填土對水中鋼板樁圍堰穩(wěn)定性的影響分析

張曉明，唐 輝

（廣東省水利水電第三工程局有限公司 廣東東莞523710）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，橋梁基礎設施建設的步伐也在不斷邁進，各大城市由于交通運輸?shù)男枰芷鹆艘蛔鶐в械赜蛱厣臉蛄?，有屹立于陸地而縱橫交錯的高架橋，也有跨越于江河的跨河大橋。而且我國南方城市主要處于丘陵地帶，有多條河流貫穿，在河域面積較大的江河上建設跨河大橋時，不可避免地需要搭設水中施工平臺［1］。水中鋼板樁土圍堰施工平臺相對于其他水上施工平臺而言，搭設的施工技術(shù)成熟、施工難度系數(shù)較低、成本較低、平臺上施工作業(yè)安全系數(shù)較高，在施工條件允許下值得推崇使用。由于各個地域的地質(zhì)條件各有差異，在鋼板樁土圍堰設計時需因地制宜，結(jié)合實際工程地質(zhì)條件進行穩(wěn)定性分析。

基于此，本文以廣東揭陽某中承式拱橋的水中鋼板樁土圍堰工程為背景，針對水下淤泥層較厚的地質(zhì)情況，基于先插打鋼板樁后填土和先填土后插打鋼板樁2種施工方案，進行填土對水中鋼板樁圍堰穩(wěn)定性的影響分析，為設計、分析提供依據(jù)，同時為類似工程提供方案參考。

1 工程概況

某水中承式鋼箱梁拱橋，跨徑組合為（38+50+210+50+38）m，主橋全長386 m。水中主墩承臺設計為啞鈴狀，寬（順橋向）16.5 m、長（橫橋向）56.28 m、厚5.0 m，為保證承臺樁基施工、承臺開挖施工和澆筑混凝土，需修筑水中鋼板樁土圍堰施工平臺。水中鋼板樁土圍堰的設計為：將承臺四條邊線各外延1 m多形成封閉式長方形圍堰，圍堰尺寸為60 m×18.5 m，此部分稱為工作圍堰；將長方形圍堰兩短邊向岸邊延伸至陸地，形成與陸地閉合式筑島圍堰，延伸段稱為連接圍堰；圍堰各邊線外側(cè)均設置由鋼管樁與圍檁組成的支撐排架。

水中鋼板樁土圍堰構(gòu)造為：圍堰范圍內(nèi)需有填土，形成填土圍堰，然后在圍堰設計外邊線上按5 m、6 m、12 m三種間距布設φ630×10鋼管樁，樁頂部位安裝牛腿及工字鋼圍檁，沿圍檁內(nèi)邊線插打鋼板樁，形成鋼板樁頂高程為+2 m的閉合圍堰，水中鋼板樁土圍堰平面設計布置如圖1所示。

2 工程地質(zhì)與水文條件

2.1 工程地質(zhì)

工程區(qū)域內(nèi)覆蓋層為第四紀松散沉積層，主要為淤泥、粘質(zhì)粉土、砂類土、碎石土等，地層物理力學參數(shù)如表1所示。

圖1 鋼板樁圍堰平面布置Fig.1 Layout Plan of Steel Sheet Pile Cofferdam

表1 地層物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Formation

2.2 水文條件

揭陽榕江北河規(guī)劃為內(nèi)河Ⅲ級河道，大橋地處感潮河段，水流速度約1.5 m/s。

揭陽榕江的潮汐類型屬于不正規(guī)半日混合潮，1日多見2次高潮和2次低潮，當月赤緯最大時日不等現(xiàn)象最為顯著，即相鄰高潮或相鄰低潮的潮位不等最大。洪水期由于受榕江徑流影響，潮水波在運動前進中受到壓迫變形，落潮歷時常大于漲潮歷時；榕江洪水下泄期間如遇到大潮頂托，會引起水位暴漲，最高水位高程為+1.5 m。河段最大潮差2.63 m，平均潮差1.19 m。

3 圍堰穩(wěn)定性分析

3.1 圍堰穩(wěn)定性分析相關技術(shù)參數(shù)

3.1.1 鋼板樁參數(shù)

18 m拉森式SP-IV型鋼板樁：寬×高為400 mm×170 mm，慣性矩I=4 670 cm4，截面模量Wx=2 270 cm3/m，每延米長鋼板樁彎矩M容許值：［M］=477 kN·m。鋼板樁插打時控制頂標高為+2 m，底標高為-16 m。

3.1.2 地質(zhì)參數(shù)

依據(jù)地勘報告可知，河床標高為-3.3 m，水重度γ1=10kN/m3；淤泥層頂面、底面標高分別為-3.3m、-15.62m，淤泥的內(nèi)摩擦角ψ2=1.4°，粘聚力c2=2.1，天然重度γ2=15.5 kN/m3；中砂層頂面、底面標高分別為-15.62 m、-18.62 m，中砂層的內(nèi)摩擦角ψ2=32°，粘聚力c3=0，天然重度γ3=20 kN/m3。

3.1.3 內(nèi)支撐鋼管參數(shù)

內(nèi)支撐采用φ=630 mm、壁厚10 mm鋼管，慣性矩I1=57 250 cm4，截面系數(shù)W=2 972 cm3。

3.1.4 圍囹參數(shù)

圍囹采用40b工字鋼，截面高度H=400 mm，截面模量Ws=1 139 cm3，慣性矩I2=22 781 cm4。

3.2 圍堰有限元計算模型

鋼板樁、內(nèi)支撐和圍檁分別采用板單元、梁單元通過有限元軟件建模分析其強度和剛度，梁單元與板單元之間采用彈性連接的剛性連接模擬，模型長60 m，寬18 m，鋼板樁入土考慮樁土作用，鋼板樁底部鉸接，土對鋼板樁的作用利用土的剛度SDX（Y）（即K值）進行模擬。

K=m·h·b0·z

式中：K為樁基等代土層彈簧剛度系數(shù)；m為土層系數(shù)；h為土層厚度；b0為計算寬度；z為地表至拉森鋼板施加等代土彈簧點的距離（或深度）。

3.3 圍堰分析依托方案及分析工況

方案1為先插打鋼板樁后填土方案：先插打鋼板樁形成其頂標高為+2.0 m的封閉圍堰，然后從岸邊向圍堰內(nèi)部方向回填黏土至標高為+1.5 m處，形成水中樁基施工平臺，待樁基施工完成后圍堰開挖至封底混凝土底標高為-3.134 m處，開挖過程中分別在標高為+1.0 m、-1.5 m處各設置1道內(nèi)支撐，為承臺安全施工做準備。

方案2為先填土后插打鋼板樁方案：先從岸邊向圍堰施工區(qū)域方向回填黏土至標高為+1.5 m處，以鋼板樁圍堰設計尺寸四條邊線為基準各向外擴展3 m的區(qū)域作為圍堰施工的填筑面積，然后依據(jù)圍堰設計尺寸進行插打鋼板樁，控制其頂標高為+2.0 m，形成水中樁基施工平臺，待樁基施工完成后圍堰開挖至封底混凝土底標高-3.134 m處，開挖過程中分別在標高為+1.0 m、-1.5 m處各設置1道內(nèi)支撐，為承臺安全施工做準備。

分析工況：2道內(nèi)支撐已經(jīng)安裝完畢，圍堰開挖至封底混凝土底標高-3.134 m處，汽車吊在圍堰外邊上配合圍堰開挖工作，圍堰外填土頂面標高為+1.5 m。

3.4 圍堰穩(wěn)定性分析計算

鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性分析是保證水上施工平臺搭建和承臺開挖施工順利進行的前提條件，則鋼板樁圍堰體系的穩(wěn)定直接影響到承臺的正常施工［2］，因此對圍堰施工方案的選擇至關重要?，F(xiàn)針對先插打鋼板樁后填土和先填土后插打鋼板樁2種施工方案，進行填土對鋼板樁圍堰穩(wěn)定性的影響分析計算，選擇出穩(wěn)定性較好、經(jīng)濟效益較高、施工工序簡便的施工方案。穩(wěn)定性分析計算內(nèi)容包括：基坑抗隆起穩(wěn)定性分析、基坑抗滑穩(wěn)定分析鋼板樁穩(wěn)定性分析、圍囹穩(wěn)定性分析、支撐穩(wěn)定性分析等［3］。鋼板樁土圍堰作為水中承臺施工重要作業(yè)平臺，依據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程：JGJ 120-2012》［4］規(guī)定，將鋼板樁圍堰支護結(jié)構(gòu)的安全等級定為一級。

3.4.1 先插打鋼板樁后填土方案分析計算

在圍堰內(nèi)外部回填土和施工機械在水上平臺作業(yè)時，河床下的淤泥層在回填土和機械自重的附加應力作用下會產(chǎn)生壓縮和擠淤的效果［5］，根據(jù)巖土工程學中的分層總和法和擠淤深度公式分別計算出圍堰內(nèi)淤泥層的壓縮厚度、圍堰外的擠淤深度［6］。

圍堰內(nèi)淤泥層壓縮厚度計算：

式中：P11為淤泥層自重應力平均值（kPa）；P21為淤泥層自重應力和附加應力平均值之和（kPa）；e12為淤泥孔隙比；e22為回填土后淤泥孔隙比；h為淤泥層厚度（m）；s為淤泥層壓縮厚度（m）。

本工程中，P11=95.48 kPa，P21=159.68 kPa，通過查找淤泥e-p曲線得e12=1.167，e22=1.07，h=12.32 m；代入數(shù)據(jù)計算得淤泥層壓縮厚度s=0.55 m。

圍堰外擠淤深度計算：

式中：h為回填土在淤泥面以上的高度（m）；B為淤泥頂拋填寬度（m）；cu為淤泥的不排水抗剪強度（kPa）；γs為淤泥的重度（kN/m3）；γ為拋填土的平均重度（kN/m3）；D0為在填土和機械作業(yè)綜合作用下的擠淤深度（m）。

本工程中，h=12.32 m；B=66 m；cu=28 kPa；γs=15.50 kN/m3；γ=18 kN/m3；代入數(shù)據(jù)計算得擠淤深度D0≈4.50 m。

綜合以上計算，2道內(nèi)支撐已經(jīng)安裝完畢，圍堰開挖至封底混凝土底標高-3.134 m處，汽車吊在圍堰外邊上配合圍堰開挖工作，靠岸側(cè)圍堰外填土頂面、底部標高分別為+1.5 m、-7.8 m，圍堰內(nèi)填土底部標高為-3.85 m，標高-3.85 m下為淤泥的工況如圖2所示。

依據(jù)如圖2，鋼板樁圍堰為雙層支撐支擋結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻［4］規(guī)定，支撐式支擋結(jié)構(gòu)的嵌固深度應符合相應的坑底隆起穩(wěn)定性和圓弧滑動穩(wěn)定性要求，以及需要進行鋼板樁穩(wěn)定性、圍囹穩(wěn)定性、支撐穩(wěn)定性驗算［7］，下面進行相關穩(wěn)定性驗算，分析先插打鋼板樁后填土方案在上述工況下的可行性。

⑴ 基坑抗隆起穩(wěn)定性驗算

圖2 方案1工況Fig.2 Scheme One Working Condition

基坑抗隆起穩(wěn)定性分析受力圖如圖3所示。

圖3 基坑抗隆起穩(wěn)定性計算簡圖Fig.3 Simplified Calculation of Anti-heave Stability of Foundation Pits

基坑抗隆起穩(wěn)定性評價系數(shù)：

式中：Kb為抗隆起安全系數(shù)，本工程是安全等級為一級的支護結(jié)構(gòu)，Kb應≥1.8；γm1、γm2分別為基坑外、基坑內(nèi)擋土構(gòu)件地面以上土的天然重度（kN/m3），本工程鋼板樁貫穿多層土，取各層土按厚度加權(quán)的平均重度；D為擋土構(gòu)件的嵌固深度（m）；h為基坑深度（m）；q0為地面均布荷載（kPa），本工程中該值為圍堰外機械工作時作用于地面的均布荷載；Nq、Nc為承載力系數(shù)；c、φ分別為擋土構(gòu)件底面以下土的粘聚力（kPa）、內(nèi)摩擦角（°）。

本工程中，靠岸側(cè)鋼板樁承受荷載較大，對圍堰穩(wěn)定性有較大影響，故取靠岸鋼板樁支護結(jié)構(gòu)進行抗隆起計算分析，γm1=16.95 kN/m3、γm2=15.77 kN/m3、φ=32°、c=0、h=5.134 m、D=12.866 m、q0=7.6 kPa，代入數(shù)據(jù)計算得K1=15.04＞Kb=1.8。

以上計算分析結(jié)果表明基坑不會發(fā)生隆起現(xiàn)象。

⑵ 基坑圓弧滑動穩(wěn)定性驗算

本工程基坑底下存在較厚的淤泥，則其嵌固深度需符合以最下層支點為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定性要求［8］，分析受力圖如圖4所示。

圖4 基坑抗圓弧滑動穩(wěn)定性計算簡圖Fig.4 Schematic Diagram of Stability Calculation of Slip Resistance of Foundation Pit

基坑圓弧滑動穩(wěn)定性評價系數(shù)：

式中：Kr為以最下層支點為軸心的圓弧華東安全系數(shù)，本工程是安全等級為一級的支護結(jié)構(gòu)，Kr應≥2.2；cj、φj分別為第j土條在滑弧面處土的粘聚力（kPa）、內(nèi)摩擦角（°）；lj為第j土條的滑弧長度（m），取lj=bj/cosθj；qj為第j土條頂面上的豎向壓力標準值（kPa）；θ為第j土條滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角（°）；△Gj為第j土條的自重（kN），按天然重度計算。

本例中，取靠岸鋼板樁支護結(jié)構(gòu)進行圓弧滑動穩(wěn)定性計算分析，根據(jù)圓弧穩(wěn)定性驗算公式的計算參數(shù)定義結(jié)合分析工況，得出以標高-1.5 m處的最下層支撐點為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定性驗算受力分析如圖5所示。

圖5 方案1基坑抗圓弧滑動穩(wěn)定性計算受力分析Fig.5 Scheme 1 Schematic Analysis of the Calculation of the Stability of the Foundation Pit against Arc Sliding

如圖5所示，根據(jù)不同土層標高在基坑內(nèi)外各劃分3條土條進行計算，土條寬度依次為99 mm、11 010 mm、3 298 mm、3 298 mm、9 762 mm、1 440 mm，qj為標高-1.5 m處以上土層和作業(yè)機械形成的豎向壓力標準值，計算得qj=61.60 kPa，△Gj取值為土條中各層土的截面面積在單位1 m下的體積與相應土層的天然重度乘積值之和，最終依據(jù)受力圖提供的數(shù)據(jù)信息計算得出K2=1.98＜Kr=2.2，故18 m鋼板樁圍堰不滿足滑動穩(wěn)定性要求。

綜上所述，驗算結(jié)果分析表明：先插打鋼板樁后填土方案在18 m鋼板樁圍堰開挖至封底混凝土底標高-3.134 m處的工況下，不滿足圍堰滑動穩(wěn)定性要求，由于該方案1不滿足施工要求，所以鋼板樁穩(wěn)定性、圍囹穩(wěn)定性、支撐穩(wěn)定性不再驗算。

3.4.2 先填土后插打鋼板樁方案分析計算

先從岸邊向圍堰施工區(qū)域方向回填黏土，填土會對河床下的淤泥層產(chǎn)生擠淤現(xiàn)象，其擠淤深度計算參數(shù)與上述圍堰外擠淤深度計算的一致，故圍堰施工區(qū)域的擠淤深度可取值D0≈4.50 m。對比方案1鋼板樁圍堰內(nèi)的填土層厚增加3.95 m，填土底標高為-7.8 m。

基于擠淤深度計算值，2道內(nèi)支撐已經(jīng)安裝完畢，圍堰開挖至封底混凝土底標高-3.134 m處，汽車吊在圍堰外邊上配合圍堰開挖工作，靠岸側(cè)鋼板樁圍堰外填土頂面、底部標高分別為+1.5 m、-7.8 m，鋼板樁圍堰內(nèi)填土底部標高為-7.8 m，標高-7.8 m下為淤泥的工況如圖6所示。

圖6 方案2工況Fig.6 Scheme 2 Working Condition

依據(jù)圖6所示，進行支撐式支擋結(jié)構(gòu)的坑底隆起穩(wěn)定性、圓弧滑動穩(wěn)定性、鋼板樁穩(wěn)定性、圍囹穩(wěn)定性、支撐穩(wěn)定性驗算，分析先填土后插打鋼板樁方案在上述工況下的可行性。

⑴ 基坑抗隆起穩(wěn)定性驗算

根據(jù)工況圖取靠岸側(cè)鋼板樁支護結(jié)構(gòu)進行抗隆起穩(wěn)定性分析，結(jié)合工況圖數(shù)據(jù)和地勘報告相關參數(shù)，γm1=16.95 kN/m3、γm2=16.21 kN/m3、φ=32°、c=0、h=5.134 m、D=12.866 m、q0=7.6 kPa，代入數(shù)據(jù)到基坑抗隆起穩(wěn)定性驗算公式計算得K3=15.46＞Kb=1.8。

以上計算分析結(jié)果表明基坑不會發(fā)生隆起現(xiàn)象。

⑵ 基坑圓弧滑動穩(wěn)定性驗算

取靠岸鋼板樁支護結(jié)構(gòu)進行圓弧滑動穩(wěn)定性計算分析，根據(jù)圓弧穩(wěn)定性驗算公式的計算參數(shù)定義結(jié)合分析工況，得出以標高-1.5 m處的最下層支撐點為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定性驗算受力分析如圖7所示。

圖7 方案2基坑抗圓弧滑動穩(wěn)定性計算受力分析Fig.7 Scheme 2 Calculation Analysis of the Stability of Anti-arc sliding Stability of the Foundation Pit

如圖7所示，根據(jù)不同土層標高在基坑內(nèi)外各劃分3條土條進行計算，土條寬度依次為1 348 mm、9 762 mm、3 298 mm、3 298 mm、9 762 mm、1 440 mm，qj為標高-1.5 m處以上土層和作業(yè)機械形成的豎向壓力標準值，計算得qj=61.60 kPa，△Gj取值為土條中各層土的截面面積在單位1 m下的體積與相應土層的天然重度乘積值之和，最終依據(jù)受力圖提供的數(shù)據(jù)信息，代入基坑圓弧滑動穩(wěn)定性驗算公式計算得出K4=2.35＞Kr=2.2。

以上計算分析結(jié)果表明基坑不會發(fā)生整體圓弧滑動現(xiàn)象。

⑶ 鋼板樁、圍囹、支撐穩(wěn)定性驗算

利用有限元軟件依據(jù)先填土后插打鋼板樁方案的分析工況，對支護結(jié)構(gòu)進行力學模擬建模［9］，通過結(jié)構(gòu)計算幾何模型對圍囹和支撐的穩(wěn)定性進行分析，計算模型如圖8所示。

圖8 方案2鋼板樁圍堰力學計算有限元模型Fig.8 Scheme 2 Finite Element Model for Mechanical Calculation of Steel Sheet Pile Cofferdam

鋼板樁的強度：σmax=240 MPa＜f=290 MPa；圍囹的強度：σmax=202 MPa＜f=215 MPa；支撐體系的強度：σmax=65 MPa＜f=215 MPa。有限元計算模型分析結(jié)果表明鋼板樁圍堰強度滿足要求。

綜上所述，驗算結(jié)果分析表明：先填土后插打鋼板樁方案在18 m鋼板樁圍堰開挖至封底混凝土底標高-3.134 m處的工況下，滿足水中鋼板樁圍堰穩(wěn)定性要求，可擇取該方案進行鋼板樁圍堰施工。

4 結(jié)語

本文通過2種不同填土順序的施工方案，進行18 m鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性驗算分析對比，基于驗算結(jié)果分析了填土對水中鋼板樁圍堰穩(wěn)定性的影響，分析結(jié)果表明填土的先后順序會對河床底下的淤泥層會產(chǎn)生不同的作用效果，先填土可以起到很好的擠淤效果，改善鋼板樁周圍的地質(zhì)情況，所以在水中淤泥層較厚的工程地質(zhì)環(huán)境中進行水中鋼板樁圍堰施工時，填土變?yōu)榱岁P鍵的施工環(huán)節(jié)，會對鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響［10］，先填土再插打鋼板樁可以提高鋼板樁圍堰的基坑抗隆起、抗滑動的穩(wěn)定系數(shù)。填土除對鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響外，還在鋼板樁圍堰施工工序及施工成本方面帶來便捷和效益，分析如下：

⑴ 先填土可以為鋼板樁機作業(yè)提供一個較好的施工平臺，鋼板樁機在填土平臺上移動方便，避免了鋼板樁機只能約束在岸邊作業(yè)而需增加一些輔助作業(yè)的問題，簡便了施工工序，且可以有效提高鋼板樁插打精度，保證鋼板樁咬合度高，比較平直的順著設計尺寸打入土中。

⑵ 基于文中2種填土方案對相同18 m鋼板樁圍堰進行穩(wěn)定性驗算的結(jié)果，表明只有先填土方案滿足18 m鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性要求，后填土方案需要更長尺寸的鋼板樁才可形成穩(wěn)定的鋼板樁圍堰，分析可知在水中施工鋼板樁圍堰使用先填土方案可以提高經(jīng)濟效益，節(jié)約成本。