水平位移发生在距离桩底7～10m，导流工况相比与另外两种工况的位移值增打了278.69%。

左侧的钢板桩主要是地上部分的桩体在承担受力，而右侧的钢板桩主要是地下部分的桩体在承担受力，永久工况条件下的钢板桩的最大弯矩值相较于施工工况增大14.19%。

参考文献

[1] 徐顺平，戴小松，张安政，等.软土地基双排钢板桩围堰稳定性分析及应用[J].施工技术，2017，46（1）：13-17.

[2] 潘泓，王加利，曹洪，等.钢板桩围堰在不同施工工序下的变形及内力特性研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32（11）：2316-2324.

[3] 张玉成，杨光华，姜燕，等.软土地区双排钢板桩围堰支护结构的应用及探讨[J].岩土工程学报，2012，34（S1）：659-665.

[4] 汤劲松，熊保林.深水基础大规模超长钢板桩围堰施工过程安全性分析[J].中国铁道科学，2013，34（3）：32-39.

[5] 周新亚，刘昌箭，钱有伟.深水基础超长钢板桩围堰设计与施工关键技术[J].世界桥梁，2020，48（2）：20-24.

[6] 吴清，尹浩辉.模拟施工过程的官洲河特大桥钢板桩围堰分析计算[J].铁道建筑，2010（5）：8-11.