基于不同引孔參數(shù)及換填土特性的鋼板樁圍堰性能分析

海大鵬 ，王小強(qiáng)，田為 ，暨仕瑀，呂政

（中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000；重慶交通大學(xué)，重慶 400000）

0 前言

在大型基坑的施工中，鋼板樁圍堰因其適用性較好，施工較為方便并且效果好等特點(diǎn)。在水中深基坑和承臺(tái)的施工中被廣泛運(yùn)用。然而普通的鋼板樁施工方法對(duì)于使用條件的要求具有一定的局限性。一般適用于砂類土、半干性粘土、較軟的全風(fēng)化巖層，對(duì)于較硬的強(qiáng)、中風(fēng)化巖層及大粒徑卵石層地層，如果直接進(jìn)行鋼板樁的插打，可能會(huì)造成因地質(zhì)較硬造成在插打過程中鋼板樁產(chǎn)生過大的變形或者局部的損壞進(jìn)而使鋼板樁的防水性能和受力性能受到一定的影響[2]。為改變此種現(xiàn)象，費(fèi)志高等[1]提出了在硬質(zhì)地基中通過打引孔的方式成槽再打入鋼板樁的方法。在這種方法中需要確定引孔的直徑及深度，還要對(duì)打的引孔進(jìn)行回填，以保證鋼板樁的插打順利和防止過多的水滲入圍堰內(nèi)，工程上一般采用黏土進(jìn)行回填。因此確定，確定引孔的尺寸參數(shù)和回填黏土的力學(xué)特性就十分的重要。

1 工程概況

致江路岷江大橋位于新建致江路之上，上跨岷江，起點(diǎn)連接嘉定北路方向，終點(diǎn)接S305方向。橋梁起點(diǎn)里程K0+297.480，終點(diǎn)里程 K0+978.060，橋梁全長(zhǎng)680.58m。主橋左右分修，單幅橋梁下部結(jié)構(gòu)包含一個(gè)中主墩（11號(hào)墩），兩個(gè)邊主墩（10號(hào)、12號(hào)墩），均位于水中。10號(hào)墩承臺(tái)厚4.5m，橫向?qū)?9.4m，縱向?qū)挾?2.6m，基礎(chǔ)為11×φ 2.2m三排鉆孔灌注樁。

主橋橋墩位于岷江河內(nèi)，橋墩所處位置地基土上部局部分布為第四系全新統(tǒng)沖洪積細(xì)砂等，向下為第四系全新統(tǒng)沖洪積卵石層，下伏白堊系下統(tǒng)夾關(guān)組砂巖，無斷層和裂隙密集帶通過，無下臥軟弱夾層。經(jīng)地質(zhì)勘察資料表明：10#墩承臺(tái)處河床標(biāo)高為353.3m，下臥卵石層厚約2.5-3.0m，基巖標(biāo)高為350.8m。鋼板樁需插打入巖層，巖層為中風(fēng)化和微風(fēng)化砂巖，強(qiáng)度高?；鶐r裂隙水，下伏基巖風(fēng)化帶裂隙中存在少量基巖裂隙水，其透水性、富水性差。

主橋10#墩鋼板樁圍堰平面尺寸為45.9×17.1m，基坑開挖深度8.634m，鋼板樁長(zhǎng)12m。

2 鋼板樁圍堰引孔施工介紹

2.1 填土筑島施工

筑島填料為碎石土。水下部分施工采用傾填法，一次性填出水面，采用振動(dòng)壓路機(jī)在進(jìn)行振動(dòng)碾壓，以消除一部分的沉降量，然后分層填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2.2 卵石換填

當(dāng)?shù)谝淮沃u超過現(xiàn)狀水面標(biāo)高1m后（▽354m），進(jìn)行卵石換填施工，用挖機(jī)對(duì)圍堰根部5m寬度范圍內(nèi)挖取卵石。開挖前先根據(jù)圍堰圖紙放出開挖邊線，邊線確定后，將范圍內(nèi)采用挖掘機(jī)配合自卸汽車從高至低逐步往下開挖，開挖后的邊坡，做到順直、無滑坡。開挖時(shí)從上游便道處開始向下游挖除施工，一次性開挖至基巖標(biāo)高，邊挖邊向下游填筑平臺(tái)。挖出的卵石隨自卸車運(yùn)出承臺(tái)范圍外。挖除卵石后用碎石土進(jìn)行換填。換填完成后再進(jìn)行第二次筑島施工將平臺(tái)填筑至標(biāo)高▽358m。

2.3 旋挖鉆引孔

平臺(tái)填筑完成后采用旋挖鉆成槽，樁與樁之間相互咬合排列，樁徑250㎝，相互咬合長(zhǎng)度125㎝。施工順序：先施工A序樁，再施工B序樁，需切割A(yù)序樁部分而形成咬合結(jié)構(gòu)。由于施工筑島平臺(tái)土質(zhì)較軟，且浸水，易踏孔，為保證施工工期及質(zhì)量，旋挖成孔時(shí)，先下長(zhǎng)7.5m，直徑3.1m的大護(hù)筒進(jìn)行土體支護(hù)，小護(hù)筒直徑2.7m隨旋挖取土深度持續(xù)跟進(jìn)到巖層頂部。樁的施工要嚴(yán)格按照單樁施工工藝流程作業(yè)，確保垂直精度滿足鋼板樁施工要求。

2.4 黏土回填

連續(xù)成孔5-10根后，采用外運(yùn)的優(yōu)質(zhì)黏土逐段進(jìn)行成型孔進(jìn)行回填，黏土各項(xiàng)性能指標(biāo)符合土力學(xué)規(guī)范要求，分1-2m一層進(jìn)行回填，并采用長(zhǎng)臂挖機(jī)進(jìn)行輔助夯實(shí)，回填時(shí)，確保不觸碰孔頂周邊松散土體，嚴(yán)禁混入不合格土體。

2.5 插打鋼板樁

鋼板樁施工必須遵守常規(guī)的“插樁正直，分散即糾，調(diào)整合龍”的控制原則，從上游開始由兩側(cè)向下游處合龍。鋼板樁圍堰的插打采用90t振動(dòng)錘進(jìn)行插打施工。正式插打施工時(shí)，先對(duì)插打位置進(jìn)行放樣定位，鋼板樁插打施工時(shí)，根據(jù)放樣位置逐一進(jìn)行插打施工，確保插打位置準(zhǔn)確，深度滿足要求。當(dāng)鋼板樁插打施工僅剩最后幾根合攏時(shí)，需先插后打，并對(duì)鋼板樁位置進(jìn)行調(diào)整及矯正，確保圍堰順利合攏。

圖1 旋挖引孔施工順序圖

圖2 引孔成槽平面示意圖

2.6 圍堰內(nèi)開挖、支護(hù)

基坑豎向分層開挖，并遵循先支撐、后開挖的原則，圈梁及內(nèi)支撐安裝與基坑施工緊密結(jié)合。

圍堰內(nèi)采用挖掘機(jī)進(jìn)行圍堰內(nèi)土方清理，挖掘機(jī)配破碎頭進(jìn)行石方破除，棧橋側(cè)設(shè)置長(zhǎng)臂挖機(jī)、汽車吊配合施工，清除的棄渣運(yùn)至棄渣場(chǎng)集中堆放。

應(yīng)按支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的施工支護(hù)順序和開挖深度分層開挖，即每挖到一個(gè)內(nèi)支撐標(biāo)高，必須待該層圈梁及內(nèi)支撐安裝就位，檢查無誤后，方可向下開挖。整個(gè)鋼板樁施工過程可分為5個(gè)施工工況。具體為：

①基坑開挖至+355.42標(biāo)高，安裝第一道內(nèi)支撐；

②基坑開挖至+352.42標(biāo)高，安裝第二道內(nèi)支撐；

③基坑開挖至+349.92標(biāo)高，安裝第三道內(nèi)支撐；

④基坑開挖至+348.366標(biāo)高；

⑤澆筑封底混凝土，拆除第三道內(nèi)支撐，澆筑承臺(tái)。

其示意圖如圖3。

圖3 各工況示意圖

3 計(jì)算分析

3.1 有限元模型介紹

3.2 計(jì)算分析結(jié)果

為探討在引孔大小對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)受力和穩(wěn)定性的影響。建立模型1～3：

①引孔直徑2m，深度12m；

②引孔直徑2.5m，深度12m；

③引孔直徑3m，深度12m。

選用較小的引孔直徑可以減少鋼板樁的位移，其減少量約為10%左右且隨直徑的增加而遞減，因此在施工中，若需要控制鋼板樁圍堰位移可采用減小引孔直徑的辦法，但同時(shí)也要注意引孔過小可能會(huì)影響施工質(zhì)量。在圍堰內(nèi)基坑開挖深度較淺時(shí)，引孔的大小對(duì)于鋼板樁應(yīng)力幾乎沒有改變。在圍堰內(nèi)基坑開挖深度較深時(shí)，較小的引孔直徑可以明顯地改善鋼板樁的最大應(yīng)力。在圍堰內(nèi)基坑開挖深度較淺時(shí)，引孔的大小對(duì)于內(nèi)支撐應(yīng)力幾乎沒有改變。在圍堰內(nèi)基坑開挖深度較深時(shí)，較小的引孔直徑可以在一定程度上改善內(nèi)支撐的最大應(yīng)力。

為探討在引孔深度對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)受力和穩(wěn)定性的影響。建立模型4～8：

④引孔直徑2.5m，深度12m；

⑤引孔直徑2.5m，深度12.5m；

⑥引孔直徑2.5m，深度13m；

⑦引孔直徑2.5m，深度13.5m；

⑧引孔直徑2.5m，深度14m。

選用較深的引孔深度可以減少鋼板樁的位移，其減少量較小，變化不明顯，因此在施工中，控制鋼板樁圍堰位移如果采用減小引孔深度的辦法，是不經(jīng)濟(jì)的。對(duì)于引孔深度在12.5～14m來說，總體來說引孔深度越深應(yīng)力越小，但變化幾乎可以忽略。而對(duì)于引孔深度為12m的來說，很大程度上是因?yàn)?，鋼板樁深度與引孔深度相同，故導(dǎo)致鋼板樁底部受到基巖更強(qiáng)的約束，其他模型由于引孔深度大于鋼板樁深度，所以鋼板樁底部沒有與基巖直徑接觸，約束較弱，釋放了一部分位移，故應(yīng)力較小。在圍堰內(nèi)基坑開挖深度較淺時(shí)，引孔的深度對(duì)于內(nèi)支撐應(yīng)力幾乎沒有改變。在圍堰內(nèi)基坑開挖深度較深時(shí)，較深的引孔可以有效地改善內(nèi)支撐在工況4的最大應(yīng)力。

為探討在回填黏土的力學(xué)特性（主要為粘聚力c、摩擦角φ）對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)受力和穩(wěn)定性的影響。建立模型9～13：

⑨c=25kPa，φ=15°；

⑩c=25kPa，φ=20°；

?c=25kPa，φ=25°；

?c=20kPa，φ=20°；

?c=30kPa，φ=20°。

采用不同摩擦角的回填黏土，對(duì)于鋼板樁最大位移、應(yīng)力、內(nèi)支撐最大應(yīng)力幾乎沒有影響。

采用較大粘聚力的回填黏土能夠有效地減少鋼板樁的位移，其減少量約為14%且隨粘聚力的增加而遞減，因此在施工中，若需要控制鋼板樁圍堰位移可選用粘聚力較大的回填黏土。采用較大粘聚力的回填黏土能夠有效地減少鋼板樁的最大應(yīng)力，其減少量隨粘聚力的增加而遞減。采用較大粘聚力的回填黏土能一定程度上減少內(nèi)支撐的最大應(yīng)力，提高穩(wěn)定性，但減小幅度約為6%，減小的程度不明顯。

4 結(jié)論

本文以致江路岷江大橋10#墩基礎(chǔ)施工為例，探究了深水卵石層地基中鋼板樁引孔施工中引孔參數(shù)與回填土特性對(duì)鋼板樁及內(nèi)支撐受力的影響，得出以下結(jié)論。

①鋼板樁在各工況的最大位移隨引孔直徑的減小而減小，減小的幅度遞減；鋼板樁各工況最大應(yīng)力與內(nèi)支撐的最大應(yīng)力隨引孔直徑的減小而減小，減小的幅度基本不變。

②由于鋼板樁的深度固定，所以引孔的深度可以明顯地改變鋼板樁底部的約束條件。經(jīng)計(jì)算，較深的引孔深度可以減小鋼板樁最大位移和最大應(yīng)力，但位移的減小量很少，鋼板樁應(yīng)力當(dāng)引孔深度從12m～12.5m時(shí)減小量較大。內(nèi)支撐最大應(yīng)力也隨引孔深度增加而減小，但減少幅度也很有限。

③對(duì)于不同特性的回填土，經(jīng)計(jì)算可知，改變回填土的摩擦角φ對(duì)于鋼板樁位移、應(yīng)力、內(nèi)支撐應(yīng)力均影響較小，可以忽略不計(jì)。而改變回填土的粘聚力c時(shí)，鋼板樁最大位移和最大應(yīng)力會(huì)隨c的增大而明顯減小，內(nèi)支撐的應(yīng)力也會(huì)有一定的減小，但減小的程度不明顯。