流速對深水鎖扣鋼管樁圍堰側向變形的影響

黃梁，王寧，康華，萬波，李建

(1.中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070；2.華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，南昌 330013；3.中鐵十六局集團有限公司，北京 100018；4.南昌鐵路天河建設有限公司，南昌 330002；5.江西省潤邦工程技術研究有限公司，南昌 330077)

為加快城市發展速度，中國的基礎建設規模不斷擴大，近年來路橋隧的建設尤為迅速。在橋梁建設中，經常遇到深水作業的情況，如一些大型橋墩的施工。通常水中橋墩施工作業都采用圍堰形式的基坑，圍堰基坑在設計時需要考慮的外荷載包括靜水壓力、土壓力以及流水壓力。作為圍堰的迎水面和背水面，由于流水壓力的存在兩者在受力方面是不同的，這可能導致圍堰在兩個方向的變形不同，這將直接影響到橋梁圍堰設計、施工及監測安全[1-3]。

河道水流通常被假設成為明渠流，其中明渠流速是影響流水壓力的主要因素。付輝等[4]研究了對數型流速分布3個參數對垂向流速分布的敏感性影響。劉建波等[5]認為峽島湍流海域垂線流速不同于河道流，二次拋物線形式更符合對應湍流海域水流力分布規律。方崇等[6]基于粒子圖像測速儀水槽實驗系統，通過試驗發現隨著總水深的增加，紊流度沿垂向變化變緩；平均流速和比降的增大，都會使紊流度增大。周舟等[7]利用數值分析了等寬明渠交匯口流速的分布特性，數值結果顯示交匯口內流線彎曲流速偏轉，下游會出現回流結構與斷面環流現象。張維樂等[8]總結流速分布解析模型的研究成果，并根據植被密度和淹沒度對現有模型進行了評價。

根據橋墩的性狀，圍堰整體平面設計上存在圓形、橢圓形、矩形等。水流繞行不同形狀產生的水壓不同，進而帶來不同的結構變形。此外圍堰本身構造也對水流存在影響。如雙壁鋼圍堰表面相對光滑，而鎖扣鋼管樁圍堰表面相對粗糙。鄧海等[9]認為雙壁鋼吊箱圍堰結構中變形最嚴重的區域位于圍堰中部的內支撐區域。張程然等[10]制作1∶100圍堰模型分析了深水基礎啞鈴型新型組合圍堰結構。王達等[11]分析了黃河上游超大型雙壁鋼圍堰的結構受力情況，結果表明圍堰內抽水準備安裝第1層內支撐時為最不利工況，變形和應力均達到最大。王曉佳等[12]通過數值軟件模擬了伶仃洋大橋西錨碇筑島圍堰施工過程，結果表明橢圓形圍堰設計下整體結構受力較好。此外，徐小祥[13]、黃厚卿等[14]及楊春山等[15]也對圍堰變形做了大量分析。

上述學者均對明渠流速分布規律及圍堰受外力作用下變形規律做了大量研究，但針對圍堰與流速相互作用關系的研究相對缺乏。然而，圍堰作為大型水工結構，對明渠流的流向和流速都會造成顯著的影響。此外，上述研究也缺乏對圍堰本身結構和形狀方面的分析。因此，現以某城市快速路跨河大橋橋墩深水基礎施工所采用的鎖扣鋼管樁圍堰結構為背景，采用Plaxis 3D有限元軟件，建立圍堰分步開挖模型，探究靜水與明渠均勻流作用下鎖扣鋼管樁圍堰的側向變形空間效應，并在此基礎上分析流速分布、鋼管樁直徑、嵌入深度及圍護結構形式對圍堰側向變形的影響規律，以期為深水作業橋梁圍堰的合理設計及施工監測提供參考。

1 工程概況與水文地質

1.1 工程概況

某城市快速路跨河大橋橋長1.168 km，兩座主橋墩均位于河水中，尺寸為17.1 m×21.6 m，厚5 m。承臺施工采用φ630 mm×10 mm鎖扣鋼管樁圍堰，材質Q235，單根長度為24.00 m。鋼管樁下端置于基巖頂面。圍堰平面尺寸26.97 m×22.32 m，共設置兩層內支撐，與承臺凈空均大于2.50 m。圍堰頂高程為+31.591 m，底高程為+7.591 m。支護結構形式采用雙拼工字鋼圍檁+內支撐的結構形式，采用C-T型鎖扣止水，如圖1所示。

圖1 鋼管樁圍堰結構圖

為確保橋墩施工的安全、抽水及開挖的順利進行，在整個開挖施工過程中進行了全過程自動化監測，實行動態管理和信息化施工。監測主要內容包括：鋼管樁樁頂側向位移、鋼管樁樁頂豎向位移、支撐內力、坑內水位以及鋼管樁的深層側向位移。監測點布置如圖2所示。

圖2 監測點布置平面圖

1.2 水文地質

工程場地區覆蓋層從上到下各層依次為：粉質黏土、粉砂、礫砂、卵石層、強風化粉砂巖、中風化粉砂巖。大橋主墩橋位區主要是卵石層、強風化粉砂巖和中風化粉砂巖。

河流年平均實測水流速度為2.75 m/s，實測水位為27.589 m，隨季節變化幅度在1.0～3.0 m。河水主要由大氣降水匯聚和河流側向補給。河水對混凝土結構具弱腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。

2 數值模型

2.1 模型的建立與參數取值

利用Palxis 3D有限元軟件，建立圍堰分步開挖模型，如圖3所示。為消除邊界條件影響，模型尺寸為107 m(長)×102 m(寬)×30.5 m(高)，上表面設置為自由邊界，下表面限制側向及豎向位移，側面限制側向位移，網格劃分采用自適應10節點四面體單元，單元數量共計50 517個(本文研究中僅考慮靜水與流水荷載對圍堰本身影響，暫不納入樁基及承臺施工過程)。

圖3 三維有限元分析模型

趙明登等[16]、鞏偉軍[17]分析均表明明渠均勻流流速沿深度方向的分布為拋物線形，現有研究在考慮流水壓力對圍堰迎水面產生的側向變形時，一般不考慮流水壓力或簡單地認為水流速度自水面沿深度向下至河床保持不變，即對應水流荷載沿深度方向為均一值，這將導致圍堰結構受力與實際存在出入，為探究明渠均勻流作用下圍堰鋼樁實際受力情況，通過Plaxis 3D荷載自定義分布功能，實現了不同流速分布下對應荷載的變化，從而得到拋物線形荷載作用于迎水面，并分析比對了僅考慮靜水壓力及靜水與流水壓力共同作用下圍堰側向變形情況。地層剖面如圖4所示。巖土體材料采用摩爾庫倫本構，物理力學參數如表1所示。

表1 土層力學特征性指標表

h為豎向高度

為簡化模型計算時間及減少小距離單元網格畸變，對鎖扣式鋼樁柱圍護結構進行等剛度換算為矩形板單元，換算方法如圖5所示。等剛度換算式中d取鋼樁組合單元長度850 mm，D1為大鋼樁直徑，D2為小鋼樁直徑，Iy為工字鋼長軸方向界面慣性矩，得到等效板單元厚度為47 mm。

圖5 等效剛度換算示意圖

2.2 靜水與流水壓力作用下圍堰側向變形比較

圖6為靜水與流水壓力作用下圍堰的側向變形云圖。如圖6(a)所示，鋼樁最大側向變形出現在中間部位，在靜水壓力作用下，圍堰長邊方向最大位移略高于短邊方向，這是由于在同等鋼樁高度下，長邊方向圍堰面積略大于短邊方向，導致受靜水壓力作用面積較大，因此總靜水壓力較短邊高，使得在水壓受荷方向最大位移高于短邊；結合圖7可知，當僅考慮靜水壓力時，鋼樁豎向中心線最大側向變形出現在距樁頂8.1 m處，樁身側向變形自樁頂向下呈現先增大后減小趨勢，樁頂側向變形幾乎為0，樁自深度約-17 m處開始側向變形減小為0。

圖6 圍護結構側向變形云圖

如圖6(b)所示，在明渠均勻流水荷載沖擊下，鋼管圍護結構側向變形的空間效應尤為顯著，迎水面的側向變形遠高于側向及背水面，結合圖7可知，鋼樁豎向中心線最大側向變形出現在距樁頂5.5 m處，樁身側向變形自樁頂向下呈現先略微增大而后減小至0的趨勢，樁頂側向變形達3.6 mm，其樁身側向變形與僅考慮靜水壓力有著明顯區別，因此有必要探究靜水壓力與流水壓力共同作用下圍堰最危險面(迎水面)的側向變形規律，為實際圍堰開挖工程設計及施工提供一定參考。

圖7 靜水壓力與流水壓力作用下鋼樁側向變形

2.3 模型驗證

由圖6可知，圍護結構側向變形最大值出現在鋼排樁中部，因此取迎水面與背水面鋼管樁豎向中心線作側向位移實測值與模擬值對比，結果如圖8所示，實測值雖偏于離散，但總體趨勢仍與模擬值保持一致，且在樁端與樁頂部位側向位移吻合較好，因此本模型結果可較好地反應鋼樁側向變形規律，從而進一步探究不同參數影響下圍堰結構的側向變形情況。迎水面鋼樁側向向變形最大值均出現在深度約-8 m處，且迎水面側向變形遠大于背水面，最大差值約為3.35 mm，體現在樁頂位置處，而后沿著深度的增大，側向變形差值自樁頂向樁端處逐漸減小，側向位移曲線趨于一致，最終在深度約-18 m處減小為0，由此可見，鋼圍堰迎水面與背水面受力形式相差較大，最大變形也存在較大差距，實際工程中應對迎水面鋼管的設計、施工及變形監測加以重視。

圖8 鋼管樁側向變形對比圖

3 參數分析

3.1 水流速度的影響

為研究明渠流平均流速變化對鋼管樁圍堰側向變形的影響，現取平均流速分別為V=1 m/s、V=2.75 m/s、V=3.5 m/s進行分析，其中V=2.75 m/s為實測水流均速，迎水面鋼管樁側向位移如圖9所示，由圖9可知其最大側向位移出現了中心線位置，因此取對應豎向中心線側向位移作對比如圖10所示。

由圖9可知，鋼管樁側向變形影響范圍隨著流速的增大而增大，且最大位移與流速呈正相關。由圖10可知，鋼管樁中心線側向位移與流速分布規律基本一致，基本在最大流速深度h=-4.8 m處表現為最大位移；樁身位移自樁頂至樁端呈現為先增大而后減小為0的趨勢，但當V=3.5 m/s時這一趨勢變得微弱，樁頂位移隨著流速增大顯著增長，因此樁身側向位移與明渠流速密切關聯；不論在何種流速下，樁身入中風化巖后側向位移均幾乎為0。

圖9 不同流速下鋼樁側向變形云圖

圖10 不同流速下鋼樁側向變形對比圖

3.2 鋼管直徑的影響

為研究鋼管樁直徑變化對鋼管樁圍堰側向變形的影響，同時為便于計算，利用等效剛度后板單元寬度變化表征鋼管直徑影響，現取鋼管樁等效剛度板單元寬度分別為b=0.3 m、b=0.47 m、b=0.9 m進行分析，其中d=0.47 m為實際等效鋼板寬度，迎水面鋼管樁側向位移如圖11所示，同理由于最大側向位移出現在中心區域，取對應豎向中心線側向位移如圖12所示。

圖11 不同等效寬度下鋼樁側向變形云圖

由圖11可知，隨著等剛度板單元寬度的增大(即對應鋼管樁直徑的增大)，迎水面鋼管樁最大側向位移迅速減小，但變形影響范圍呈現逐步擴大態勢。由圖12可知，鋼管樁中心線側向位移隨著鋼管樁直徑增大顯著減弱，最大側向位移值仍保持在最大流速對應深度；當b=0.3 m時，最大側向位移達到了10.66 mm，約為b=0.47 m時的2.5倍，約為b=0.9時的10倍，因此增大鋼樁的直徑可有效控制圍堰結構側向變形。

圖12 不同等效寬度下鋼樁側向變形對比圖

3.3 嵌入深度的影響

為研究鋼管樁嵌入深度變化對鋼管樁圍堰側向變形的影響，現取鋼管樁嵌入深度分別為d=5 m、d=10 m、d=14 m、d=20 m進行分析，其中d=14 m為實際嵌固深度，迎水面鋼管樁側向位移如圖13所示，對應豎向中心線側向位移如圖14所示。

由圖13可知，鋼管樁嵌入深度對迎水面鋼樁最大位移影響極其微小，影響區域基本保持在自樁頂向下15 m左右范圍內。由圖14可知，當鋼管樁嵌入深度大于d=10 m時，迎水面鋼管樁最大側向位移隨著嵌入深度的進一步增長幾乎保持不變，最大側向值幾近同一值為4.39 mm；但當嵌入深度為d=5 m時，中心線側向位移呈現整體增大現象，最大增幅出現在樁端，差值為1.2 mm，可能的原因是由于嵌入深度過小，且未到達強度較大的中風化砂巖，導致樁身側摩阻力不足以提供流水及靜水壓力的抗力，從而導致樁身整體發生向坑內偏移現象。

圖13 不同嵌入深度下鋼樁側向變形云圖

圖14 不同嵌入深度下鋼樁側向變形對比圖

3.4 圍護結構形式的影響

為研究圍護結構形式變化對鋼管柱圍堰側向變形的影響，現取圍堰形式分別為矩形與圓形進行分析，其中矩形為實際圍護結構形式，圓形圍堰直徑取矩形對角線長度，為便于計算，對其兩道內支撐結構形式統一進行簡化，對應模型如圖15所示，兩者迎水面鋼管樁側向位移如圖16所示，對應豎向中心線側向位移如圖17所示。

圖15 不同圍護結構形式三維有限元分析模型

由圖16可知，在采用同等內支撐結構條件下，圓形鋼管樁圍護結構迎水面最大側向位移遠遠小于矩形，且圓形鋼圍堰側向受力更為均勻。由圖17可知，圓形鋼管樁中心線自樁頂至樁端整體側向位移幾乎保持一致，最大側向位移僅為0.19 mm，相對矩形圍護結構最大側向位移達4.36 mm，顯然圍堰采取圓形結構將極大地減弱水流沖擊對圍護結構的影響，且整個圍護結構受力均勻，整體性相較矩形而言更為優越。因此實際工程中，對于流水沖擊下的圍堰開挖，可采用圓形鋼管樁形式，可顯著提高工程安全性。

圖16 不同圍護結構形式下鋼樁側向變形云圖

圖17 不同圍護結構形式下鋼樁側向變形對比圖

4 結論

以某城市快速路跨河大橋橋墩深水基礎施工所采用的鎖扣鋼管樁圍堰結構為背景，利用Plaxis 3D有限元數值軟件，在考慮明渠均勻流速分布的情況下，建立了水流力沖擊下鋼管樁圍護結構側向變形分析模型，并在此基礎上探討了不同均勻流平均流速、鋼管直徑、嵌入深度及圍護結構形式對圍護結構側向變形的影響規律，得出如下結論。

(1)迎水面鋼管樁由于受荷形式的區別導致側向位移相差較大，靜水與流水壓力共同作用下樁身側向變形遠大于僅考慮靜水壓力，且迎水面與背水面側向位移也存在較大差異，側向規律受空間效應影響顯著，因此實際在靜水湖泊與流水江河中圍堰施工時需合理設計圍護結構強度。

(2)水流速度越大迎水面鋼樁側向位移越大，且最大變形出現在流速最大對應深度處，鋼樁側向位移曲線與流速分布曲線表征的走勢特點基本一致。

(3)鋼管樁直徑的增大將有效減弱迎水面鋼樁側向變形值，當等效寬度大于0.9 m時，圍護結構側向變形值趨近于1 mm，且樁身側向位移基本呈均勻分布。

(4)當鋼管樁嵌入深度大于10 m時，迎水面圍護結構側向位移不再隨嵌入深度的增大而變化，而當嵌入深度過小時，圍護結構將出現整體位移的趨勢。

(5)圍護結構的形式將顯著影響迎水面鋼樁側向變形分布及最值大小，采用圓形圍護結構可極大地提升圍護結構側向受荷能力，可有效減弱水流沖擊，減小側向位移，因此在流水江河中可優先選用圓形圍護結構。