桩距对双排钢管桩围堰的受力变形影响分析

2022-05-20袁聪聪詹刚毅侯世磊章立辰黄展军

华东交通大学学报 2022年2期

袁聪聪，詹刚毅，侯世磊，江平，章立辰，黄展军

（1. 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，江西南昌 330013；2. 中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070；3. 中铁十四局集团第四工程有限公司，江西南昌 330038；4. 江西省港航建设投资集团港航运输有限公司，江西南昌 330008；5. 南昌轨道交通集团有限公司，江西南昌 330038）

围堰在水域范围内的工程施工中发挥着挡水挡土的作用，为工程施工提供干燥开阔的施工作业面。围堰形式多种多样，各具优缺点，浅水区域多为土石围堰，其施工方便，造价较低[1]；桥墩施工多为钢围堰，其占地面积小，材料可重复利用，工艺成熟[2]。近年来逐渐出现一种围堰模式——双排钢管桩围堰[3-6]，具体结构为两侧插打钢管桩，形成密闭结构，再填充土体，提高稳定性。这种模式结合土围堰与钢围堰的优点，利用土体与钢管桩共同抵抗水土压力，占地面积小且较传统钢围堰稳定性更高。

双排钢管桩围堰利用钢管桩及填土共同抵抗水土压力，受力机理较为复杂，国内外学者对其进行了许多研究。张玉成等[7]综述了双排桩围堰的优缺点及计算方法，认为目前的双排桩围堰的设计计算方法对双排桩相互作用及空间效应考虑较少；Xue 等[8]研究桩墙框架结构的受力特性，认为桩距由0.05d 变为0.2d 不会导致结构稳定性大幅降低；Hwang 等[9]将双排板桩墙进行稳态渗流分析结果、瞬态渗流分析结果与实际对比，认为稳态渗流更符合实际情况；Khan 等[10]通过离心试验研究了洪水发生时的双排板桩围堰稳定性；彭常青等[11]通过对钢管桩受力进行分析，认为拉杆承受了绝大多数的土压力，应当重视拉杆的合理布置；汪洋等[12]通过对钢管桩+夹心土围堰的设计计算，指出外侧钢管刚度可小于内侧钢管桩，以减少工程费用；Zhao 等[13]指出钢管桩插入深度为结构重要参数，当插入深度过小时，板桩结构相当于简支梁；江杰等[14]引入冗余度理论，使用Plaxis 有限元软件分析不同构件对围堰的影响；Cui 等[15]利用有限元软件计算了不同水位时的双排钢板桩围堰受力变形特征；侯永茂等[16]通过有限元分析指出围堰内侧进行土体加固能有效减小围堰变形。

调研文献发现，目前国内外对双排钢管桩围堰的研究还较少，且未见钢管桩的间距对围堰变形受力影响的相关报道，本文以南昌市艾溪湖隧道围堰工程为依托，分析双排钢管桩围堰中桩距的影响，为类似工程提供参考。

1 工程案例

1.1 工程概况

南昌市艾溪湖公轨共建隧道为江西省首条双层合建隧道，上层为公路隧道，连接艾溪湖东西两侧路网，下层为地铁隧道，为南昌轨道交3 号线延伸段，隧道穿湖而过，连接艾溪湖东西两岸。湖中段选用明挖法施工，施作临时围堰，围堰形式为双排钢管桩+夹心土围堰。围堰及基坑工程呈长条状，总长约761 m，宽约80 m。图1 为艾溪湖隧道工程现场实拍图。

图1 艾溪湖工程：围堰Fig.1 Aixihu lake project：cofferdam

1.2 围堰概况

围堰设计水位取艾溪湖二十年一遇水位17.2 m，湖底标高14.2 m；围堰填土宽度4.5 m，外侧设置防水土工布；围堰顶部标高18.7 m，钢管桩长9 m，插入深度4.5 m。外侧选用直径630 mm 壁厚10 mm钢管，钢管之间使用锁扣和双拼25a 槽钢相互连接；内侧选用直径630 mm 壁厚8 mm 钢管，利用双拼25a 槽钢作为钢围檩连接。两排钢管桩之间一一对应，并使用直径32 mm 的圆钢拉杆相互连接，钢管桩间距为1.32 m。围堰内侧距基坑地下连续墙20 m。见图2。

图2 围堰-基坑示意图Fig.2 Schematic diagram of cofferdam-pit

1.3 基坑概况

该工程为公轨共建隧道，2 条隧道断面尺寸不同，围堰内部基坑为坑中坑形式。基坑外坑宽30 m深10 m，内坑宽12 m 深7 m，内坑位于基坑中部，坑底距地面17 m。外坑为内支撑+地连墙支护体系，内坑为内支撑+钻孔灌注桩支护体系，内坑不设置止水措施。基坑共设2 道围护结构，5 道内支撑：外坑围护结构为地连墙，厚1 m、深24 m，内坑围护结构为排桩，桩径0.8 m，桩间距1.3 m，桩长14 m；内支撑距地面深度分别为0，3，6，10，13 m。其中外坑3 道，内坑两道，第1、第4 道支撑为混凝土支撑，分别为外坑与内坑顶部支撑，尺寸均为0.8 m×1 m，间距9 m；第2、第3、第5 道支撑为钢支撑，为直径609 mm 壁厚16 mm 的钢管，间距3 m。

1.4 施工阶段模拟

围堰和基坑的施工通过Plaxis 的激活/停用来实现，模型施工步骤尽量做到和实际工程一致，以尽可能准确计算各单元的内力变形情况，具体施工阶段如下（下文以围堰内地表为0 m）：

Step1 初始渗流场与初始应力场分析；

Step2 激活围堰；

Step3 围堰内部降水至0 m；

Step4 激活外坑的地下连续墙内坑排桩；

Step5 降水至-3.5 m；

Step6 激活第1 道混凝土支撑并开挖至-3 m；

Step7 降水至-6.5 m；

Step8 激活第2 道钢支撑并开挖至-6 m；

Step9 降水至-10.5 m 处；

Step10 激活第3 道钢支撑并开挖至-10 m；

Step11 激活外坑坑底混凝土底板；

Step12 降水至-13.5 m；

Step13 激活第4 道支撑并开挖至-13 m；

Step14 降水至-17.5 m；

Step15 激活第5 道支撑并开挖至-17 m。

2 有限元模型

2.1 模型尺寸

根据工程情况，建立有限元模型，因该工程为长条状，可选取典型段进行计算。结合工程特点及本课题组之前的研究成果[17]，为节省计算成本根据对称原理，取一半进行建模。考虑到边界效应，围堰外侧土体保留40 m 宽，模型深度取基坑坑底以下23 m 深，综上所述，模型大小取40 m（高）×60 m（长）×80 m（宽）。

2.2 模型参数选取

围护结构均使用结构单元模拟，排桩通过抗弯刚度等效公式[18]等效为板单元，内支撑使用固定端锚杆模拟，混凝土与钢结构均采用弹性本构，围护结构计算参数见表1。

表1 支护结构计算参数Tab.1 Sample parameters list

表2 土层计算参数Tab.2 Calculation parameters of soil layer

3 结果分析

3.1 模型可靠性验证

在工程施工时，需对其进行监测，防止变形过大出现垮塌等工程事故。湖中段基坑每隔20 m 设置一处地连墙深层水平位移监测点，围堰每隔50 m设置一处深层水平位移监测点。

有限元模型参数取自艾溪湖湖中段，因此将数值计算结果与艾溪湖工程湖中段K1+480 处断面监测数据对比，因围堰监测自围堰降水后基坑开挖前开始，因此将计算结果中围堰钢管桩水平位移减去基坑开挖之前的变形，再与监测数据进行对比。

从图3 可知，与实测结果相比，数值计算围堰变形在钢管桩底部偏大，在钢管桩顶部偏小，结果偏差在0.5 mm 以内；地下连续墙水平位移呈现经典的抛物线型变形，实测与数值计算结果中最大水平位移均出现在-11 m 处，数值计算结果与实测略有偏差，监测与数值计算变形最大值分别为7.05，8.33 mm，相差15.4%。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，变形趋势相同，本数值模型可反映工程实际情况。

3.2 双排桩桩距对双排钢管桩受力变形的影响

以该有限元模型为基础，靠近基坑侧钢管桩为内侧（如图3），建立双排桩桩距不同的工况进行计算，分析不同桩距对钢管桩变形受力影响。具体桩距见表3。

表3 各工况桩距Tab.3 Pile distance for each working condition

图3 实测结果与模拟对比Fig.3 Comparison of measured and simulated results

以向内侧为正方向，将工况1～工况7 的钢管桩在基坑开挖完成后的最终变形绘制成图4。由图4可知，在双排桩桩距增加时，钢管桩底部水平位移无明显变化，钢管桩上部水平位移随桩距增加而增大，水平位移最大点出现在桩顶。表3 为各工况桩顶水平位移。钢管桩水平随着桩距增大而增大，且变化速率与桩距大小有关，呈现先增大后减小的趋势，外侧钢管桩变形增加速率较内侧要大。这是因为在本工程中，桩距小于1.32 m 时，土拱效应较为明显，增加桩距不会导致变形大幅增长；在桩距为1.32～2.0 m 时，土拱效应减弱，导致钢管桩变形增长速率增大；而在桩距大于2.0 m 时，围堰变形较大，土体逐渐由静止土压力变为被动土压力，填土抵抗水压力作用增加，钢管桩桩距增加导致刚度减小，但是由于填土抵抗水压力的能力增强，围堰整体刚度减小幅度不大，钢管桩变形增长速率较小。

图4 双排桩桩距不同时的钢管桩水平位移Fig.4 Horizontal displacement of steel pipe piles with different pile distances of double-row piles

表4 桩距不同时的钢管桩桩顶水平位移Tab.4 Horizontal displacement of steel pipe pile tops with different pile distance

图5 双排桩桩距不同时的钢管桩弯矩Fig.5 Bending moment of steel pipe piles with different pile distances of double-row piles

3.3 单排桩桩距对双排钢管桩受力变形的影响

改变单排桩桩距，将单排桩桩距由1.32 m 增加至2.64 m，分析单侧桩桩距对双排钢管围堰变形受力的影响，同时与双排桩桩距为1.76 m 的工况进行对比，分析在桩数相同的情况下不同钢管桩分配情况的围护效果。

图6 为不同工况情况下的钢管桩水平位移。由图6 可知，随着桩距增加，钢管桩变形均出现不同程度的增长，各工况外侧钢管桩变形最大值分别为47.44，67.11，70.10，57.91 mm，与工况1 相比，工况8，工况9 水平位移最大值分别增加了47.77%，22.07%；与桩数量相同的工况3 相比，工况8 变形最大值要偏大4.46%，而工况9 变形要小14.71%。显然，在控制总桩数的情况下，适当增大外侧桩距并且减小内侧桩距比两侧相同桩数更能有效控制围堰变形。其原因有两个：一是两排钢管桩荷载模式不同，内侧钢管桩受力与悬臂桩类似，仅受到填土的土压力，外侧钢管桩同时受到两侧的填土的土压力与湖水的水压力，使得外侧钢管桩所受压力要小于内侧钢管桩；二是由于围堰会将一部分水压力传导至围堰底部，在增加外侧钢管桩桩距后，导致围堰所受水压力增大，传导至围堰底部的压力也随之增大，由钢管桩承受的压力就随之减小，因此钢管桩变形增长较小。