鋼板樁圍堰施工穩(wěn)定性分析研究

王煜涵

（中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 100018）

在工程建設(shè)過程中，為保證工程的正常開展，常需要建設(shè)圍堰等臨時擋水物。在水流作用下圍堰的位移變化規(guī)律可反應(yīng)其穩(wěn)定性，且影響著工程建設(shè)的開展及進(jìn)度。近年來，許多專家學(xué)者針對位移的變形情況開展了相關(guān)研究。

羅毅等人[1]以某建立有限元模型，分析不同施工方式下，圍堰的內(nèi)力特征及變形規(guī)律，確定了圍堰與基坑的最優(yōu)間距。吳夢喜等人[2]拉哇水電站圍堰為研究對象，建立二維仿真模型，分析受力和應(yīng)力變化共同作用下，堰基的內(nèi)力變化及變形情況。司鵬飛等人[3]以某鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)為研究對象，建立其有限元模型，分析不同因素對鋼板樁水平位移的影響規(guī)律。楊昌斌等人[4]以懸臂鋼板樁圍堰為研究對象，基于三維可視化地質(zhì)模型，分析不同因素對鋼板樁位移及力學(xué)性能的影響，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出相關(guān)圍堰加固意見。

由于河道的靜水壓力和流水壓力會影響圍堰的穩(wěn)定性及其側(cè)向位移，本文以北京城市副中心綜合管廊工程圍堰的鋼板樁為研究對象，采用有限元軟件，模擬靜水壓力和流水壓力對圍堰側(cè)向位移的影響，并分析水流流速、樁體特性等因素對其變形規(guī)律的影響。

1 工程概況

北京城市副中心行政辦公區(qū)綜合管廊工程采用鋼板樁圍堰進(jìn)行圍護(hù)，考慮到滲流作用對其穩(wěn)定性的影響，采用袋裝砂護(hù)坡和土工布的形式，形成封閉防滲體系，以維持圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

該地區(qū)地勢東高西低，地質(zhì)情況良好，主要以粉質(zhì)粘土、粉砂和黏土為主，邊坡表層為殘積土及下層的全風(fēng)化巖層，土質(zhì)以紅黏土、砂土和粉質(zhì)黏土為主，地下水位線位于地下2m 處?？辈炱陂g實測河道內(nèi)鉆孔孔口處（河底）地面標(biāo)高為14.97～15.07m；河岸上鉆孔孔口處地面標(biāo)高為21.38～23.04m。

2 數(shù)值模型

采用有限元軟件模擬靜水壓力和流水壓力對圍堰側(cè)向位移的影響。該地區(qū)的土層相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 土層相關(guān)參數(shù)

為分析該數(shù)值模型計算圍堰側(cè)向位移的準(zhǔn)確性，分別對比迎水面和背水面實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)，分析其側(cè)向位移的差異，以驗證該模型的可行性。迎水面和背水面的側(cè)向位移-深度曲線如圖1 所示，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)變化趨勢保持一致，且迎水面的側(cè)向位移大于背水面的側(cè)向位移，當(dāng)深度較小時，迎水面和背水面的側(cè)向位移差距較大，當(dāng)深度為零時，二者之間的差距最大，其值為3.6mm；當(dāng)深度為-8m時，有最大側(cè)向位移，迎水面和背水面的側(cè)向位移分別為2.1mm、3.9mm；隨著深度的增大，二者之間的差距逐漸減小，當(dāng)深度大于-20m 時，二者之間的側(cè)向位移無明顯差異。這是由于迎水面受到水流作用，圍堰內(nèi)部會產(chǎn)生滲流作用，使其穩(wěn)定性降低，從而增大結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。當(dāng)深度較小時，圍堰的側(cè)向位移迎水面和背水面的側(cè)向位移差距較大，但二者間的差距仍在0.5mm以內(nèi)，隨著深度的增大，圍堰的側(cè)向位移迎水面和背水面的側(cè)向位移差距逐漸減小，當(dāng)深度大于-15m 時，二者間的差距較小，此時采用數(shù)值模型對圍堰的側(cè)向位移進(jìn)行技術(shù)的準(zhǔn)確性較高。

圖1 迎水面和背水面的側(cè)向位移-深度曲線

3 鋼板樁圍堰側(cè)向位移分析

3.1 流水壓力的影響

由于該圍堰位于河道的中下部，常受到河道流水沖積的影響，為分析流水壓力對圍堰側(cè)向位移的影響，對比分析有無流水力作用下，迎水面圍堰的側(cè)向位移-深度曲線，如圖2 所示，當(dāng)深度為-8m 時，有最大側(cè)向位移，迎水面和背水面的側(cè)向位移分別為2.2mm、4.2mm。水流力作用下的圍堰側(cè)向位移顯著大于無水流力作用下的圍堰側(cè)向位移，說明水流力作用下，圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，易發(fā)生側(cè)向變形。當(dāng)深度較小時，有無流水力圍堰側(cè)向位移的差距較大，其中當(dāng)深度為零時，二者之間的差距最大，其值為3.6mm；隨著深度的增大，有無流水力圍堰側(cè)向位移的差距逐漸減小，當(dāng)深度大于-17.5m 時，二者間的差距小于0.1mm。說明流水壓力對圍堰樁頂?shù)膫?cè)向位移影響較大，隨著深度的增大，流水壓力對圍堰側(cè)向位移的影響程度逐漸減小。綜合以上分析可得，流水壓力對圍堰鋼板樁側(cè)向位移有一定的影響，在實際工程中，為保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，考慮流水壓力對圍堰的作用是有必要的。

圖2 有無流水壓力的側(cè)向位移-深度曲線

3.2 水流速度的影響

由于流水壓力對圍堰鋼板樁側(cè)向位移有一定的影響，本節(jié)主要研究水流速度對其側(cè)向位移的影響，不同水流速度下，圍堰鋼板樁側(cè)向位移-深度曲線如圖3 所示，水流速度為1m/s、2.75m/s 的側(cè)向位移-深度曲線變化趨勢一致；水流速度為3.5m/s 的側(cè)向位移隨深度的增大而減小。在不同水流速度下，樁頂?shù)膫?cè)向位移差距較大，隨著深度的增大，不同水流速度下的鋼板樁側(cè)向位移差距逐漸減小，其中水流速度為3.5m/s 的鋼板樁側(cè)向位移最大，水流速度為1m/s 的鋼板樁側(cè)向位移最?。徽f明水流速度會影響鋼板樁的側(cè)向位移，且在樁頂?shù)挠绊懶Ч顬槊黠@，隨著深度的增大，不同水流流速下的側(cè)向位移差距較小，說明水流速度對鋼板樁側(cè)向位移的影響效果較不明顯。水流流速與鋼板樁的側(cè)向位移呈正相關(guān)關(guān)系，這是由于水流流速越大，鋼板樁收到的水流沖擊力越大，導(dǎo)致其發(fā)生的位移增大。

圖3 不同水流速度下側(cè)向位移-深度曲線

3.3 嵌入深度的影響

為分析圍堰鋼板樁嵌入深度對其側(cè)向位移的影響，對比分析不同鋼板樁嵌入深度下，其側(cè)向位移變化規(guī)律，鋼板樁側(cè)向位移-深度曲線如圖4 所示，隨著深度的增大，不同鋼板樁嵌入深度的側(cè)向位移呈先增大后減小的趨勢，其中，嵌入深度為5m 的鋼板樁側(cè)向位移最大，其它3 種嵌入深度下的鋼板樁側(cè)向位移數(shù)值較為接近；說明當(dāng)嵌入深度較大時，圍堰鋼板樁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，發(fā)生的位移較小。這是由于，當(dāng)嵌入深度較小時，樁身與土體的接觸面積較小，導(dǎo)致樁體的摩擦力較小，此時樁身抵抗水流沖積的能力較差，發(fā)生的側(cè)向位移較大。對比鋼板樁直徑和流水速度對其側(cè)向位移的影響可得，不同嵌入深度對應(yīng)的鋼板樁側(cè)向位移差距較小，說明嵌入深度的變化對鋼板樁側(cè)向位移的影響較小。

圖4 不同嵌入深度下側(cè)向位移-深度曲線

4 鋼板樁圍堰施工

4.1 施工工藝

結(jié)合上述鋼板樁圍堰側(cè)向位移分析，確定了研究項目的鋼板樁圍堰施工工藝流程如圖5所示。

圖5 鋼板樁圍堰施工工藝流程圖

施工過程應(yīng)注意：鋼板樁搬運起吊時，應(yīng)防止鎖口損壞和由于自重導(dǎo)致變形；在存放期間應(yīng)防止變形及鎖口內(nèi)積水；鋼板樁搬運起吊時，應(yīng)防止鎖口損壞和由于自重導(dǎo)致變形；在存放期間應(yīng)防止變形及鎖口內(nèi)積水。

4.2 施工中遇到的問題及處理措施

1）打樁過程中有時遇上大的孤石或其它不明障礙物，導(dǎo)致鋼板樁打入深度不夠，則采用轉(zhuǎn)角樁或弧形樁繞過障礙物。

2）鋼板樁在軟泥質(zhì)地段擠進(jìn)過程中受到泥中塊石或其它不明障礙物等側(cè)向擠壓作用力大小不同容易發(fā)生偏斜，采取以下措施進(jìn)行糾偏：在發(fā)生偏斜位置將鋼板樁往上拔l.0～2.0m，再往下錘進(jìn)，如此上下往復(fù)振拔數(shù)次，可使大的塊石等障礙物被振碎或使其發(fā)生位移，讓鋼板樁的位置得到糾正，減少鋼板樁的傾斜度。

3）鋼板樁沿軸線傾斜度較大時，采用異形樁來糾正，異形樁一般為上寬下窄和寬度大于或小于標(biāo)準(zhǔn)寬度的板樁，異形樁可根據(jù)據(jù)實際傾斜度進(jìn)行焊接加工；傾斜度較小時也可以用卷揚機(jī)或葫蘆和鋼索將樁反向拉住再錘擊。

4）軟泥質(zhì)基礎(chǔ)較軟，有時施工發(fā)生將鄰樁帶入現(xiàn)象，采用的措施是把相鄰的數(shù)根樁焊接在一起，并且在當(dāng)前施工打樁的連接鎖口上涂以黃油等潤滑劑減少阻力。

5 結(jié)論

1）隨著深度的增大，圍堰的側(cè)向位移迎水面和背水面的側(cè)向位移差距逐漸減小，當(dāng)深度大于-15m 時，實測值與模擬值間的差距較小，此時采用數(shù)值模型對圍堰的側(cè)向位移進(jìn)行技術(shù)的準(zhǔn)確性較高。

2）隨著深度的增大，有無流水力圍堰側(cè)向位移的差距逐漸減小，當(dāng)深度大于-17.5m 時，二者間的差距小于0.1mm。流水壓力對圍堰樁頂?shù)膫?cè)向位移影響較大，隨著深度的增大，流水壓力對圍堰側(cè)向位移的影響程度逐漸減小。

3）水流速度會影響鋼板樁的側(cè)向位移，且在樁頂?shù)挠绊懶Ч顬槊黠@，隨著深度的增大，不同水流流速下的側(cè)向位移差距較小，說明水流速度對鋼板樁側(cè)向位移的影響效果較不明顯。O