鋼板樁圍堰技術(shù)在砂土地層中的應(yīng)用

王漢席 于微微 王龍偉

(長春市海威市政工程設(shè)計有限公司，吉林 長春 130062)

鋼板樁圍堰技術(shù)在砂土地層中的應(yīng)用

王漢席 于微微 王龍偉

(長春市海威市政工程設(shè)計有限公司，吉林 長春 130062)

結(jié)合工程實例，介紹了砂土地層中采用鋼板樁圍堰基坑支護(hù)設(shè)計的方案，并對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了計算，闡述了鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的工藝流程及施工注意事項，實踐證明應(yīng)用該支護(hù)方案取得了良好的施工效果。

鋼板樁，圍堰，支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑

1 工程概況

伊通滿族自治縣庫侖大橋橋梁墩臺基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，位于伊通河內(nèi)，施工時墩位處平均水位0.8 m～1.2 m。墩臺處地層情況從上至下為：①中粗砂，松散狀態(tài)；②礫砂，稍密狀態(tài)；③礫砂，中密狀態(tài)；④礫砂，密實狀態(tài)；⑤泥質(zhì)砂巖，全風(fēng)化。橋梁墩臺基坑長為40 m，寬為8 m，開挖深度為8.5 m，基坑周圍為河床，開挖深度范圍主要為中粗砂和礫砂，坑底為強(qiáng)度較高的泥質(zhì)砂巖。該工程地下水系連通，設(shè)置節(jié)流困難，且造價高，施工周期長。經(jīng)論證，采用鋼板樁支護(hù)，達(dá)到基坑支護(hù)和止水帷幕雙重目的[1]。鋼板樁是一種廣泛應(yīng)用的材料,具有節(jié)能、高效、環(huán)保、綠色和可重復(fù)利用等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛[2,3]。根據(jù)文獻(xiàn)，砂層中鋼板樁會隨著抽水過程自愈，在施工過程初始階段滲水量大，后期滲水量會顯著降低[4]。因此，采用鋼板樁圍堰技術(shù)，能達(dá)到支護(hù)和止水雙重效果。

2 圍堰基坑支護(hù)設(shè)計

2.1 圍堰基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

支護(hù)結(jié)構(gòu)主要由鋼板樁、鋼圍檁和內(nèi)支撐三部分組成，鋼板樁主要承受土壓力兼止水帷幕的作用，內(nèi)支撐和鋼圍檁的作用是增加鋼板樁的強(qiáng)度，減少其變形的作用。本基坑的設(shè)計深度為8.5 m，支護(hù)鋼板樁長為12.0 m，要求嵌入泥質(zhì)砂巖不小于1.0 m。設(shè)置內(nèi)支撐兩道，距離坑頂2.0 m為第一道，距離坑頂5.5 m為第二道，內(nèi)支撐采用φ377鋼管，間距為3.5 m布置?；拥膰叱叽鐬?0 m×8.0 m。其平面布置見圖1，剖面見圖2。

2.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

鋼板樁圍堰屬于柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)姆蔷€性設(shè)計有助于抗彎能力的恢復(fù)，節(jié)約材料[5]?；又ёo(hù)設(shè)計計算方法主要有極限平衡法、圖解法、等值梁法和有限單元法等[6]，本工程將整個結(jié)構(gòu)分解為擋土結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)兩部分進(jìn)行分析；擋土結(jié)構(gòu)采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)按平面結(jié)構(gòu)分析，同時考慮其相互之間的變形協(xié)調(diào)[7]。由于本工程為砂土地層，應(yīng)采用水土分算的方法，其主動土壓力和被動土壓力的計算見式(1)和式(2)，內(nèi)支撐力計算見式(3)，水壓力計算見式(4)。

(1)

(2)

Fh=kR(vR-vRo)+Ph

(3)

ua=γwhwa,up=γwhwp

(4)

其中，σak，σpk分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)主動土壓力和被動土壓力；ua,up分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)的水壓力；Ka,i，Kp,i分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)主動土壓力系數(shù)和被動土壓力系數(shù)；hwa和hwp均為主被動水壓力計算深度；ci為粘聚力；vR和vRo分別為擋土構(gòu)件支撐點的水平位移和內(nèi)支撐支點的水平位移；Ph為擋土結(jié)構(gòu)計算寬度內(nèi)的法向預(yù)加力。

本工程在計算的過程中，基坑內(nèi)側(cè)和外側(cè)水位的變化引起鋼板樁受力的不同，設(shè)計中應(yīng)予以考慮。特別是隨著坑內(nèi)水位的降低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主動壓力增大[8]。鋼板樁的截面形狀和截面高寬比影響主動土壓力的分布形式[9]，設(shè)計時也應(yīng)充分考慮。鋼板樁采用FSP-Ⅳ型鋼板樁，有效寬度為500mm，有效高度200mm，每米截面積為267.6cm2，慣性矩3.96×104cm4，截面模量2.2×103cm3，允許彎拉應(yīng)力145MPa，其允許最大彎矩Mmax=319kN·m。共計算5個基坑開挖支護(hù)工況，本工程的設(shè)計計算參數(shù)見表1，計算結(jié)果如表2所示，表中列出每個工況的最大彎矩、最大剪力和支撐軸力。最大彎矩出現(xiàn)在第3工況，彎矩值為121.59kN·m，小于[Mmax]的319kN·m。圍檁采用規(guī)格為440×300×18×11的H型鋼。內(nèi)支撐采用φ377鋼管，厚度為10mm，截面積115.24mm2，重量90.51kg/m，慣性矩19 430.86cm4，截面模量1 030.81cm3，回轉(zhuǎn)半徑12.98cm。內(nèi)支撐設(shè)置間距為3.5m。

整體穩(wěn)定性計算分析安全系數(shù)為1.91，對應(yīng)的滑動圓弧半徑為R=8.062m，圓心坐標(biāo)為(-2.343,4.081)。抗傾覆計算穩(wěn)定性安全系數(shù)Ks=Mp/Ma，Mp為被動土壓力和支撐點對樁底的彎矩之和；Ma為主動土壓力和水壓力對樁底的彎矩。Ks=1.61>1.30，抗隆起安全系數(shù)Kb=2.046>1.60，均滿足規(guī)范要求。由于樁底端已經(jīng)嵌入強(qiáng)度較高的泥質(zhì)砂巖，其上有密實的礫砂層，因此也不會產(chǎn)生隆起和管涌問題。

表1 基坑支護(hù)設(shè)計土層參數(shù)表

表2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計算結(jié)果匯總表

3 鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)施工

3.1 施工工藝流程

由于日本在鋼板樁生產(chǎn)工藝方面具有先進(jìn)的技術(shù)[10]，因此本項目采用日標(biāo)U型鋼板樁，其型號為FSP-Ⅳ。其施工工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→土方開挖→鋼板樁打設(shè)→土方開挖→內(nèi)支撐制作安裝→第二次土方開挖→墩臺基礎(chǔ)混凝土澆筑→土方回填→拆除內(nèi)支撐和圍檁→拔出鋼板樁。1)鋼板樁打設(shè)?，F(xiàn)場鋼板樁打設(shè)主要包括：導(dǎo)架安裝、鋼板樁安裝、振動沉樁。由于本工程要穿透礫砂層，因此采用振動沉樁法，預(yù)先在鋼板樁圍堰位置開挖一個深為1.5m的坑，目的是為了減小阻力。為保證鋼板樁施工質(zhì)量，設(shè)置鋼板樁導(dǎo)向框架[11]。導(dǎo)框的安裝，可直接懸掛在浮臺上，待打入少量鋼板樁后，逐漸將導(dǎo)框固定到鋼板樁上[12]。2)拔出鋼板樁。為節(jié)約成本，在基坑施工完成后，拔出鋼板樁。為減少拔樁的摩擦力，對打入土層的鋼板樁內(nèi)外兩側(cè)涂刷瀝青[13]。拔樁采用振動拔樁法，在現(xiàn)場選擇一個相對較容易拔出的鋼板樁，先用拔樁機(jī)夾住鋼板樁振動2min，使其松動后，再上拔鋼板樁。

3.2 施工注意事項

1)本基坑在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測工作，特別是基坑頂部的水平位移、豎向位移[14]，同時觀察基坑周圍的水位變化。2)施工中鋼板樁垂直度控制是關(guān)鍵，將直接影響鋼板樁的咬合密封[15]，處理不好將引起滲漏，施工過程中應(yīng)通過設(shè)置導(dǎo)向架來解決鋼板樁的垂直度問題。3)對于多臺樁機(jī)施工合龍控制問題[16]，本項目通過每個墩臺采用一臺樁機(jī)施工，收口位置精準(zhǔn)測量來解決。4)在施工中出現(xiàn)裂縫不可避免，可采用干細(xì)砂溜縫、棉絮填塞的方法[17]。本工程采用棉絮填塞的方法，成本低，效果較好。5)水平鋼管和圍檁支撐應(yīng)焊接牢固，出現(xiàn)間隙應(yīng)采用木楔塞緊[18]，以確保鋼板樁和圍檁結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑼翂毫鶆騻髦了戒摴堋?/p>

3.3 施工效果

現(xiàn)場橋梁墩臺位置基坑開挖表明，圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定?；拥撞亢蛡?cè)面沒有出現(xiàn)滲漏、管涌等現(xiàn)象，結(jié)果表明采用鋼板樁圍堰支護(hù)和止水帷幕方案是成功的。

4 結(jié)語

1)鋼板樁圍堰技術(shù)在砂土地層中的應(yīng)用是可行的，能夠同時解決支護(hù)和止水帷幕的問題。2)在鋼板樁圍堰設(shè)計中，將整個結(jié)構(gòu)分解為擋土結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)兩部分進(jìn)行分析計算，擋土結(jié)構(gòu)采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)按平面結(jié)構(gòu)分析，保證整體的安全性。3)在施工過程中，應(yīng)控制鋼板樁的垂直度，出現(xiàn)裂縫后應(yīng)采用棉絮及時封堵；為保證鋼板樁的穿透力和施工完成后拔樁的方便，施工中采取在樁身上涂抹瀝青和樁底端做成鈍尖狀的方法，以減少側(cè)摩阻力。

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On application of steel sheet pile cofferdam technology in sand soil

Wang Hanxi Yu Weiwei Wang Longwei

(ChangchunHaiweiCivilWorksDesignCo.,Ltd，Changchun130062,China)

Combining with the engineering cases, the paper introduces the scheme for adopting steel sheet pile cofferdam technique in the foundation pit support design, calculates the foundation pit support structure design, illustrates its craft procedure and precautions, and proves by the practice that the support scheme has better construction effect.

steel sheet pile, cofferdam, support structure, foundation pit

2014-11-29

王漢席(1978- )，男，碩士，高級工程師，注冊土木工程師(巖土)； 于微微(1984- )，女，工程師； 王龍偉(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)04-0061-02

TU473.5

A