不平衡受力环境下钢管桩围堰结构学习体会

文献概况

本文由山东建筑大学王培森等团队发表于《施工技术（中英文）》2024年第53卷第19期，系山东省自然科学基金面上项目研究成果。文献以京台高速公路齐河至济南段改扩建工程主桥P3号墩为工程背景，针对黄河岸边深基坑承受不平衡水土压力的特殊工况，系统研究了钢管桩围堰支护结构的作用机理、变形特征及对临近既有桥梁的影响。该研究对于复杂地质与水文条件下的围堰设计具有重要的工程指导意义。

工程背景与挑战

特殊工况分析

京台高速公路齐河至济南段改扩建工程主桥P3号墩深基坑具有以下特殊性：

• 黄河岸边位置：基坑紧邻黄河，下游回水冲刷作用显著，地下水位受河流水位涨落影响大。
• 临近既有桥墩：基坑距离已有桥墩基础非常近，围堰施工变形可能对既有结构安全构成威胁。
• 不平衡水土压力：基坑一侧为河滩/水下，另一侧为陆地，两侧水土压力差异显著，形成典型的不平衡受力工况。

钢管桩围堰选型依据

在多种围堰形式（钢板桩围堰、双壁钢围堰、混凝土围堰等）中，钢管桩围堰因其良好的抗弯性能、可重复使用性及施工便捷性而被选用。钢管桩的截面形式通常为圆形，直径范围在φ600至φ900之间，壁厚在10至16mm之间。钢管桩之间通过锁口连接形成连续挡水结构，内部设置内支撑体系（通常为钢管或型钢支撑）以抵抗水土压力。

有限元分析结果解读

围堰变形特征

文献通过有限元分析揭示了钢管桩围堰在不平衡受力工况下的变形规律：

• 围堰变形随施工进程逐渐增大，最大变形出现在第5分析步（施工承台结构阶段），变形值为30.40mm，位于短边水中面。
• 变形主要集中在水土分界处，这是因为该区域围堰承受的弯矩最大，且约束条件最不利。
• 背水面变形大于迎水面，这一现象符合不平衡受力工况下的力学预期——背水面侧缺乏土体支撑，围堰在该侧的变形自由度更大。

支撑结构受力分析

支撑结构的受力分析揭示了以下关键发现：

• 支撑结构在长边左右两侧受力不均较明显，反映了不平衡水土压力对支撑体系的影响。
• 最大受力发生在第4分析步（土体开挖至基坑底部阶段），此时支撑体系承受的弯矩和剪力达到峰值。
• 最不利截面强度验算为121.47MPa，小于钢材屈服强度215MPa，满足设计要求，安全储备约为43.5%。

临近既有桥梁影响评估

文献对临近既有桥梁的沉降影响进行了专门分析，结果表明最大沉降值和最大倾斜度均满足规范要求。这一结论对于类似工程具有重要的参考价值，说明在合理设计围堰和支撑体系的前提下，不平衡受力工况下的围堰施工不会对临近既有结构造成不可接受的影响。

工程实践建议

基于文献研究结论，结合工程实践经验，提出以下建议：

1. 围堰设计阶段：应充分考虑不平衡水土压力的影响，在有限元模型中准确模拟两侧不同的水土压力条件，避免采用对称简化模型导致设计偏不安全。
2. 施工过程控制：应根据施工阶段划分，分步进行变形监测，重点关注水土分界处和背水面区域的变形发展。建议监测频率在施工初期较高，后期可适当降低。
3. 支撑体系优化：对于长边左右两侧受力不均的情况，可考虑采用非对称支撑布置或加强薄弱侧的支撑刚度，以减小不均匀变形。
4. 既有结构保护：虽然文献结论表明既有桥梁安全，但在实际工程中仍应设置沉降报警值，一旦监测数据接近报警值，应立即停止施工并采取补救措施。

学习心得与启示

这篇文献让我深刻体会到，围堰工程绝非简单的挡水挡土结构，而是需要综合考虑水文、地质、结构力学及施工工序的复杂系统工程。不平衡受力工况下的围堰设计，其难点在于准确预测变形分布和支撑受力，而这需要精细的有限元建模和合理的边界条件假设。文献中有限元计算结果与实际监测数据的良好吻合，验证了数值分析方法在围堰设计中的可靠性，同时也提醒我们，数值模型的准确性高度依赖于输入参数的真实性——包括土体参数、水位条件、施工荷载等。对于从事钢管桩围堰设计的技术人员而言，深入理解不平衡受力工况下的变形机理，是提高设计质量、保障施工安全的关键所在。