軟土地基懸臂鋼板樁圍堰變形穩(wěn)定影響分析及應(yīng)用

楊昌斌，高 超，王 勇

(中交四航局第二工程有限公司，廣州 510230)

0 引 言

圍堰作為一種臨時性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，能使工作區(qū)與水體隔開，或在江河湖海水域當(dāng)中圍出一個四周封閉區(qū)域進(jìn)行生產(chǎn)活動。中國利用泥土砂石做圍堰造水田種植水稻的歷史可追溯到新石器時代。春秋戰(zhàn)國時代，就有木樁圍堰(兩側(cè)打木樁，中間填土石)作為渡口、碼頭的歷史。隨著鋼鐵冶煉和精加工技術(shù)的進(jìn)步，鋼板樁及鎖口技術(shù)得到了應(yīng)用和發(fā)展。鋼板樁圍堰得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)也更加成熟。鋼板樁作為現(xiàn)成定型產(chǎn)品，具有施工方便，施工速度快，不需對軟土地基進(jìn)行預(yù)加固，能適應(yīng)較大變形，并可重復(fù)利用的優(yōu)點，近年來在水利水電工程中的使用逐步增多。以華南地區(qū)施做圍堰為例，從傳統(tǒng)的土石圍堰、砂袋圍堰逐漸發(fā)展到鋼板樁圍堰。對于臨時性工程而言，從節(jié)省工程造價、縮短施工工期和減少用地面積角度考慮，選擇鋼板樁圍堰優(yōu)于土石圍堰、砂袋圍堰。隨著技術(shù)的革新，鋼板樁圍堰也開始用于永久工程，如珠海洪灣漁港碼頭項目，采用了鋼板樁圍堰作為永久結(jié)構(gòu)。

軟土具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差、成因復(fù)雜、各層之間物理力學(xué)性質(zhì)相差較大等特點。在軟土地基上進(jìn)行鋼板樁圍堰工程建設(shè)，若不對軟基進(jìn)行處理或地基處理不當(dāng)，會導(dǎo)致鋼板樁圍堰發(fā)生剪切變形破壞、滑移、地基失穩(wěn)或沉陷過量，造成工程不能正常使用，同時影響建設(shè)工期。

鋼板樁應(yīng)用雖然廣泛，但其設(shè)計理論多數(shù)還停留在采取傳統(tǒng)樁基的設(shè)計理論基礎(chǔ)上，如確定水土壓力及其分布主要憑經(jīng)驗或按傳統(tǒng)土壓力理論，按工程經(jīng)驗確定圍堰寬度和鋼板樁入土深度，按照重力壩形式驗算整體穩(wěn)定，并進(jìn)行抗滑、抗傾并進(jìn)行地基土承載力驗算；而實際上鋼板樁的變形和受力是一個復(fù)雜持續(xù)變化的過程。由于鋼板樁在土體中可以發(fā)生較大的變形彎曲和傾斜，土壓力變化非常復(fù)雜。鋼板樁內(nèi)外側(cè)的土體差異變形產(chǎn)生的摩阻力對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有一定的影響，內(nèi)側(cè)土體發(fā)生沉降將加劇軟弱地基土的不穩(wěn)定；而鋼板樁下沉?xí)r，使鋼板樁側(cè)壁受到向上的摩擦力，對圍堰穩(wěn)定性有利。

傳統(tǒng)樁基的設(shè)計理論對于單支撐鋼板樁設(shè)計計算，可以按照等值梁法計算：①計算作用于墻體的土壓力強(qiáng)度，繪出土壓力分布圖；②利用墻體上壓力強(qiáng)度等于零的點作為反彎點位置；③按簡支梁計算等值梁的最大彎矩和2個支點的反力；④計算墻體的最小入土深度。對于懸臂式板樁設(shè)計計算可用靜力平衡法和布魯姆(Blum)法計算。靜力平衡法計算鋼板樁過程為：①列出樁底墻后主動土壓力、墻前被動土壓力計算式，進(jìn)行迭加，求出第1個土壓力為零的點；②根據(jù)作用在墻體結(jié)構(gòu)上的全部水平作用力平衡條件和繞擋墻底部自由端力矩總和為零的條件，列出方程組，求解四次方程，可得嵌入基坑底部以下的入土深度參數(shù)；③根據(jù)板樁墻最大彎矩作用點，亦即結(jié)構(gòu)端面剪力為零的點，求解最大彎矩。布魯姆(Blum)法計算過程為：①將靜力平衡法計算中樁腳出現(xiàn)的被動土壓力以一個集中力替代；②計算出布魯姆參數(shù)m、n后查布魯姆理論的計算曲線，可根據(jù)計算公式得到嵌入基坑底部以下的入土深度參數(shù)；③根據(jù)板樁墻最大彎矩作用點，亦即結(jié)構(gòu)端面剪力為零的點，求解最大彎矩。

上述計算方法的推導(dǎo)可參考相關(guān)規(guī)范和教材，限于篇幅限制，不一一推導(dǎo)。無論是用等值梁法計算進(jìn)行單支撐鋼板樁設(shè)計，還是用靜力平衡法或布魯姆法計算進(jìn)行懸臂式鋼板樁設(shè)計，均將鋼板樁后方攪拌樁施工對鋼板樁影響僅以設(shè)備荷載自重和其他靜力荷載作用代替。事實上鋼板樁更接近于結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要在實踐中逐步完善其設(shè)計理論、施工技術(shù)體系。一些設(shè)計單位在設(shè)計軟土地基鋼板樁時忽略了結(jié)構(gòu)受力特點，出于節(jié)省投資的目的，將軟土地基的雙排鋼板樁圍堰簡單地“優(yōu)化”為單排鋼板樁圍堰，將單支撐鋼板樁圍堰簡單地“優(yōu)化”為懸臂式鋼板樁圍堰，未考慮加大圍堰尺寸和鋼板樁入土深度，導(dǎo)致鋼板樁圍堰發(fā)生剪切變形破壞、滑移、地基失穩(wěn)或沉陷過量的風(fēng)險增大。孫莉[1]在研究雙排鋼板樁圍堰的變形規(guī)律的論文指出，“采用水泥土攪拌樁對圍堰內(nèi)側(cè)進(jìn)行地基加固，對圍堰穩(wěn)定性有利，不僅加固了坑內(nèi)土，提高被動區(qū)土體抗剪強(qiáng)度，而且當(dāng)攪拌樁圍護(hù)體高于基坑開挖面時，圍護(hù)體產(chǎn)生水平向抗力，相當(dāng)于對鋼板樁施加一個水平支撐，可增加圍堰穩(wěn)定性，并有利于減少圍堰的側(cè)向變形”。這個研究結(jié)果未考慮攪拌樁施工過程中軟土受擾動并與水泥發(fā)生固化反應(yīng)過程中土體強(qiáng)度有一個先降低后增強(qiáng)的過程(即工程界所說“先軟后硬”)，也未考慮施工動荷載、超靜孔隙水壓力、水泥漿液混入軟土導(dǎo)致主動區(qū)水、土壓力增大等因素對鋼板樁圍堰穩(wěn)定影響。這些因素對鋼板樁的影響當(dāng)前并無相關(guān)研究。同時，由于單排懸臂鋼板樁圍堰本身屬于柔性結(jié)構(gòu)，在軟土地基中變形大，比雙排鋼板樁圍堰容易發(fā)生傾覆。

以華南地區(qū)某船閘工程上閘首單排懸臂鋼板樁圍堰施打攪拌樁為背景，用數(shù)值模擬計算分析了墊層施工、攪拌樁施工期間地基軟土強(qiáng)度降低階段、施工動荷載、超靜孔隙水壓力、水泥漿液混入軟土等因素對鋼板樁圍堰變形情況分析，并根據(jù)實際情況，提出了合理地加固方案。剛板樁圍堰平面示意圖見圖1，其橫斷面示意圖見圖2。

圖1 鋼板樁圍堰平面示意圖Fig.1 Plan sketch of steel sheet pile cofferdam

圖2 鋼板樁圍堰橫斷面示意圖Fig.2 Cross section of steel sheet pile cofferdam

1 工程概況

華南地區(qū)某船閘，是目前進(jìn)出當(dāng)?shù)厮赖奈ㄒ淮l，近年來因船閘部分運用指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)需要拆除回填舊船閘，新建一座主體結(jié)構(gòu)滿足珠江干線1 000 t級船舶通航要求的船閘，船閘有效尺度為166 m×16 m×4.5 m(長×寬×門檻水深)，同步建設(shè)導(dǎo)助航工程、業(yè)務(wù)用房等配套設(shè)施。擬新建船閘上閘首靠近舊船閘航道處采用單排懸臂式鋼板樁圍堰形成干施工條件。上閘首基坑支護(hù)采用格柵狀水泥攪拌樁。2018年1月在上閘首鋼板樁圍堰水泥攪拌樁施工期間，鋼板樁圍堰上4～14號監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果顯示鋼板樁發(fā)生向舊船閘航道方向嚴(yán)重變形，最大變形值接近1.8 m，并對臨近的人行橋樁墩產(chǎn)生了嚴(yán)重擠壓變形，工程暫停施工。

1.1 場區(qū)地層條件

(1)①人工填土。系堤身填土和堤后場地填土，主要由黏性土組成，欠壓實，厚0.5～4.4 m。

(2)②-1淤泥。深灰色，飽和，流塑，主要由粉、黏粒組成，局部含腐植物及薄層粉細(xì)砂層，帶腐臭味，屬高壓縮性土，厚度9.0～18.1 m，標(biāo)貫擊數(shù)0～2擊。

(3)②-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。深灰色，灰黑色，飽和，軟塑，局部含腐植物及薄層粉細(xì)砂層，帶腐臭味 ，屬高壓縮性土，厚度6.3～26.8 m，標(biāo)貫擊數(shù)2～5擊。

(4)②-5中粗砂。土黃色，灰白色，飽和，松散-中密，厚度0～3.5 m，標(biāo)貫擊數(shù)8～26擊。

(5)③砂質(zhì)、礫質(zhì)粉質(zhì)黏土。黃褐色，稍濕，硬塑，黏性差，隨深度增加石英顆粒增多，為花崗巖風(fēng)化殘積土，厚度1.2～7.7 m，標(biāo)貫擊數(shù)一般23～30擊。

(6)④中粗?；◢弾r。肉紅、淺紅色、粗粒結(jié)構(gòu)，全風(fēng)化到中風(fēng)化均有見，主要成分為鉀長石、斜長石、石英、白云母以及微量磷灰石等，廣布工程區(qū)。

1.2 設(shè)計及施工概況

擬新建船閘上閘首靠近舊船閘航道處采用單排懸臂式鋼板樁圍堰形成干施工條件。上閘首基坑支護(hù)采用格柵狀水泥攪拌樁。圍堰鋼板樁型號為拉森Ⅳ，樁長為29 m，樁頂標(biāo)高為+3.0 m，底標(biāo)高為-26.0 m；上閘首基坑支護(hù)采用格柵狀水泥攪拌樁，基坑結(jié)構(gòu)長44.8 m，寬26.84 m，開挖深度為6.9 m。其中支護(hù)攪拌樁直徑700 mm，搭接長度200 mm，設(shè)計28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.8 MPa，樁長19.5 m，樁底標(biāo)高為-19.5 m，靠近鋼板樁圍堰的6排攪拌樁和靠近基坑開挖邊線的3排攪拌樁采用密排布置，中間攪拌樁采用格柵形布置?；又苓呏ёo(hù)格柵狀攪拌樁、地基處理攪拌樁施工后，才進(jìn)行基坑開挖。鋼板樁、人行棧橋位于上閘首右岸，鋼板樁距人行橋0.5～0.1 m，首排攪拌樁距鋼板樁為0.8～1.2 m。鋼板樁施打形成圍堰后，回填1.5 m厚土層形成施打攪拌樁的平臺。攪拌樁總體施工順序是先施工靠近鋼板樁圍堰的2排攪拌樁，然后分2幅施工剩余的攪拌樁。

2 鋼板樁圍堰數(shù)值模擬

2.1 地質(zhì)模型建立

為真實模擬實際施工情況，減小模型的邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，計算模型深度從現(xiàn)地表取至強(qiáng)風(fēng)化花崗巖底部，模型深度取50 m，長170 m，寬120 m。取計算影響范圍內(nèi)共27個鉆孔各巖土層層底面高程以及地表測繪高程導(dǎo)入模型中，根據(jù)Kirging插值法在已知的鉆孔及標(biāo)高內(nèi)生成三維可視化地質(zhì)模型。鋼板樁底標(biāo)高為-26.0 m，在深度范圍內(nèi)對鋼板樁圍堰穩(wěn)定性和變形有影響的巖土層主要為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、中粗砂，其中淤泥層和整體三維可視化地質(zhì)模型見圖3、圖4。

圖3 淤泥層三維可視化地質(zhì)模型Fig.3 3D visualization geological model of silt

圖4 整體三維可視化地質(zhì)模型Fig.4 3D visualization geological model

2.2 鋼板樁及攪拌樁的建立

鋼板樁采用殼單元模型，鋼板樁與土體接觸利用相鄰單元的剛性及非線性參數(shù)設(shè)置，初始值虛擬厚度(tv)取0.05，剛度減少系數(shù)(R)取0.6。根據(jù)施工期間實際布置的監(jiān)測點位移監(jiān)測情況，監(jiān)測點4～14號距離攪拌樁施工區(qū)域近且發(fā)生的位移變形較大，因此在對應(yīng)位置設(shè)置4～14號監(jiān)測點進(jìn)行位移跟蹤(見圖5)。攪拌樁加固區(qū)域采用實體模型(見圖6、圖7)。

圖5 鋼板樁4～14號監(jiān)測點示意圖Fig.5 4～14# monitoring points of steel sheet pile

圖6 水泥攪拌樁實體模型及施工順序Fig.6 Cement mixing pile model & sequence of construction

圖7 鋼板樁與地質(zhì)模型的接觸關(guān)系Fig.7 Contact relationship between steel sheet pile and geological model

2.3 巖土體參數(shù)取值

分析計算時巖土參數(shù)取值見表1，其中原狀土取正常值，擾動土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取括號內(nèi)所列值。剛板樁材料參數(shù)見表2。

表1 巖土參數(shù)取值Tab.1 Parameter values of soil layers

表2 鋼板樁材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of steel sheet pile

2.4 邊界條件及荷載條件

(1) 邊界條件。本模型底部邊界約束z方向(即豎向)位移，模型左右兩邊界約束x方向位移，模型前后兩邊界約束y方向位移。

(2) 荷載條件。本工程主要荷載來自于施工墊層荷載、攪拌樁施工后浮土荷載、攪拌樁施工時的設(shè)備荷載、水壓力荷載、其他活荷載等。具體取值為：現(xiàn)場攪拌樁施工機(jī)械重25 t，機(jī)械設(shè)備下設(shè)4個支撐點，每個支撐點面積為1.5 m2，據(jù)此計算出施工機(jī)械荷載為41.6 kPa，按面荷載施加，并沿打樁方向移動。按準(zhǔn)靜態(tài)模擬，將施打某一聯(lián)攪拌樁分為多個施工過程，每個施工過程中施加攪拌樁機(jī)械荷載，進(jìn)入下一過程后撤除第1階段機(jī)械荷載，變更荷載位置重新施加。攪拌樁施工過程中水泥漿液混入軟土中，地表隆起，地表存在浮土且不一定能及時清走，浮土堆高按1.5 m計，堆載面積按5 m2計，密度取1.735 g/cm3。水壓力荷載按面荷載形式施加，其他荷載按照5 kPa考慮。

3 模型計算及結(jié)果

在巖土工程數(shù)值模擬分析中，采用的比較多的是線彈性本構(gòu)模型及莫爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型。對于本項目而言，影響范圍內(nèi)的巖土層主要為淤泥、淤泥質(zhì)土，因此可采用莫爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，不考慮滲流固結(jié)。模型計算過程中采用2階段模擬水泥攪拌樁的施工，第1階段施工區(qū)域的淤泥類土體在攪拌樁施工期間，土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)按十字板試驗確定的擾動土強(qiáng)度參數(shù)取值，其他未施工的區(qū)域淤泥類土抗剪強(qiáng)度參數(shù)按原狀土參數(shù)取值；第2階段已完工的區(qū)域土體按攪拌樁固化后設(shè)計強(qiáng)度(0.8 MPa)確定的參數(shù)取值，施工區(qū)域的淤泥類土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取擾動土強(qiáng)度參數(shù)，其他未施工的區(qū)域淤泥類土抗剪強(qiáng)度參數(shù)按原狀土參數(shù)取值。根據(jù)實際完成的施工順序設(shè)置數(shù)值模擬計算步驟：打設(shè)鋼板樁→回填施工墊層→1區(qū)攪拌樁施工→2區(qū)攪拌樁施工→3區(qū)攪拌樁施工→4區(qū)攪拌樁施工→5區(qū)攪拌樁施工→6區(qū)攪拌樁施工→7區(qū)攪拌樁施工→8區(qū)攪拌樁施工→9區(qū)攪拌樁施工→10區(qū)攪拌樁施工。4～14號監(jiān)測點在各個施工階段模擬位移變化見圖8、圖9。

圖8 模擬各施工階段鋼板樁監(jiān)測點位移變化Fig.8 Displacement curves calculated by FEM during construction stage 注：橫坐標(biāo)數(shù)字為各施工階段，其中：1為施工墊層施工；2為1區(qū)攪拌樁施工；3為2區(qū)攪拌樁施工；4為3區(qū)攪拌樁施工；5為4區(qū)攪拌樁施工；6為5區(qū)攪拌樁施工；7為6區(qū)攪拌樁施工；8為7區(qū)攪拌樁施工；9為8區(qū)攪拌樁施工；10為→9區(qū)攪拌樁施工；11為10區(qū)攪拌樁施工

數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，從施工墊層施工到3區(qū)攪拌樁施工階段，是鋼板樁圍堰位移變形速率增長最快的時期，之后鋼板樁圍堰變形慢慢趨于定值，這與實際監(jiān)測的結(jié)果相吻合。該結(jié)果證實了，在深厚軟土區(qū)域攪拌樁連續(xù)施工過程中，存在土體強(qiáng)度因擾動強(qiáng)度降低的時段；隨著水泥與土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土固結(jié)而強(qiáng)度逐漸提高，形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土樁起到抵抗土體變形作用，鋼板樁變形速率減緩直至趨近于0，也即是工程界認(rèn)為的在軟土地層進(jìn)行攪拌樁施工，土體強(qiáng)度存在先軟后硬的情況。實例工程鋼板樁圍堰各監(jiān)測點的模擬計算值與實測值相差在15%以內(nèi)，且變形規(guī)律趨勢一致，這說明模型計算過程中采用2階段模擬水泥攪拌樁的施工假設(shè)是符合客觀實際的，可為其他類似工程提供借鑒。

4 圍堰變形預(yù)警控制及加固措施

實例工程鋼板樁圍堰在攪拌樁施工期間發(fā)生大變形位移，抽芯檢測結(jié)果表明部分?jǐn)嚢铇稑渡戆l(fā)生嚴(yán)重傾斜和剪切破壞，導(dǎo)致工程暫停施工。此前，由于設(shè)計單位未提供圍堰變形預(yù)警值，在鋼板樁圍堰位移變形速率增長最快時期，監(jiān)理、設(shè)計、施工單位未能及時預(yù)警發(fā)現(xiàn)風(fēng)險隱患，導(dǎo)致臨近鋼板樁圍堰的一座臨時人行便橋樁墩被鋼板樁擠壓發(fā)生嚴(yán)重傾斜。從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)特點綜合分析，經(jīng)專家論證后，認(rèn)為實例工程鋼板樁圍堰穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，若繼續(xù)發(fā)生厘米級變形則應(yīng)采取工程措施。對于已發(fā)生大變形的鋼板樁圍堰區(qū)域，增加孔隙水壓力監(jiān)測、深層水平位移監(jiān)測項目，增加地表位移和鋼板樁變形監(jiān)測頻率，并進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘工作。鋼板樁一旦出現(xiàn)險情，應(yīng)立即停止攪拌樁施工，并組織人員進(jìn)行工程搶險，可在鋼板樁迎水面加土反壓或加固已發(fā)生大變形的圍堰區(qū)域阻止位移變形進(jìn)一步增長。具體措施為：在后續(xù)攪拌樁施工開工前，先降低施工地面標(biāo)高，埋設(shè)孔隙水壓力計、深層水平位移測斜管，開展孔隙水壓力監(jiān)測、深層水平位移監(jiān)測，在待施工的攪拌樁中插入型鋼并采用鋼筋將型鋼和鋼板樁連接。上述措施采取后，鋼板樁變形位移沒有繼續(xù)增長跡象，孔隙水壓力也逐漸消散，工地恢復(fù)了正常施工。

5 結(jié) 語

利用巖土工程專用軟件Midas/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬，對鋼板樁圍堰在不同區(qū)域施工攪拌樁的位移變形進(jìn)行了計算分析，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論。

(1)由于鋼板樁在土體中可以發(fā)生較大的變形彎曲和傾斜，鋼板樁的變形和受力是一個復(fù)雜持續(xù)變化的過程，按傳統(tǒng)土壓力理論進(jìn)行抗滑、抗傾并進(jìn)行地基土承載力驗算時，與實際出入較大，給設(shè)計帶來隱患。

(2)有限元計算結(jié)果和工程實踐證明懸臂式單排鋼板樁圍堰應(yīng)用于軟土地基，鋼板樁變形大且具有失穩(wěn)的潛在風(fēng)險。若在鋼板樁設(shè)計時采用雙排鋼板樁或增加拉桿或增加鋼板樁入土深度，均可有效地改善鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的性能，減少位移和彎矩。

(3)在深厚軟土區(qū)域攪拌樁連續(xù)施工過程中，存在土體強(qiáng)度因擾動強(qiáng)度降低的時段。如果對軟土經(jīng)攪拌樁加固后存在一個強(qiáng)度降低的時段認(rèn)識不足，一味認(rèn)為軟土經(jīng)過攪拌樁加固后土體強(qiáng)度會增長，則會給設(shè)計或施工帶來風(fēng)險。通過監(jiān)測鋼板樁圍堰位移變形，可以判斷變形速率增長最快的時期即是軟土受擾動強(qiáng)度降低的時段。在該時段，可適當(dāng)放緩攪拌樁施工進(jìn)度，減少對原狀土擾動范圍。

(4)有限元計算采用的2階段模擬水泥攪拌樁在深厚淤泥土層中的施工假設(shè)符合客觀實際，可為其他類似工程提供借鑒。具體為：第1階段，施工區(qū)域的淤泥類土體在攪拌樁施工期間，土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)按十字板試驗確定的擾動土強(qiáng)度參數(shù)取值，其他未施工的區(qū)域淤泥類土抗剪強(qiáng)度參數(shù)按原狀土參數(shù)取值；第2階段，已完工的區(qū)域土體按攪拌樁固化后設(shè)計強(qiáng)度確定的參數(shù)取值，施工區(qū)域的淤泥類土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取擾動土強(qiáng)度參數(shù)，其他未施工的區(qū)域淤泥類土抗剪強(qiáng)度參數(shù)按原狀土參數(shù)取值。

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