小型圓形鋼板樁圍堰在淺基坑中的應(yīng)用

摘 要：淺水河流中的基坑施工采用筑島圍堰方案是一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)的施工方案，但該方案無法適用于富含砂層等透水性強(qiáng)的地質(zhì)情況。在富含砂層的河流中，基坑施工的圍堰方案有很多種，其中鋼板樁圍堰施工速度快，成本低，具有良好的適用性。與矩形圍堰相比，小型基坑采用圓形鋼板樁圍堰具有顯著的優(yōu)勢(shì)。本文結(jié)合工程實(shí)例，將小型圓形鋼板樁圍堰應(yīng)用于淺水河流中的鑿除樁頭及立柱施工，重點(diǎn)介紹其設(shè)計(jì)、適用條件、受力分析、施工技術(shù)要點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：淺基坑；圓形鋼板樁圍堰；圍堰設(shè)計(jì)；受力分析

中圖分類號(hào)：TV 55" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

湛江市遂溪大道工程項(xiàng)目河涌2號(hào)中橋跨越源水河，該橋?yàn)?m×20m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁橋，其1號(hào)橋墩落在西溪河支流源水河中，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，柱徑為130cm，柱高為3.5m～4.7m，樁基采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為150cm，樁長為50m，共13根。下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)為一柱一樁的形式，樁與樁之間無系梁連接。1號(hào)墩樁頂高程均為3.500m，河床底高程為3.800m，按百年一遇的將水位設(shè)計(jì)為7.680m，施工時(shí)實(shí)測(cè)最高水位為5.260m。

橋址區(qū)屬于沖海積濱海平原-沖洪積平原地貌。根據(jù)本工程的地質(zhì)勘察報(bào)告，橋址區(qū)地質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，巖土層分布較規(guī)律，揭露的河床底淺層地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層，含粉細(xì)砂、淤泥粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土以及第四系下更新統(tǒng)湛江組海陸交互沉積層，含粉細(xì)砂、黏土，其中粉細(xì)砂層位強(qiáng)透水層，層厚31.5m～32.8m。

2 小型圓形鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

在橋梁樁基礎(chǔ)施工完成后，清理河道中填土施工平臺(tái)，待樁基檢測(cè)合格后進(jìn)入鑿除樁頭以及立柱施工階段。該道工序需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)干處作業(yè)的工作面，而圍堰施工是一種比較常用的創(chuàng)造干處作業(yè)面的方式。

淺基坑筑島圍堰雖然是最簡(jiǎn)捷且經(jīng)濟(jì)性最好的方案，但根據(jù)本工程地質(zhì)勘察揭露，河床底表層土為粉細(xì)砂層，透水性強(qiáng)，采用筑島圍堰無法將基坑內(nèi)的給水排除，無法創(chuàng)造出干處作業(yè)面，因此直接排除該圍堰方案。而鋼板樁圍堰能夠達(dá)到較明顯的阻水效果，且安全高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，通過本工程技術(shù)人員研究討論，決定采用鋼板樁圍堰。本工程基坑處于淺水中，且基坑尺寸較小，因此最終確定采用小型圓形鋼板樁圍堰進(jìn)行基坑施工，圍堰設(shè)計(jì)如圖1所示。

本工程小型圓形鋼板樁圍堰直徑為4.074m，鋼板樁長為12m，其中入土深度為10.04m，內(nèi)部未設(shè)置圍檁及內(nèi)支撐。鋼板樁采用FSP拉森Ⅳ型，其截面長度為400mm，寬度為170mm，腹板厚度為15.5mm[1]。

3 小型圓形鋼板樁適用性分析

鋼板樁圍堰施工便捷、可周轉(zhuǎn)次數(shù)多、使用成本較低，工程中使用十分廣泛。與矩形圍堰相比，圓形圍堰可將平面外大部分彎矩轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)軸力，內(nèi)部沒有密集的內(nèi)支撐，極大地減少了施工干擾。因此對(duì)方形或圓形承臺(tái)來說，采用圓形鋼板樁圍堰進(jìn)行施工更加合適。鋼板樁圍堰具備良好的止水效果，對(duì)黏性土、砂土具有良好的適用性，但具有基巖的地基一般極少采用這種方式。小型圓形鋼板樁圍堰可不設(shè)置圍檁，施工更加簡(jiǎn)便、快捷，適用于需要降水的淺基坑，例如一柱一樁橋梁下構(gòu)、給排水檢查井施工等，尤其是砂土地層，該圍堰具有明顯的優(yōu)勢(shì)[2]。

4 有限元仿真計(jì)算分析鋼板樁剛度及強(qiáng)度

4.1 鋼板樁參數(shù)

FSP拉森Ⅳ型鋼板樁采用的是Q345鋼，單根鋼板樁的截面面積為96.99cm2，理論質(zhì)量為76.1kg/m，慣性矩為4670cm4，截面模量為362cm3?？箯潖?qiáng)度設(shè)計(jì)值為305N/mm2，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為175N/mm2。

4.2 地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告揭露：地質(zhì)自上而下依次為4.84m粉細(xì)砂、2.2m淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、4.6m粉細(xì)砂。各層土的容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角以及地基承載力特征值等相關(guān)參數(shù)如圖1所示。

4.3 荷載計(jì)算

在鋼板樁打入土中后，回填黏性土夯實(shí)，封底混凝土。因此需要分兩種荷載工況對(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)行計(jì)算分析。荷載工況1為基坑開挖后，荷載工況2為回填黏性土并夯實(shí)，并抽排圍堰內(nèi)水。如圖2、圖3所示。

荷載工況中水壓力的計(jì)算過程如公式（1）所示。

p0=γwhw " "（1）

式中：γw為水的容重，可取10kN/m3；hw為水的深度。

根據(jù)朗肯土壓力理論確定圍堰外部主動(dòng)土壓力，其中砂性土按水土分算計(jì)算，黏性土按水土合算計(jì)算，計(jì)算過程如公式（2）～公式（4）所示。

ka=tan2（45°-φ/2） （2）

水土分算：pa=kaγh+γwhw （3）

水土合算： （4）

式中：ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力；γ為土的干容重；γsat為土的飽和容重。

圍堰內(nèi)部被動(dòng)土壓力采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬土彈簧，采用m法計(jì)算土彈簧的剛度K，計(jì)算過程如公式（5）、公式（6）所示。

K=b0hmz （5）

（6）

式中：b0為計(jì)算寬度，取板單元寬度0.2m；h為土層厚度；m為土的水平地基抗力系數(shù)；vb為鋼板樁在坑底處的水平位移量，取0.01m。

土彈簧的剛度K的計(jì)算值見表1和表2。

4.4 模型建立及強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算

利用MIDAS CIVIL計(jì)算軟件進(jìn)行模擬分析，建立鋼板樁圍堰空間模型，采用板單元，共建立2880個(gè)板單元[3]。根據(jù)MIDAS CIVIL計(jì)算軟件建立小型圓形鋼板樁圍堰空間模型，對(duì)兩種荷載工況進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算分析結(jié)果如下。

對(duì)兩種荷載工況的計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如圖4～圖6所示。從計(jì)算結(jié)果可以得出，荷載工況2下鋼板樁頂部的位移達(dá)到最大值，最大水平位移δmax為5.3mm，允許值[δ]為47.2mm，δmax＜[δ]，則鋼板樁的剛度滿足要求。

在荷載工況1作用下，鋼板樁底部的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力達(dá)到最大，最大正應(yīng)力σmax為73.26MPa，小于其抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值305MPa；最大剪切應(yīng)力τmax為38.99MPa，小于其抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值175MPa，因此鋼板樁的強(qiáng)度滿足要求。

5 鋼板樁穩(wěn)定性分析

用公式計(jì)算鋼板樁參數(shù)、地質(zhì)情況以及圍堰外部水壓力和主動(dòng)土壓力，根據(jù)朗肯土壓力理論確定圍堰內(nèi)被動(dòng)土壓力，其中，按水土分算計(jì)算砂性土，按水土合算計(jì)算黏性土，計(jì)算過程如公式（7）～公式（9）所示。穩(wěn)定性驗(yàn)算荷載工況如圖7和圖8所示。

kp=tan2（45°+φ/2） （7）

水土分算：pp=kpγh+γwhw （8）

水土合算： （9）

式中：kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)。

鋼板樁的穩(wěn)定性的計(jì)算過程如公式（10）所示。

Ks=Mp/Ma （10）

式中：Ks為抗傾覆安全系數(shù)，本工程取1.15；Mp為圍堰內(nèi)部壓力對(duì)樁底的抗傾覆力矩；Ma為圍堰外部壓力對(duì)樁底的傾覆力矩。

通過計(jì)算分析，在兩種荷載工況下，抗傾覆安全系數(shù)Ks分別為1.36和2.69，從計(jì)算結(jié)果可以看出，抗傾覆安全系數(shù)最小值為1.36，大于其允許值1.15，基坑的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

6 施工工藝

與矩形圍堰相比，圓形鋼板樁圍堰施工難點(diǎn)在于鋼板樁定位，若鋼板樁定位無法做好，則鋼板樁圍堰平面最終可能變成其他異形平面，其受力會(huì)更復(fù)雜。本工程采取的定位方式：首先，由測(cè)量人員在樁基上放出圍堰的圓心，在該圓心上立一根鋼管，在鋼管上套一個(gè)圓環(huán)，圓環(huán)上系一根繩作為定位繩。其次，在上游位置打設(shè)第一根鋼板樁，并將其作為基準(zhǔn)鋼板樁，鋼板樁的中心至圓心連接一根基準(zhǔn)繩。再次，在偏離基準(zhǔn)鋼板樁45°、135°、225°、315°的位置打設(shè)4根導(dǎo)向鋼板樁，以便在打設(shè)過程中及時(shí)糾偏。最后，采用單獨(dú)打入法依次左右交替，由上游向下游打入鋼板樁直至合攏[4]。鋼板樁定位和鋼板樁監(jiān)測(cè)布點(diǎn)如圖9所示。

鋼板樁采用吊機(jī)帶振錘施打。在打樁前，對(duì)鋼板樁進(jìn)行逐根檢查，剔除連接鎖口銹蝕、變形嚴(yán)重的鋼板樁，并在鎖口內(nèi)涂抹油脂，以便打入或拔出。鋼板樁采用單獨(dú)打入法，即由上游向下游逐根打入，在導(dǎo)向鋼板樁處進(jìn)行糾偏以縮小累計(jì)誤差。拔樁采用振動(dòng)錘拔樁，利用振動(dòng)錘產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)，擾動(dòng)土質(zhì)，破壞板樁周圍土的黏聚力以克服拔樁阻力，用附加起吊力的作用將樁拔除。

7 圍堰頂部水平位移監(jiān)測(cè)

為保障基坑的安全性，在鋼板樁圍堰施工過程中監(jiān)測(cè)堰頂?shù)乃轿灰啤Ｔ趫A形圍堰上設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)圍堰頂位移進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。在鋼板樁打入完成后開始監(jiān)測(cè)，立柱施工完成結(jié)束。

監(jiān)測(cè)儀器采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS儀），在鋼板樁打入后測(cè)得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始數(shù)值。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括基坑開挖后、素土封底后、抽排基坑內(nèi)水后以及立柱施工完成后?；娱_挖、素土封底和抽排基坑內(nèi)水的施工時(shí)間較短，因此在基坑開挖前后、素土封底前后、抽排水前后各觀測(cè)1次，抽排基坑內(nèi)水后每天觀測(cè)3次，直至立柱施工完成。各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3。

從觀測(cè)結(jié)果可知，圍堰頂水平位移實(shí)測(cè)值因施工誤差、施工干擾以及理論假定等原因稍大于理論值，但均在允許值范圍內(nèi)，鋼板樁圍堰始終處于可控狀態(tài)。

8 結(jié)語

小型圓形鋼板樁圍堰可不設(shè)置圍檁及內(nèi)支撐，這樣可以減少基坑內(nèi)施工干擾，方便施工，縮短施工周期，鋼板樁可周轉(zhuǎn)次數(shù)多，節(jié)約施工成本。從圍堰理論分析與監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，小型圓形鋼板樁圍堰安全可靠，對(duì)給排水檢查井等淺基坑施工具有良好的適用性。

參考文獻(xiàn)

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[4]羅建華，唐嫻.深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰三維仿真驗(yàn)算分析[J].科技導(dǎo)報(bào)，2011（12）：62-66.