某泵閘工程雙排鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)案例

高煒杰　徐量

摘要：某泵閘工程圍堰擋水高度4米，河床下為深厚軟土層，圍堰采用雙排鋼板樁的型式。詳細(xì)闡述了圍堰的設(shè)計(jì)過(guò)程，提供了利用理正深基坑軟件設(shè)計(jì)雙排鋼板樁圍堰的方法。提出了采用“重力式水泥土墻模型”與“排樁拉錨模型”分別進(jìn)行圍堰外部穩(wěn)定與內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算，驗(yàn)算圍堰寬度、鋼板樁長(zhǎng)度、穩(wěn)定、強(qiáng)度等。工程實(shí)際運(yùn)行效果良好。

關(guān)鍵詞：雙排鋼板樁；圍堰；深基坑；穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)

雙排鋼板樁圍堰是一種新型圍堰型式，相較于常規(guī)土石圍堰，具有結(jié)構(gòu)自身剛度大、整體性好、止水效果好、變形小、施工周期短等特點(diǎn)。且由于其堰體小，荷載小，堰體沉降量小，特別在水深較大、水下地形線較陡、空間不大的環(huán)境中優(yōu)勢(shì)更加顯著。然而該圍堰結(jié)構(gòu)形式仍采用以經(jīng)驗(yàn)為主的理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算模型，樁問(wèn)土作用于前后排鋼板樁上的土壓力大小及分布無(wú)法準(zhǔn)確得出，結(jié)構(gòu)受力機(jī)理還比較模糊。因此，本文旨在提供一種可行性的雙排鋼板樁設(shè)計(jì)方案，將雙排鋼板樁圍堰計(jì)算分為外部穩(wěn)定性計(jì)算與內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算，并通過(guò)理正深基坑軟件實(shí)現(xiàn)，為其他相似工程提供設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

1工程概況

某泵閘工程位于寧波奉化江沿江堤防上，由3孔×4.5米水閘與20立方米/秒泵站組成，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為1級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4級(jí)。

本工程在汛期需要留有導(dǎo)流通道，在非汛期將河床一次攔斷，此時(shí)河道入江口將被封堵，平原澇水主要通過(guò)其他泵閘排入外江。工程于2015年12月開(kāi)工，2016年7月主汛期拆圍通水。

外江側(cè)圍堰布置位置河底平均高程在1.00米，圍堰高度較大，且距離入江口較近，無(wú)法布置常規(guī)土石圍堰，因此選用雙排拉森鋼板樁圍堰。

2工程地質(zhì)情況

工程區(qū)位于寧波平原中部，奉化江西岸，為海相沉積平原，區(qū)內(nèi)第四系松散堆積物厚度大，淺部以海相沉積的淤泥質(zhì)土為主，且厚度變化不大；下部為沖湖積的粉質(zhì)黏土、黏土、沖海積的黏質(zhì)粉土及沖洪積的礫砂等。根據(jù)本次勘察的鉆孔現(xiàn)場(chǎng)編錄資料和土工試驗(yàn)成果，按地基土的土性特征、成因時(shí)代、埋藏分布條件及其物理力學(xué)性質(zhì)，將場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)的地基土劃分為7個(gè)工程地質(zhì)層，細(xì)分為11個(gè)工程地質(zhì)亞層，圍堰位置鉆孔揭示主要為Ⅱ?qū)佑倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土（mQ4）及V層粉質(zhì)黏土（al-1Q3）。

3圍堰結(jié)構(gòu)型式初步擬定

3.1鋼板樁型號(hào)

采用型號(hào)為PU-400×170熱軋鋼板樁。樁頂高程為3.12米。擋水高度為4米。于2.50米及1.00米高程各設(shè)置一道拉筋，拉筋采用型號(hào)為GB/T20934-2007-GLG345-D2-20×4000的鋼拉桿，間距為1.6米，圍檁采用2[32b]。

3.2建筑圍堰

內(nèi)迎水面鋪設(shè)一層防滲土工膜用于防滲，背水面鋼板樁利用拉桿開(kāi)孔排水。堰體內(nèi)以塘渣分層填筑，表面采用彩條布覆蓋防水。為增加安全系數(shù)，堰體兩側(cè)設(shè)2米寬拋石平臺(tái)，以1：2坡度放坡到河底。

3.3圍堰寬度

在基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算中，當(dāng)前后樁排距大于Htan（45°-φ/2）（H為開(kāi)挖深度）時(shí)，前排樁可按多支點(diǎn)拉錨型排樁進(jìn)行內(nèi)力變形分析，此時(shí)土壓力主要作用在前排樁上，滑移面位于兩排樁之間，后排樁可作為錨碇樁。同時(shí)，雙排鋼板樁圍堰寬度與高度之比為0.9～1.2，此時(shí)基本可滿足前后排樁拉錨型式。因此，本工程取約1倍擋水高度的為圍堰寬度，為4米。

3.4鋼板樁長(zhǎng)度

熱軋鋼板樁出廠長(zhǎng)度一般有9、12、15、18米。其中9、12、15米樁長(zhǎng)為常見(jiàn)樁長(zhǎng)，打設(shè)時(shí)采用改裝挖掘機(jī)即可，而18米長(zhǎng)鋼板樁需要借助吊機(jī)方可打設(shè)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，可選定12、15、18米樁長(zhǎng)分別進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果并根據(jù)工程實(shí)際情況調(diào)整樁長(zhǎng)。

3.5設(shè)計(jì)斷面初步擬定如圖1所示

4圍堰計(jì)算

本次計(jì)算采用理正軟件深基坑模塊，軟件計(jì)算執(zhí)行規(guī)范為《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）。

4.1計(jì)算模型

根據(jù)雙排樁的受力特點(diǎn)，本文提出將雙排鋼板樁圍堰驗(yàn)算分為兩部分，即外部穩(wěn)定性驗(yàn)算與內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算。

4.1.1外部穩(wěn)定驗(yàn)算 外部穩(wěn)定驗(yàn)算包括水平抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定驗(yàn)算。

雙排鋼板樁圍堰是利用兩排鋼板樁及樁間土體共同承擔(dān)圍堰外側(cè)水、土荷載的結(jié)構(gòu)形式。故可將雙排鋼板樁整體等效為重力式水泥土重力式擋墻模型，用水泥土擋墻模塊計(jì)算圍堰的外部穩(wěn)定性。等效水泥土重度取值為18千牛/立方米，墻寬為4米。河底面以上為靜水，建模時(shí)將這一層輸入為中砂層，重度取0，并將坑外側(cè)水位與樁頂面齊平。其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

4.1.2內(nèi)部穩(wěn)定驗(yàn)算 內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算包括繞最下層支點(diǎn)的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算、鋼板樁截面強(qiáng)度驗(yàn)算、拉桿強(qiáng)度驗(yàn)算。

雙排鋼板樁樁身強(qiáng)度及拉桿強(qiáng)度受內(nèi)排樁在靜水壓力及樁問(wèn)填土土壓力共同作用工況控制。圍堰寬度大于Htan（45°-φ/2），可將雙排鋼板樁簡(jiǎn)化為單排鋼板樁加錨桿支護(hù)的結(jié)構(gòu)型式，采用理正深基坑中的單排樁加錨桿支護(hù)模塊進(jìn)行圍堰的內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算。其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

4.2土層參數(shù)選取

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）及浙江省《建筑基坑工程支護(hù)規(guī)程》（DB33/T 1096-2014），地下水位以下的粉土、砂土等滲透性較強(qiáng)的土層，按水土分算原則計(jì)算側(cè)壓力；地下水以下的淤泥質(zhì)土、黏性土，宜按水土合算原則計(jì)算側(cè)壓力，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可選用直剪試驗(yàn)中的固結(jié)快剪指標(biāo)。此外根據(jù)規(guī)范，飽和軟黏土（如淤泥、淤泥質(zhì)土等），容易受到打樁擠土等施工擾動(dòng)而導(dǎo)致原狀土強(qiáng)度降低，故一般酌情考慮對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減。結(jié)合寧波地區(qū)設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，一般打設(shè)樁支護(hù)時(shí)對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)折減，并結(jié)合快剪指標(biāo)酌情選取土層參數(shù)強(qiáng)度指標(biāo)，本工程設(shè)計(jì)選取固快指標(biāo)打8折。

4.3樁長(zhǎng)計(jì)算與圍堰寬度驗(yàn)算

由前文，本工程根據(jù)構(gòu)造要求確定鋼板樁圍堰寬度為4米，通過(guò)穩(wěn)定性計(jì)算不同樁長(zhǎng)下圍堰的穩(wěn)定性，以此確定圍堰樁長(zhǎng)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果，當(dāng)采用12、15、18米長(zhǎng)鋼板樁時(shí)，外部穩(wěn)定均能滿足要求，且隨著樁長(zhǎng)的增加，安全系數(shù)相應(yīng)增大；當(dāng)采用12米長(zhǎng)鋼板樁時(shí)，繞最下層支點(diǎn)的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性不能滿足要求，而當(dāng)樁長(zhǎng)增加到15米時(shí)，安全系數(shù)滿足要求，當(dāng)樁長(zhǎng)增加到18米時(shí)安全系數(shù)明顯偏大，這是因?yàn)榇藭r(shí)鋼板樁穿過(guò)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，進(jìn)入物理力學(xué)性質(zhì)較好的下臥粉質(zhì)黏土層。在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)樁長(zhǎng)相差不大時(shí)，一般盡量避免懸浮樁，因此，本工程中樁長(zhǎng)實(shí)際采用樁長(zhǎng)為18米，圍堰寬度為4米。

而本文主要是為了介紹雙排鋼板樁的一般計(jì)算方法，因此，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，仍采用15米鋼板樁進(jìn)行計(jì)算。

4.4鋼板樁及拉桿強(qiáng)度驗(yàn)算

（1）鋼板樁截面強(qiáng)度驗(yàn)算

鋼板樁的單寬強(qiáng)度Mmax/W=1.25×97.41÷（2270×10 6）=53.64（MPa）≤ft=295兆帕。滿足要求。Mmax每米板面最大設(shè)計(jì)彎矩值，千?！っ祝籛-每米板面截面模量，立方米/米。

（2）拉桿受力分析

拉桿軸力設(shè)計(jì)值N=1.25×76.35=95.43千牛，采用直徑20毫米鋼拉桿，最大內(nèi)力a=N/A=95.44×1000/314.2=304 MPa<[a]=345兆帕，滿足要求。

5結(jié)論

（1）本文對(duì)雙排拉森鋼板樁圍堰計(jì)算進(jìn)行了實(shí)例分析，采用“重力式水泥土墻模型”與“排樁拉錨模型”分別進(jìn)行圍堰外部穩(wěn)定性計(jì)算與內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算，驗(yàn)算并確定了圍堰寬度、鋼板樁長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。

（2）分析各樁長(zhǎng)下圍堰的穩(wěn)定性，并結(jié)合工程實(shí)際情況，確定樁長(zhǎng)。如果圍堰地基土為超深厚軟土層時(shí)，則不需要進(jìn)入硬土層，樁長(zhǎng)滿足穩(wěn)定性要求即可。

（3）雙排鋼板樁作為一種新型的圍堰型式，其受力分析尚未得到一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)論，本文可供同行作為一種設(shè)計(jì)參考，希望在今后工作中慢慢積累經(jīng)驗(yàn)，并可利用實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行反分析優(yōu)化。