流速對(duì)深水鎖扣鋼管樁圍堰側(cè)向變形的影響

黃梁，王寧，康華，萬(wàn)波，李建

(1.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070；2.華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013；3.中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018；4.南昌鐵路天河建設(shè)有限公司，南昌 330002；5.江西省潤(rùn)邦工程技術(shù)研究有限公司，南昌 330077)

為加快城市發(fā)展速度，中國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，近年來(lái)路橋隧的建設(shè)尤為迅速。在橋梁建設(shè)中，經(jīng)常遇到深水作業(yè)的情況，如一些大型橋墩的施工。通常水中橋墩施工作業(yè)都采用圍堰形式的基坑，圍堰基坑在設(shè)計(jì)時(shí)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(dǎo)致圍堰在兩個(gè)方向的變形不同，這將直接影響到橋梁圍堰設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測(cè)安全[1-3]。

河道水流通常被假設(shè)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(duì)數(shù)型流速分布3個(gè)參數(shù)對(duì)垂向流速分布的敏感性影響。劉建波等[5]認(rèn)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(duì)應(yīng)湍流海域水流力分布規(guī)律。方崇等[6]基于粒子圖像測(cè)速儀水槽實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(huì)使紊流度增大。周舟等[7]利用數(shù)值分析了等寬明渠交匯口流速的分布特性，數(shù)值結(jié)果顯示交匯口內(nèi)流線彎曲流速偏轉(zhuǎn)，下游會(huì)出現(xiàn)回流結(jié)構(gòu)與斷面環(huán)流現(xiàn)象。張維樂(lè)等[8]總結(jié)流速分布解析模型的研究成果，并根據(jù)植被密度和淹沒(méi)度對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

根據(jù)橋墩的性狀，圍堰整體平面設(shè)計(jì)上存在圓形、橢圓形、矩形等。水流繞行不同形狀產(chǎn)生的水壓不同，進(jìn)而帶來(lái)不同的結(jié)構(gòu)變形。此外圍堰本身構(gòu)造也對(duì)水流存在影響。如雙壁鋼圍堰表面相對(duì)光滑，而鎖扣鋼管樁圍堰表面相對(duì)粗糙。鄧海等[9]認(rèn)為雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)中變形最嚴(yán)重的區(qū)域位于圍堰中部的內(nèi)支撐區(qū)域。張程然等[10]制作1∶100圍堰模型分析了深水基礎(chǔ)啞鈴型新型組合圍堰結(jié)構(gòu)。王達(dá)等[11]分析了黃河上游超大型雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)受力情況，結(jié)果表明圍堰內(nèi)抽水準(zhǔn)備安裝第1層內(nèi)支撐時(shí)為最不利工況，變形和應(yīng)力均達(dá)到最大。王曉佳等[12]通過(guò)數(shù)值軟件模擬了伶仃洋大橋西錨碇筑島圍堰施工過(guò)程，結(jié)果表明橢圓形圍堰設(shè)計(jì)下整體結(jié)構(gòu)受力較好。此外，徐小祥[13]、黃厚卿等[14]及楊春山等[15]也對(duì)圍堰變形做了大量分析。

上述學(xué)者均對(duì)明渠流速分布規(guī)律及圍堰受外力作用下變形規(guī)律做了大量研究，但針對(duì)圍堰與流速相互作用關(guān)系的研究相對(duì)缺乏。然而，圍堰作為大型水工結(jié)構(gòu)，對(duì)明渠流的流向和流速都會(huì)造成顯著的影響。此外，上述研究也缺乏對(duì)圍堰本身結(jié)構(gòu)和形狀方面的分析。因此，現(xiàn)以某城市快速路跨河大橋橋墩深水基礎(chǔ)施工所采用的鎖扣鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)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(cè)向變形空間效應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上分析流速分布、鋼管樁直徑、嵌入深度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)圍堰側(cè)向變形的影響規(guī)律，以期為深水作業(yè)橋梁圍堰的合理設(shè)計(jì)及施工監(jiān)測(cè)提供參考。

1 工程概況與水文地質(zhì)

1.1 工程概況

某城市快速路跨河大橋橋長(zhǎng)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(tái)施工采用φ630 mm×10 mm鎖扣鋼管樁圍堰，材質(zhì)Q235，單根長(zhǎng)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(shè)置兩層內(nèi)支撐，與承臺(tái)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(hù)結(jié)構(gòu)形式采用雙拼工字鋼圍檁+內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)形式，采用C-T型鎖扣止水，如圖1所示。

圖1 鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)圖

為確保橋墩施工的安全、抽水及開挖的順利進(jìn)行，在整個(gè)開挖施工過(guò)程中進(jìn)行了全過(guò)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理和信息化施工。監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容包括：鋼管樁樁頂側(cè)向位移、鋼管樁樁頂豎向位移、支撐內(nèi)力、坑內(nèi)水位以及鋼管樁的深層側(cè)向位移。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

1.2 水文地質(zhì)

工程場(chǎng)地區(qū)覆蓋層從上到下各層依次為：粉質(zhì)黏土、粉砂、礫砂、卵石層、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖。大橋主墩橋位區(qū)主要是卵石層、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化粉砂巖。

河流年平均實(shí)測(cè)水流速度為2.75 m/s，實(shí)測(cè)水位為27.589 m，隨季節(jié)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(cè)向補(bǔ)給。河水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

2 數(shù)值模型

2.1 模型的建立與參數(shù)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(zhǎng))×102 m(寬)×30.5 m(高)，上表面設(shè)置為自由邊界，下表面限制側(cè)向及豎向位移，側(cè)面限制側(cè)向位移，網(wǎng)格劃分采用自適應(yīng)10節(jié)點(diǎn)四面體單元，單元數(shù)量共計(jì)50 517個(gè)(本文研究中僅考慮靜水與流水荷載對(duì)圍堰本身影響，暫不納入樁基及承臺(tái)施工過(guò)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(xiàn)有研究在考慮流水壓力對(duì)圍堰迎水面產(chǎn)生的側(cè)向變形時(shí)，一般不考慮流水壓力或簡(jiǎn)單地認(rèn)為水流速度自水面沿深度向下至河床保持不變，即對(duì)應(yīng)水流荷載沿深度方向?yàn)榫恢?，這將導(dǎo)致圍堰結(jié)構(gòu)受力與實(shí)際存在出入，為探究明渠均勻流作用下圍堰鋼樁實(shí)際受力情況，通過(guò)Plaxis 3D荷載自定義分布功能，實(shí)現(xiàn)了不同流速分布下對(duì)應(yīng)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(duì)了僅考慮靜水壓力及靜水與流水壓力共同作用下圍堰側(cè)向變形情況。地層剖面如圖4所示。巖土體材料采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)，物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層力學(xué)特征性指標(biāo)表

h為豎向高度

為簡(jiǎn)化模型計(jì)算時(shí)間及減少小距離單元網(wǎng)格畸變，對(duì)鎖扣式鋼樁柱圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(zhǎng)度850 mm，D1為大鋼樁直徑，D2為小鋼樁直徑，Iy為工字鋼長(zhǎng)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(cè)向變形比較

圖6為靜水與流水壓力作用下圍堰的側(cè)向變形云圖。如圖6(a)所示，鋼樁最大側(cè)向變形出現(xiàn)在中間部位，在靜水壓力作用下，圍堰長(zhǎng)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(zhǎng)邊方向圍堰面積略大于短邊方向，導(dǎo)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(jié)合圖7可知，當(dāng)僅考慮靜水壓力時(shí)，鋼樁豎向中心線最大側(cè)向變形出現(xiàn)在距樁頂8.1 m處，樁身側(cè)向變形自樁頂向下呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，樁頂側(cè)向變形幾乎為0，樁自深度約-17 m處開始側(cè)向變形減小為0。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)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(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的空間效應(yīng)尤為顯著，迎水面的側(cè)向變形遠(yuǎn)高于側(cè)向及背水面，結(jié)合圖7可知，鋼樁豎向中心線最大側(cè)向變形出現(xiàn)在距樁頂5.5 m處，樁身側(cè)向變形自樁頂向下呈現(xiàn)先略微增大而后減小至0的趨勢(shì)，樁頂側(cè)向變形達(dá)3.6 mm，其樁身側(cè)向變形與僅考慮靜水壓力有著明顯區(qū)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(xiǎn)面(迎水面)的側(cè)向變形規(guī)律，為實(shí)際圍堰開挖工程設(shè)計(jì)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(cè)向變形

2.3 模型驗(yàn)證

由圖6可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形最大值出現(xiàn)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(cè)向位移實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比，結(jié)果如圖8所示，實(shí)測(cè)值雖偏于離散，但總體趨勢(shì)仍與模擬值保持一致，且在樁端與樁頂部位側(cè)向位移吻合較好，因此本模型結(jié)果可較好地反應(yīng)鋼樁側(cè)向變形規(guī)律，從而進(jìn)一步探究不同參數(shù)影響下圍堰結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形情況。迎水面鋼樁側(cè)向向變形最大值均出現(xiàn)在深度約-8 m處，且迎水面?zhèn)认蜃冃芜h(yuǎn)大于背水面，最大差值約為3.35 mm，體現(xiàn)在樁頂位置處，而后沿著深度的增大，側(cè)向變形差值自樁頂向樁端處逐漸減小，側(cè)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(jiàn)，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(shí)際工程中應(yīng)對(duì)迎水面鋼管的設(shè)計(jì)、施工及變形監(jiān)測(cè)加以重視。

圖8 鋼管樁側(cè)向變形對(duì)比圖

3 參數(shù)分析

3.1 水流速度的影響

為研究明渠流平均流速變化對(duì)鋼管樁圍堰側(cè)向變形的影響，現(xiàn)取平均流速分別為V=1 m/s、V=2.75 m/s、V=3.5 m/s進(jìn)行分析，其中V=2.75 m/s為實(shí)測(cè)水流均速，迎水面鋼管樁側(cè)向位移如圖9所示，由圖9可知其最大側(cè)向位移出現(xiàn)了中心線位置，因此取對(duì)應(yīng)豎向中心線側(cè)向位移作對(duì)比如圖10所示。

由圖9可知，鋼管樁側(cè)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(guān)。由圖10可知，鋼管樁中心線側(cè)向位移與流速分布規(guī)律基本一致，基本在最大流速深度h=-4.8 m處表現(xiàn)為最大位移；樁身位移自樁頂至樁端呈現(xiàn)為先增大而后減小為0的趨勢(shì)，但當(dāng)V=3.5 m/s時(shí)這一趨勢(shì)變得微弱，樁頂位移隨著流速增大顯著增長(zhǎng)，因此樁身側(cè)向位移與明渠流速密切關(guān)聯(lián)；不論在何種流速下，樁身入中風(fēng)化巖后側(cè)向位移均幾乎為0。

圖9 不同流速下鋼樁側(cè)向變形云圖

圖10 不同流速下鋼樁側(cè)向變形對(duì)比圖

3.2 鋼管直徑的影響

為研究鋼管樁直徑變化對(duì)鋼管樁圍堰側(cè)向變形的影響，同時(shí)為便于計(jì)算，利用等效剛度后板單元寬度變化表征鋼管直徑影響，現(xiàn)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(jìn)行分析，其中d=0.47 m為實(shí)際等效鋼板寬度，迎水面鋼管樁側(cè)向位移如圖11所示，同理由于最大側(cè)向位移出現(xiàn)在中心區(qū)域，取對(duì)應(yīng)豎向中心線側(cè)向位移如圖12所示。

圖11 不同等效寬度下鋼樁側(cè)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(duì)應(yīng)鋼管樁直徑的增大)，迎水面鋼管樁最大側(cè)向位移迅速減小，但變形影響范圍呈現(xiàn)逐步擴(kuò)大態(tài)勢(shì)。由圖12可知，鋼管樁中心線側(cè)向位移隨著鋼管樁直徑增大顯著減弱，最大側(cè)向位移值仍保持在最大流速對(duì)應(yīng)深度；當(dāng)b=0.3 m時(shí)，最大側(cè)向位移達(dá)到了10.66 mm，約為b=0.47 m時(shí)的2.5倍，約為b=0.9時(shí)的10倍，因此增大鋼樁的直徑可有效控制圍堰結(jié)構(gòu)側(cè)向變形。

圖12 不同等效寬度下鋼樁側(cè)向變形對(duì)比圖

3.3 嵌入深度的影響

為研究鋼管樁嵌入深度變化對(duì)鋼管樁圍堰側(cè)向變形的影響，現(xiàn)取鋼管樁嵌入深度分別為d=5 m、d=10 m、d=14 m、d=20 m進(jìn)行分析，其中d=14 m為實(shí)際嵌固深度，迎水面鋼管樁側(cè)向位移如圖13所示，對(duì)應(yīng)豎向中心線側(cè)向位移如圖14所示。

由圖13可知，鋼管樁嵌入深度對(duì)迎水面鋼樁最大位移影響極其微小，影響區(qū)域基本保持在自樁頂向下15 m左右范圍內(nèi)。由圖14可知，當(dāng)鋼管樁嵌入深度大于d=10 m時(shí)，迎水面鋼管樁最大側(cè)向位移隨著嵌入深度的進(jìn)一步增長(zhǎng)幾乎保持不變，最大側(cè)向值幾近同一值為4.39 mm；但當(dāng)嵌入深度為d=5 m時(shí)，中心線側(cè)向位移呈現(xiàn)整體增大現(xiàn)象，最大增幅出現(xiàn)在樁端，差值為1.2 mm，可能的原因是由于嵌入深度過(guò)小，且未到達(dá)強(qiáng)度較大的中風(fēng)化砂巖，導(dǎo)致樁身側(cè)摩阻力不足以提供流水及靜水壓力的抗力，從而導(dǎo)致樁身整體發(fā)生向坑內(nèi)偏移現(xiàn)象。

圖13 不同嵌入深度下鋼樁側(cè)向變形云圖

圖14 不同嵌入深度下鋼樁側(cè)向變形對(duì)比圖

3.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的影響

為研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式變化對(duì)鋼管柱圍堰側(cè)向變形的影響，現(xiàn)取圍堰形式分別為矩形與圓形進(jìn)行分析，其中矩形為實(shí)際圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，圓形圍堰直徑取矩形對(duì)角線長(zhǎng)度，為便于計(jì)算，對(duì)其兩道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)應(yīng)模型如圖15所示，兩者迎水面鋼管樁側(cè)向位移如圖16所示，對(duì)應(yīng)豎向中心線側(cè)向位移如圖17所示。

圖15 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式三維有限元分析模型

由圖16可知，在采用同等內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)條件下，圓形鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)迎水面最大側(cè)向位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于矩形，且圓形鋼圍堰側(cè)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(cè)向位移幾乎保持一致，最大側(cè)向位移僅為0.19 mm，相對(duì)矩形圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移達(dá)4.36 mm，顯然圍堰采取圓形結(jié)構(gòu)將極大地減弱水流沖擊對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，且整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力均勻，整體性相較矩形而言更為優(yōu)越。因此實(shí)際工程中，對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)形式下鋼樁側(cè)向變形云圖

圖17 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式下鋼樁側(cè)向變形對(duì)比圖

4 結(jié)論

以某城市快速路跨河大橋橋墩深水基礎(chǔ)施工所采用的鎖扣鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)為背景，利用Plaxis 3D有限元數(shù)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(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形分析模型，并在此基礎(chǔ)上探討了不同均勻流平均流速、鋼管直徑、嵌入深度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論。

(1)迎水面鋼管樁由于受荷形式的區(qū)別導(dǎo)致側(cè)向位移相差較大，靜水與流水壓力共同作用下樁身側(cè)向變形遠(yuǎn)大于僅考慮靜水壓力，且迎水面與背水面?zhèn)认蛭灰埔泊嬖谳^大差異，側(cè)向規(guī)律受空間效應(yīng)影響顯著，因此實(shí)際在靜水湖泊與流水江河中圍堰施工時(shí)需合理設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2)水流速度越大迎水面鋼樁側(cè)向位移越大，且最大變形出現(xiàn)在流速最大對(duì)應(yīng)深度處，鋼樁側(cè)向位移曲線與流速分布曲線表征的走勢(shì)特點(diǎn)基本一致。

(3)鋼管樁直徑的增大將有效減弱迎水面鋼樁側(cè)向變形值，當(dāng)?shù)刃挾却笥?.9 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形值趨近于1 mm，且樁身側(cè)向位移基本呈均勻分布。

(4)當(dāng)鋼管樁嵌入深度大于10 m時(shí)，迎水面圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移不再隨嵌入深度的增大而變化，而當(dāng)嵌入深度過(guò)小時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)整體位移的趨勢(shì)。

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