雙排鋼板樁在河涌改移中的應(yīng)用

鄧義釗，陳小丹，李 川，馬 勇，朱思軍

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

鋼板樁因其強(qiáng)度高、隔水性能好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保又能靈活組成各種外形的優(yōu)點，在圍堰施工中廣受應(yīng)用[1]。而在陸地基坑支護(hù)中，作為一種柔性支護(hù)，單排懸臂式鋼板樁往往因剛度不足，支護(hù)的水平位移無法滿足設(shè)計要求，其優(yōu)秀的防水性和在水中施工的便利也因在陸地而難以發(fā)揮，而能有效提高整體剛度的雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)，則需足夠的支護(hù)場地提供排距。當(dāng)基坑具有足夠的施工空間時，設(shè)計人員一般也會采用放坡、土釘?shù)雀?jīng)濟(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，這些因素都限制了鋼板樁的使用。

然而對于止水性能要求高或者臨江的基坑工程，鋼板樁支護(hù)則會提高施工質(zhì)量，在減少工期和成本方面起到積極作用[2]。

本文以廣州某河涌改移工程基坑支護(hù)設(shè)計為例，用理正深基坑及Midas軟件對鋼板樁支護(hù)形式進(jìn)行了比選和分析，可供類似基坑支護(hù)工程設(shè)計參考。

1 工程概況

廣州某涌因擬建一跨涌橋，需進(jìn)行臨時改移。改移河道寬為35 m，基坑深度為2.3～4.5 m，與現(xiàn)狀河底基本順接，工程平面示意如圖1所示。

周邊環(huán)境為：基坑?xùn)|北側(cè)靠近泵站，最近距離為5 m；西側(cè)為擬建跨涌橋，距擬建橋側(cè)墻處設(shè)計灌注樁樁位的最近距離為11.37 m。本工程東北側(cè)靠泵站段基坑安全等級定為1級，其余區(qū)段設(shè)計為2級基坑。

2 地質(zhì)情況

根據(jù)鉆探揭露，本場地自上而下各巖土分層及其特征如下：

<1-1>主要為雜填土、素填土，局部為耕植土；顏色較雜，壓實狀態(tài)不均，稍濕～飽水，呈松散/軟塑，層厚為0.5～7.3 m，平均厚度為3.07 m。平均標(biāo)貫擊數(shù)為6擊。

<2-1>淤泥層：深灰色、灰黑色，主要由黏粒及有機(jī)質(zhì)組成，局部含較多粉砂及貝殼碎片，飽和，呈流塑狀。厚度為0.50～1.60 m，平均厚度為1.04 m。

<3-2>中粗砂層：呈褐黃、灰白、灰褐色，飽和，稍密～中密，局部呈松散狀。顆粒成分以石英、長石為主。厚度為0.80～13.40 m，平均厚度為3.95 m。平均標(biāo)貫擊數(shù)為15.20擊。

<3-3>礫砂層：呈黃色、灰黃、灰褐色，飽和，稍密～密實，分選性差，級配良好，顆粒成份主要為石英。厚度為0.90～12.30 m，平均厚度4.22 m。平均標(biāo)貫擊數(shù)為23.80擊。

4) 巖石微風(fēng)化帶(C1ds)

<9C-2>灰?guī)r微風(fēng)化帶：灰黑色、灰白色、灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，屬較硬巖～堅硬巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整。厚度為0.20～33.30 m，平均厚度11.45 m。

根據(jù)地勘報告，巖土計算參數(shù)如表1所示，基坑地質(zhì)剖面示意如圖2所示。

3 設(shè)計方案

3.1 本基坑工程的特點

1) 基坑開挖深度為2.3～4.5 m，根據(jù)鉆孔揭露，基坑深度范圍為土體均為雜填土和淤泥，土方開挖過程中容易引起基坑周圍地面變形。

2) 基坑?xùn)|北側(cè)靠近泵站，該區(qū)段基坑對變形限制較高。

3.2 方案分析

本工程基坑兩側(cè)相距35 m，不宜采用內(nèi)支撐，單獨使用懸臂式鋼板樁位移過大，若使用單排鋼板樁+預(yù)應(yīng)力錨索的形式，為避免損傷泵站基礎(chǔ)，錨索需平行于泵站外墻布置(如圖3所示)，錨索與豎向和水平向均有一夾角，施工困難，且需在計算基礎(chǔ)上增長，經(jīng)理正深基坑軟件計算，錨索長度達(dá)24.6 m，較為浪費，因而本工程不適宜使用錨索。加之場地受限，本工程也不適宜放坡。

綜上考慮，本基坑的支護(hù)形式最終采用雙排鋼板樁，鋼板樁長為12 m，前排樁和后排樁采用Φ30@1 200 mm鋼拉桿連接，拉桿兩端使用槽鋼固定。雙排鋼板樁支護(hù)的大樣和剖面示意如圖4～5所示。

本項目使用拉森Ⅳ型鋼板樁，其基本參數(shù)如下(每延米)：A=236 cm2；Ix=39 600 cm4；Wx=2 200 cm3；E=2.06×105MPa；v=0.17；γ=78.5 kN/m3。

4 分析計算

4.1 雙排鋼板樁支護(hù)計算

本項目使用理正深基坑7.0PB4和彈塑性商用三維有限元軟件Midas GTS NX，對雙排鋼板樁支護(hù)的應(yīng)力和變形進(jìn)行計算，剛度折減系數(shù)取0.85。

由于拉森Ⅳ型鋼板樁幾何截面較復(fù)雜，本文在Midas建模時將其等效為每延米慣性矩相等的矩形截面[3]，截面寬度h計算如下：

(1)

理正深基坑軟件的計算工況見表2～3，包括使用8 m、10 m、12 m、14 m、16 m單排懸臂式鋼板樁時支護(hù)的最大水平位移，以及將樁長12 m，排距分別為2 m、3 m、4 m、6 m時的雙排鋼板樁等效計算。本文理正深基坑的雙排鋼板樁計算使用兩種方法，第1種方法是用雙排樁模塊，將鋼板樁等效為每延米剛度相等的C30矩形地下連續(xù)墻，其中C30混凝土彈性模量：E=3.0×107KPa；鋼板樁彈性模量取E=2.06×108KPa，根據(jù)剛度等效原則，前后排鋼板樁均簡化成寬度為31.95 cm的地連墻。第2種方法是把前后排樁和樁間土一起等效為總剛度相等的水泥土擋墻，該工況因不考慮拉桿，計算時不進(jìn)行剛度折減。水泥土擋墻彈模取80 Mpa，其總剛度按下式計算[4]：

(2)

式中EI為水泥土擋墻等效剛度，kN/m2；E1I1為鋼板樁每延米剛度，kN/m2；E2為樁間土彈性模量，kN/m2；h為雙排鋼板樁排距，m。

Midas GTS NX建模時，淤泥質(zhì)土的本構(gòu)模型選用修正摩爾庫倫，其余土層本構(gòu)模型選用摩爾庫倫，模型概況見圖6～7，計算樁長為12 m，排距分別為2 m、3 m、4 m和6 m的拉桿連接雙排鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，計算結(jié)果見表4。

4.2 計算結(jié)果分析

單排鋼板樁在增加樁長時的支護(hù)最大水平位移計算結(jié)果見圖8，從圖8中可知：僅增大鋼板樁的嵌固深度并不能有效減少支護(hù)位移，這是鋼板樁屬柔性支護(hù)，自身剛度較低的緣故。相比于單排鋼板樁，雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)能有效地提升整體剛度，改善支護(hù)的受力情況。

理正與Midas軟件的雙排鋼板樁計算結(jié)果對比見圖9。

從圖9可知理正雙排混凝土地連墻工況會出現(xiàn)支護(hù)位移隨排距的增大而增大的情況，這與雙排鋼板樁的工程實際不符。模型中使用混凝土拉桿，本項目使用鋼拉桿，由于拉桿和前后排樁為鉸接，拉桿起傳遞拉力的作用，不能傳遞彎矩，計算時如參照混凝土雙排樁的計算方法簡化為門式剛架，則會與實際產(chǎn)生差異[5]。

在理正實心水泥土墻工況中，由于沒有考慮拉桿對支護(hù)的剛度增益以及前后排樁對樁間土力學(xué)特性的改善作用，使得計算位移值偏大。

在Midas模擬的拉桿連接雙排鋼板樁工況中，可看出當(dāng)排距較小時，拉桿連接雙排鋼板樁體系的剛度提高是有限的。當(dāng)排距從較小值開始增大，支護(hù)的最大水平位移隨之減小，而當(dāng)排距較大時，支護(hù)最大水平位移趨近于某一定值。說明雙排鋼板樁排距過大時，排距的增加對支護(hù)水平位移的約束效果影響較小，容易造成場地和經(jīng)濟(jì)上的浪費。因此，為了更好地發(fā)揮雙排鋼板樁的效益，設(shè)計適宜排距是有必要的。我國《干船塢設(shè)計規(guī)范》(CB/T 8524—2011)第6.6.1.5條[6]中建議，雙排鋼板樁圍堰的高寬比為0.9～1.2，本項目基坑雙排鋼板樁支護(hù)區(qū)段深為4.2 m，換算后的排距為3.5～4.6 m，Midas計算的支護(hù)水平位移在此排距區(qū)間內(nèi)基本穩(wěn)定，說明通過規(guī)范中雙排鋼板樁圍堰的高寬比，對確定雙排鋼板樁基坑支護(hù)的適宜排距是有一定參考價值的。

5 結(jié)語

本河涌改移項目對支護(hù)的止水性要求高，又因場地限制而不宜使用內(nèi)支撐、錨桿和放坡等支護(hù)形式，然而施工場地較為充裕，可提供一定的排距空間，且不屬于深基坑，為雙排鋼板樁支護(hù)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

本文使用理正深基坑和Midas GTS NX兩個軟件進(jìn)行計算，反映了雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)具有能有效提升自身剛度，彌補(bǔ)鋼板樁作為柔性結(jié)構(gòu)而剛度不足的優(yōu)點。不同排距下的支護(hù)水平位移計算，反映了鋼板樁的排距對雙排鋼板樁支護(hù)的整體剛度增益影響較大。本文Midas軟件計算適宜排距區(qū)間與我國《干船塢設(shè)計規(guī)范》的建議相似，可給類似工程提供參考。