軟弱土地質(zhì)條件下雙排鋼板樁圍堰加固實(shí)踐

鄧 前 鋒

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200002)

0 引言

雙排鋼板樁圍堰常用于建造大型的港口、碼頭、船塢、發(fā)電廠取排水構(gòu)筑物等工程。有些工程所在地存在深厚軟弱土，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，加之受到周邊潮汐、風(fēng)浪等外界因素影響，圍堰可能出現(xiàn)變形過大、滲漏水、芯土流失等情況，對(duì)圍堰的安全十分不利。目前雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還沒有明確規(guī)范，相關(guān)設(shè)計(jì)還停留在半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法，實(shí)際施工可能與設(shè)計(jì)預(yù)想存在一定差異[1,2]。

1 工程概況及環(huán)境條件

1.1 工程概況

某雙排鋼板樁圍堰，平面呈喇叭口狀，內(nèi)、外排鋼板樁間距10 m，出口段寬67 m，末端寬171 m，整個(gè)圍堰東西向長(zhǎng)168 m，中心線周長(zhǎng)約535.4 m。鋼板樁采用拉森WRU26型，樁頂標(biāo)高外排樁+6.0 m，內(nèi)排樁+3.0 m，樁底標(biāo)高-22.5 m。內(nèi)、外排鋼板樁采用圍檁拉桿系統(tǒng)連接，樁間填筑粘土。

1.2 工程地質(zhì)、水文情況

施工區(qū)涉及到的主要地層有：

①-3流泥，厚度3.5 m～6.3 m，強(qiáng)度低，壓縮性高。

②淤泥，厚度7.85 m～17.3 m，強(qiáng)度低，壓縮性高。

③粘土，厚度0.9 m～14.0 m，強(qiáng)度較低，壓縮性較高。

工程場(chǎng)地跨越兩種地貌單元，分別為基巖區(qū)和海灘區(qū)。圍堰西側(cè)為基巖區(qū)，向東逐步過渡到海域，海域地貌為海涂灘地，灘地表面地形較為平坦，平均高程在-0.5 m～-1.0 m左右，退潮露出水面。

本工程區(qū)域潮汐系東海潮波，每日兩次漲落，屬正規(guī)半日潮流性質(zhì)。工程設(shè)計(jì)潮位采用實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)值，20年一遇設(shè)計(jì)高潮位為4.79 m，20年一遇設(shè)計(jì)低潮位為-3.62 m。

2 圍堰變形及分析

2.1 圍堰變形情況

圍堰合龍時(shí)隨即進(jìn)行堰內(nèi)抽水，鋼板樁樁頂出現(xiàn)緩慢位移。圍堰南側(cè)中部區(qū)域鋼板樁出現(xiàn)突發(fā)快速傾斜現(xiàn)象，圍堰芯土向基坑內(nèi)平移。外側(cè)鋼板樁出現(xiàn)整體向內(nèi)側(cè)偏移，樁頂單次變化最大137 cm，累計(jì)位移195 cm，芯土面向基坑內(nèi)最大平移為88 cm。內(nèi)側(cè)鋼板樁向基坑內(nèi)傾斜，傾斜幅度較外側(cè)鋼板樁小，內(nèi)側(cè)鋼板樁與泥面結(jié)合處出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。鋼板樁傾斜后，堰內(nèi)芯土出現(xiàn)傾斜、裂隙、下陷，滲漏水情況較為嚴(yán)重(見圖1)。隨后幾天內(nèi)圍堰鋼板樁的傾斜程度繼續(xù)擴(kuò)大，發(fā)展速率變慢。圍堰北側(cè)和東側(cè)也出現(xiàn)鋼板樁位移傾斜的現(xiàn)象，位移最大的部位均在中部(見圖2)。

2.2 圍堰變形分析

受到地質(zhì)條件變化以及海域環(huán)境的復(fù)雜性等多方面因素的影響，圍堰在合龍后發(fā)生了較大變形。結(jié)合多方面因素，對(duì)圍堰變形分析如下：

1)根據(jù)鋼板樁的插打情況，沉樁過程較為容易，鋼板樁插入土層多位于①-3層流泥及②層淤泥中，具有低強(qiáng)度、高壓縮性的特點(diǎn)，能夠提供的側(cè)向土壓力(土層基床系數(shù))很小。圍堰南側(cè)部分基巖與原設(shè)計(jì)有差異，整體抬高2 m～8 m，基巖上覆土層全部是淤泥土，鋼板樁無法入巖，插入比小，對(duì)鋼板樁穩(wěn)定性不利。現(xiàn)場(chǎng)海域潮位高、風(fēng)浪大，尤其是圍堰東北側(cè)受到的海浪沖擊、沖刷較大(見圖3)。

2)圍堰變形最大的位置均處于每個(gè)面的中心區(qū)域，變形向兩側(cè)逐步減小。圍堰南側(cè)受到基巖面抬高、土質(zhì)條件差、地形不利等綜合因素影響，因此其變形較北側(cè)和東側(cè)大。而北側(cè)和東側(cè)，雖然鋼板樁已達(dá)到設(shè)計(jì)深度，但由于入土部分的土層強(qiáng)度低，能提供的被動(dòng)土壓力小，且受到海域漲落潮周期性反復(fù)作用，土體受擾動(dòng)，導(dǎo)致強(qiáng)度大幅度降低，無法提供足夠的土壓力，使圍堰發(fā)生變形。

3 圍堰加固措施

3.1 增強(qiáng)局部薄弱區(qū)域

考慮圍堰南側(cè)插入最淺且深度范圍內(nèi)為淤泥土，地形走勢(shì)也對(duì)安全性極為不利。另外圍堰三個(gè)面的中部均為變形最大區(qū)域，必須加大上述局部薄弱環(huán)節(jié)的強(qiáng)度。

對(duì)圍堰南側(cè)的內(nèi)排鋼板樁進(jìn)行堆土，高度與芯土高度相同，增大被動(dòng)土壓力。為防止外排鋼板樁傾覆，在外側(cè)采用拋石堆載，堆載范圍為圍堰南側(cè)中部1/3范圍，拋石離開外側(cè)鋼板樁3 m，減少由于拋石堆載對(duì)圍堰產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力影響。通過采取內(nèi)擋外壓措施，圍堰南側(cè)的變形得到了控制。

在圍堰北側(cè)和東側(cè)外排鋼板樁進(jìn)行拋石堆載，拋石寬度4 m～6 m，厚3 m，對(duì)外側(cè)鋼板樁起到壓腳作用，同時(shí)減少風(fēng)浪對(duì)鋼板樁的沖擊。拋石離開外側(cè)鋼板樁3 m，減少由于堆載對(duì)圍堰產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力影響。

3.2 加強(qiáng)圍堰整體性

考慮到內(nèi)、外排鋼板樁間土體強(qiáng)度很低，外排鋼板樁受力后，能提供的被動(dòng)土壓力小，無法直接傳遞到內(nèi)排鋼板樁。故在圍堰頂部增加鋼支撐，增加鋼板樁整體性共同抵抗高潮時(shí)的水壓力；同時(shí)采用高壓旋噴樁剪力墻加固內(nèi)外排鋼板樁間深層土體，提高樁間土體的強(qiáng)度。

圍堰橫支撐采用WRU26拉森鋼板樁兩層疊加進(jìn)行支撐，間距5.2 m。支撐范圍為三個(gè)面的位移最大區(qū)域向兩側(cè)延伸。在圍堰芯土面以下一定深度范圍內(nèi)采用高壓旋噴樁形成成排的剪力墻，增強(qiáng)兩排鋼板樁共同發(fā)揮作用。剪力墻采用直徑1 000 mm的高壓旋噴樁，每道剪力墻由雙排高壓旋噴樁形成，樁間距750 mm，圍堰南側(cè)樁底至基巖面，圍堰東、北側(cè)樁長(zhǎng)12 m(見圖4)。

4 加固效果

通過設(shè)置在鋼板樁上的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及對(duì)圍堰整體觀察情況看，采取加固措施后，鋼板樁的變形速率逐漸減少，鋼板樁間芯土沉降穩(wěn)定，整個(gè)圍堰的風(fēng)險(xiǎn)得到控制。

如圖5所示，在圍堰外側(cè)拋石后，減少了波浪對(duì)鋼板樁的直接沖擊，防止外排鋼板樁的傾覆。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見，在橫支撐完成后，內(nèi)、外排鋼板樁在頂部發(fā)揮了協(xié)同作用，鋼板樁位移速率得到有效控制，局部監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)“回彈”現(xiàn)象。在剪力墻施工期間，由于高壓旋噴樁作用機(jī)理(先破壞土體結(jié)構(gòu)，再硬化加固)，鋼板樁的位移略有增加，在逐步完成并形成一定強(qiáng)度后，鋼板樁的變形趨于平穩(wěn)，圍堰整體的變形得到了有效控制。

5 結(jié)語(yǔ)

目前對(duì)于雙排鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)還停留在半理論半經(jīng)驗(yàn)階段，而且受地質(zhì)條件、潮汐、風(fēng)浪等外界因素影響，使工程的不確定風(fēng)險(xiǎn)增加。本工程經(jīng)多項(xiàng)加固措施應(yīng)用，確保了圍堰安全，為后續(xù)圍堰內(nèi)結(jié)構(gòu)施工提供了安全保障。在后續(xù)研究階段，還應(yīng)重視幾點(diǎn)：

1)雙排鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮工程所在地的水文、地質(zhì)、氣象等因素，結(jié)合圍堰的受力體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2)軟弱土地質(zhì)條件下鋼板樁圍堰應(yīng)充分考慮圍堰在潮汐、波浪等動(dòng)水作用下的受力特點(diǎn)，結(jié)合土體在動(dòng)載作用下的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3)對(duì)于體型較大、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的雙排鋼板樁圍堰，空間變形效應(yīng)明顯，可通過增加橫向隔倉(cāng)板樁、橫支撐等措施聯(lián)系內(nèi)、外排鋼板樁之間的受力協(xié)調(diào)，加強(qiáng)圍堰的整體性。