摘要: 为研究PC工法桩围堰结构在施工过程中的受力及变形特性，本文以某工程的深水基础施工为背景，采用有限元软件建立围堰空间整体模型，考虑土压力、静水压力、水流力以及波浪力等荷载组合对围堰的作用，按照不同的施工阶段，划分为六种工况进行加载计算，得出最不利工况，并对围堰的结构应力、位移变形等进行分析。结果表明：该围堰结构的强度和刚度均满足要求，结构安全可靠。在施工前期，围堰各个侧面中心位置处的位移变形随着深度的增加呈现出逐渐减小的趋势，而在施工后期，位移变形呈现出先增大后减小的变化趋势，且在整个过程中，迎水面的位移变形始终大于侧水面和背水面。随着围堰坑内开挖深度的增加，最大侧向位移对应的位置越来越深，但无论在任何施工阶段，钢板桩底端插入风化岩后其侧向位移变形几乎都很小。下层围檩及内支撑的应力大于上层，横撑中间位置处的应力大于两端处的应力，围堰开挖面的四角是最薄弱的受力点，应力集中现象明显。因此，在围堰设计过程中，需加强四角位置的连接，下层围檩及内支撑可选择截面惯性矩和屈服强度较大的型钢，也可根据实际情况，在底层围檩的中心位置处加设钢管，避免围堰发生失稳现象。
Abstract:
In order to study the stress and deformation characteristics of the PC construction method pile cofferdam structure during the construction process, this paper takes the deep-water foundation construction of a certain project as the background, uses finite element software to establish a comprehensive spatial model of the cofferdam, considers the effects of load combinations such as soil pressure, static water pressure, water flow force, and wave force on the cofferdam, divides it into six working conditions according to different construction stages for loading calculation, obtains the most unfavorable working condition, and analyzes the structural stress and displacement deformation of the cofferdam. The results show that the strength and stiffness of the cofferdam structure meet the requirements, and the structure is safe and reliable. In the early stage of construction, the displacement and deformation at the central position of each side of the cofferdam showed a gradually decreasing trend with the increase of depth, while in the late stage of construction, the displacement and deformation showed a trend of first increasing and then decreasing. In the whole process, the displacement and deformation of the facing surface were always greater than that of the side and back water surfaces. With the increase of excavation depth in cofferdam pit, the position corresponding to the maximum lateral displacement becomes deeper and deeper, but the lateral displacement and deformation of steel sheet pile after the bottom end is inserted into weathered rock are almost small in any construction stage. The stress of the lower enclosing purlin and the inner support is greater than that of the upper layer, and the stress in the middle position of the transverse support is greater than that at both ends. The four corners of the cofferdam excavation face are the weakest stress points, and the stress concentration is obvious. Therefore, in the process of cofferdam design, it is necessary to strengthen the connection of the four corners. The lower enclosing purlin and the inner support can choose the section steel with larger section moment of inertia and yield strength, or according to the actual situation, the steel pipe can be installed at the center of the bottom enclosing purlin to avoid the instability of the cofferdam.
1. 引言
随着国家“一带一路”战略的实施以及桥梁建设水平的发展，我国建成了如港珠澳大桥、南京长江大桥及天津河海大桥等多座大跨度桥梁，无论是桥梁规模、建设水平，还是发展速度，都走在世界前列。在大跨度桥梁的施工中，桥墩基础往往形式复杂且施工难度较大，在深水施工中需要使用辅助结构，此时需要修建临时围堰，围堰支护结构对大跨径桥梁的承台及桥墩的施工至关重要。由于风浪、潮汐等恶劣的气象条件以及复杂的地质条件，桥梁施工面临施工难度大、工况复杂等关键性技术难题。近年来，国内外学者通过理论计算以及有限元模拟对围护结构进行分析。戴良军等 [1] 提出了一种基于增量法钢板桩围堰的安全性计算方法。杜闯等 [2] 采用有限元软件对钢板桩围堰进行了建模分析。张俊 [3] 采用空间有限元、平面有限元和等值梁法对围堰的受力情况进行了对比研究。黄梁等 [4] 分析了流速对深水锁扣钢管桩围堰侧向变形的影响。Kimura等 [5] 探讨了钢板桩在结构基础施工中的设计以及应用。Osthoff等 [6] 对钢板桩围堰在施工过程中的变形行为进行了深入研究。目前，我国常用于水下基础施工的方法有混凝土围堰、钢套箱围堰、双壁钢围堰及钢板桩围堰等 [7] 。本文采用一种由拉森钢板和钢管桩组合形成的PC工法组合桩围堰，将拉森钢板和钢管桩通过锁扣焊接在一起进行连接。钢管桩主要起到抵挡围堰外侧土体的作用，而钢板桩与钢管桩共同起到挡水的作用。PC工法桩围堰与其他的围堰相比，其优势特点在于绿色环保，施工简单，能够有效缩短施工工期，较其他工艺止水效果突出，密水性好，支护强度高，适用于较大较深的深水或房建基坑等。综合来看，PC工法组合桩应用于水中围堰工程，具有高效性、适应性与经济性。因此，PC工法桩围堰是一种极具优势和潜力的深水围堰施工技术。
本文通过有限元软件建立PC工法桩围堰模型，考虑实际施工环境中的结构自重、静水压力、水流力、波浪力以及土压力等荷载的作用，准确模拟围堰坑内开挖及围檩和内支撑安装的施工过程。对不同施工阶段下的PC工法桩围堰整体结构模型进行计算，分析该围堰在不同工况下迎水面、侧水面及背水面的位移变形、桩身应力、围檩及内支撑应力分布特征。总结PC工法桩围堰结构在开挖过程中的受力机理、位移变形规律，并找出最不利的施工阶段和结构最薄弱的部位，从而确保围堰的安全和稳定性。
2. 工程概况
某工程主桥采用(90 + 180 + 90) m连续梁拱，主桥下部结构采用为承台 + 群桩基础，承台为矩形截面，矩形截面四周设置倒角，截面长为26.4 m，宽为18.95 m，厚为5.5 m。承台下布置4排桩基，共18根。主桥墩位于河海河道内，采用PC工法组合桩围堰法施工。
根据相应的地质勘探报告和施工区域内河床分布情况，结合现有以及同类型工程的施工经验，本工程围堰施工区域各层土体力学参数取值如表1所示。
围堰平面尺寸为29.8 m × 22.35 m，围堰底部标高−3.84 m，墩身施工之前围堰顶部标高为+19.80 m，围堰整体由钢管桩、拉森VIw型钢板桩、围檩及内支撑组成，其中钢管桩采用Q345 φ820 × 14钢管，第1道围檩采用双拼工45c工字钢，第2、3道围檩采用2HN700 × 300 × 13 × 24，第4、5道围檩采用3HN700 × 300 × 13 × 24，第1道内支撑采用Q235 φ609 × 16钢管，第2、3道内支撑采用Q235 φ800 × 16钢管，第4、5道内支撑采用Q235 φ800 × 20。该围堰共设置5道内支撑，5道内支撑标高分别为+17.18 m、+13.68 m、+10.68 m、+7.68 m、+4.18 m。PC工法桩构造如图1所示，围堰结构平面图和立面图如图2所示。
Figure 1. Schematic diagram of PC method pile construction
图1. PC工法桩构造示意图
(a) 围堰平面图 (b) 围堰立面图
Figure 2. Schematic diagram of layout of cofferdam structure form
图2. 围堰结构形式布置示意图
3. 围堰模型建立及工况划分
3.1. 围堰模型建立
采用Midas Civil软件建立PC工法桩围堰空间整体模型，并对其进行有限元数值模拟分析。围堰主要构件包括拉森钢板、钢管桩、围檩、横撑、斜撑以及封底混凝土等，对部分小的构件在建模的时候进行简化处理。拉森钢板与钢管桩采用板单元模拟，内支撑及围檩采用梁单元进行模拟，封底混凝土采用实体单元模拟 [8] 。钢管桩与围檩间的接触采用仅受压弹性连接，围檩与牛腿处的接触采用一般弹性连接。钢板桩底部约束Dz，封底混凝土底部约束Dx、Dy和Dz。围堰开挖面以下钢板桩与土体之间的相互作用采用“土弹簧”约束模拟，围堰开挖面以上通过土压力的方式施加在围堰结构上。围堰结构的整体空间模型如图3所示。
(a) 围堰整体模型 (b) 内支撑体系模型
Figure 3. PC method pile cofferdam model
图3. PC工法桩围堰模型
3.2. 计算工况划分
PC工法桩围堰通常是桩基浇筑施工完成后从迎水侧开始插打拉森钢板和钢管桩直至围堰合拢，然后对围堰内部逐步进行抽水开挖，并在设计标高位置安装围檩及内支撑，再浇筑封底混凝土，达到设计强度后，进行承台及桥墩施工，最后对围堰内支撑体系结构拆除。
由此可依据以上PC工法桩围堰的施工步骤，考虑土压力、静水压力、水流力以及波浪力等荷载组合对围堰的作用，该工程的计算工况可以划分为以下几种：
1) 工况一，拉森钢板和钢管桩插打完成后，安装第一层围檩及内支撑(+17.18 m)；
2) 工况二，围堰坑内开挖至+12.68 m高程，安装第二层围檩及内支撑(+13.68 m)；
3) 工况三，围堰坑内开挖至+9.68 m高程，安装第三层围檩及内支撑(+10.68 m)；
4) 工况四，围堰坑内开挖至+6.68 m高程，安装第四层围檩及内支撑(+7.68 m)；
5) 工况五，围堰坑内开挖至+3.18 m高程，安装第五层围檩及内支撑(+4.18 m)；
6) 工况六，围堰坑内开挖至底部−0.07 m高程，浇筑封底混凝土。
4. 围堰计算结果分析
4.1. 围堰侧向位移变形分析
根据建立的PC工法桩围堰空间整体模型，考虑静水压力、土压力、水流力等荷载组合对围堰的作用，对不同施工阶段的六种工况进行分析计算，得到各个工况下围堰侧向位移变形，如图4所示。
各工况下围堰各个侧面、围檩及内支撑位移变形计算结果汇总如表2所示。围堰的最大位移变形位于各侧面的中心位置处，各工况下的围堰侧水面、迎水面以及背水面中心位置处的位移变形在竖直方向上随着深度的增加其趋势变化如图5所示。
根据图5可知，工况一，围堰迎水面的位移变形明显大于侧水面和背水面的位移变形，侧水面和背水面的位移变形基本一致，且均呈现出随着深度的增加位移逐渐减小的趋势，基本在钢板桩深度h = 10 m处位移变化均趋于极小值。工况一下围堰坑内还未开挖，围堰四周主要受到水压力的作用，而迎水面还受到流水压力和波浪力的作用，从而导致迎水面的位移较其他侧面变形明显；安装完成第一层内支撑后，静水面以上的钢板桩未受约束是自由端，荷载组合作用下桩顶的位移变形最大。
(a) 工况一 (b) 工况二
(c) 工况三 (d) 工况四
(e) 工况五 (f) 工况六
Figure 4. Overall displacement and deformation cloud diagram of cofferdam under various working conditions
图4. 各工况下围堰整体位移变形云图
Table 2. Summary of displacement and deformation calculation results
表2. 位移变形计算结果汇总
(a) 工况一 (b) 工况二
(c) 工况三 (d) 工况四
(e) 工况五 (f) 工况六
Figure 5. Deformation curve diagram of each side of the cofferdam under various working conditions
图5. 各工况下围堰各侧面变形曲线图
工况二，随着第一次土体的开挖，围堰在荷载的作用下(土压力、静水压力增大，水流力和波浪力不变)迎水面的位移变形较工况一增大，侧水面和背水面的位移变形较工况一不明显，呈现出随着深度的增加位移逐渐减小的趋势，基本在h = 12 m处位移变化均趋于极小值。工况二下虽有土压力作用，但是开挖深度较浅，围堰结构主要承受静水压力、水流力和波浪力的作用，故工况二的位移变形趋势与工况一基本一致。
工况三，围堰的迎水面位移变化大于侧水面和背水面，迎水面的位移随着深度增加呈现出逐渐减小的趋势，而侧水面和背水面的位移随着深度增加呈现出先增大后减小的趋势，基本在h = 7 m处侧水面和背水面的位移最大，在h = 15 m处位移变化均趋于极小值。该工况下土压力和静水压力的作用逐渐明显，侧水面和背水面的变形与前两种工况有区别，而迎水面在原有波浪冲击以及水流荷载的作用下变形趋势仍然保持。
工况四，围堰的迎水面、侧水面和背水面的位移变形随着深度增加均呈现出先增大后减小的趋势，基本在深度h = 10 m处位移表现最大，在h = 17 m处位移变化均趋于极小值。该工况下迎水面的变形趋势与前面的工况有所区别，这是因为随着围堰内部开挖结构受力主要变为土压力和静水压力，而相比水流力和波浪力对迎水面的作用显得较小，从而各个侧面的变形趋势逐步相同；在围堰下部较大的土压力和静水压力以及上层支撑的作用下，钢板桩底部向内侧变形，但未受约束的自由钢板桩顶端出现向外侧变形的趋势，导致侧水面和背水面的顶端位移为负值；迎水面的钢板桩上部还受到波浪力的作用，这能减小钢板桩向外侧变形的趋势，因此顶端位移为正值。
工况五，围堰的变形趋势与工况四基本相似，但位移变形量增大，基本在深度h = 13 m处位移表现最大，在h = 19 m处位移变化均趋于极小值。该工况下围堰的土压力和静水压力继续增大，围堰侧向变形以及影响范围也逐渐变大，钢板桩下部向内侧变形增大，钢板桩顶端向外侧变形也增大。
工况六，围堰的变形趋势与工况四、五基本相似，桩身位移自桩顶至桩底呈现出先增大而后减小的趋势，基本在深度h = 17 m处位移表现最大，在h = 21 m处位移变化均趋于极小值。该工况下围堰开挖到底，此时结构受到土压力、水压力荷载作用最大，导致围堰的侧向变形也达到最大值。工况一、二中钢板桩分别在深度10 m、12 m时的位移已经趋于某一极小值，说明该工况下河床以下土体的主被动土压力值均较小；而工况五、六中钢板桩分别在深度19 m、21 m时位移才趋于稳定，说明河床以下土体的主被动土压力均处于一个较高的水平，且随着围堰内开挖深度的增加，位移稳定值所对应的深度逐渐增大。
4.2. 围堰结构应力分析
根据建立的PC工法桩围堰空间整体模型，通过考虑静水压力、土压力、水流力等荷载组合对围堰的作用，对不同施工阶段的六种工况进行分析计算，得到各工况下围堰各构件的应力值，如表3所示。
Table 3. Summary of structural stress calculation results
表3. 结构应力计算结果汇总
通过有限元计算，以上结果均满足规范要求。随着工况的改变，围堰从安装第一层内支撑体系结构到抽水开挖安装完成第五层内支撑体系结构，最后完成封底混凝土的浇筑，围堰结构的应力呈现逐渐增大的趋势，其主要是因为随着坑内土体的不断开挖，围堰结构受到外侧土压力、水压力等其他荷载的作用逐渐明显，围檩及内支撑需要抵抗的压力也增加，从而结构应力变大。每安装一层围檩及内支撑结构时，该处的应力变化较大；围檩与内支撑以及牛腿相接的节点处应力较其他部位局部明显增大；拉森钢板和钢管桩的表面应力随着施工阶段的进行，越到围堰底部变化越明显。因此，在施工过程中要注意防范并加强关键部位连接，避免出现应力集中，保障施工安全。
最不利的是工况五和工况六，即围堰开挖至第五层内支撑安装前(+3.18 m)和开挖至封底混凝土浇筑前(−0.07 m)，该工况下围堰所受到的土压力和水压力较大，因此导致围堰结构应力及侧向变形也最大。由表3可知，工况六下的围堰侧面的钢管桩与拉森钢板应力最大(189.37 MPa)；对于围檩和内支撑，第五层的应力最大，且围檩较长侧的最大应力(161.89 MPa)大于较短侧的最大应力(124.51 MPa)，内支撑中间位置处的应力(153.59 MPa)大于两端处的应力(94.93 MPa)；第四层和第五层的围檩应力大于上三层，即下层的应力大于上层的应力。围堰结构的四角是最薄弱的受力点，容易出现应力集中现象，因此需加强四角位置的连接。对于内支撑，下面的支撑受力大于上面的支撑，且中间支撑比边支撑受力大。因此，为保证安全施工，下层的围檩及内支撑可选择截面惯性矩和屈服强度较大的型钢，也可根据实际施工情况，在底层围檩的中心位置处加设钢管，避免围堰发生失稳现象。
5. 结论
1) 有限元模拟分析结果表明，在最不利工况下，拉森钢板、钢管桩、围檩及内支撑的强度和刚度均满足结构受力要求，说明该工程PC工法桩围堰结构设计合理。
2) 在施工前期，围堰各个侧面中心位置处的位移变形随着深度的增加呈现出逐渐减小的趋势，而在施工后期，位移变形呈现出先增大后减小的变化趋势，且在整个过程中，迎水面的位移变形始终大于侧水面和背水面。随着围堰坑内开挖深度的增加，最大侧向位移对应的位置越来越深，但无论在任何施工阶段，钢板桩底端插入风化岩后其侧向位移变形都很小。
3) 下层围檩及内支撑的应力大于上层，横撑中间位置处的应力大于两端处的应力，围堰开挖面的四角是最薄弱的受力点，应力集中现象明显。因此，在围堰设计过程中，需加强四角位置的连接，下层围檩及内支撑可选择截面惯性矩和屈服强度较大的型钢，也可根据实际情况，在底层围檩的中心位置处加设钢管，避免围堰发生失稳现象。