鋼板樁圍堰在雙層軟土地質條件下的應用

王方遠，包純風，牛海波

（浙江省宏途交通建設公司，浙江杭州 310013）

1 工程簡介

根據設計圖紙提供的參數，設計洪水位為+2.50 m，27#墩河床高程為-0.3 m，土層地質為淤泥質亞黏土及亞黏土。在此工程地質結構中淤泥質亞黏土呈兩層分布，因此地質條件較差。-13 m以上土性質為：γ 為 18.7 kN/m3，φ取 15 °，C 取 26 kPa；-13～-16 m 間土的性質為：γ 為 18.7 kN/m3，φ 取18 °，C 取 26 kPa。

承臺底設計標高為-6.0 m，坑底標高為-6.5 m，坑深為 9.0 m。擬選用德國拉森 V 型鋼板樁，鋼板樁長為 18 m，入土深度為 9.0 m。

圍堰中共設 4 道支撐，第一道支撐標高為-0.50 m；第二道支撐標高為-2.5 m；第三道支撐標高為-5.0 m，位于承臺中下部；第四道支撐標高為-6.5 m。支承布置如圖1。

圖1 支撐布置圖

2 鋼板樁受力計算

把整個圍堰施工過程考慮成 4 個不同的工況分別計算[1]。

工況Ⅰ：第一道橫撐安裝完成后，開挖至-2.5 m的受力狀態；

工況И：第二道橫撐安裝完成后，開挖至-5.0 m 的受力狀態；

工況Ш：第三道橫撐安裝完成后，開挖至-6.5 m 的受力狀態；

工況Ⅳ：設置第四道支撐澆筑封底混凝土后，同時拆除第三道支撐后的受力狀態。

在基礎結構計算中，找準錨固點位置是最關鍵的。板樁施工過程見圖2。由于篇幅有限，以下僅以工況Ⅳ為例說明計算過程。

圖2 板樁施工過程

2.1 主動土壓力計算[2]

主動土壓力系數：K a=tg2(45°-ψ/2)=tg2(45°-15 °/2)=0.588

土容重：γ=18.7 kN/m3

主動土壓力強度系數：λa=γ· Ka=18.7×0.588=10.995（kN/m3）

坑底主動土壓力強度：Pa1=λa· H=10.995×6.2=68.169(kPa)

2.2 水壓力計算

水容重：γω=10 kN/m3

計算深度：H=H1+H2=2.5+0.3=2.8(m)

每延米水壓靜載:q=γw· H=28（kN/m）

由于該施工位置水下土層為不透水的黏性土層，計算土壓力時不考慮水的浮力，而土面以上水深作為均布的超載作用考慮，將地面均布荷載換算成填土的當量土層厚度。

故由水壓力產生的當量土壓力強度為：

Pa2=λa· h=10.995× 1.5=16.493(kPa)

故其坑底總壓力強度為：

Pa=Pa1+Pa2=16.493+68.169=84.662(kPa)

2.3 被動土壓力計算

被動土壓力系數：

2.4 工況4 計算

工況4 計算簡圖見圖3。

圖3 工況4 計算簡圖

（1）鋼板樁彎矩計算

計算簡圖見圖4。最大彎矩見圖5，可看出最大彎矩位置在 MN 處，為 80 045 N · m。

圖4 彎矩計算簡圖

圖5 彎矩圖

（2）鋼板樁支撐力計算

R1 支撐力為－256.48 N，R2 支撐力為 168 810 N,R4 支撐力為 259 940 N。

此工況下錨固點處的支撐力為 19 699 N。

（3）復核鋼板樁的強度

取德國拉森 V 型的斷面模量進行復核。1 m寬的斷面模量對短邊（a 邊）為 1 007 cm3。

3 求樁打入基坑下的深度

錨固點深度已至-9.68 m，樁的入土深度還需包括一段長度，即第三工況R01 對 C 點的力矩應等于被動土壓力（三角形）對 C 點的力矩。

-13～-16 m 間土的性質為：γ為 18.7 kN/m3，φ 取 18 °，C 取 26 kPa。

主動土壓力系數：K a=tg2(45°-ψ/2)＝tg2(45°-18°/2)=0.53

被動土壓力系數：

R01 取為第三工況錨固點的反力：66.227 N

則入土總長度為 t

t=4.0+3.18≈7.18 m

鋼板樁總長為 6.5+2.5+7.18＝16.18（m）。

因為租借鋼板樁的型號局限于 15 m 或 18 m，故此工程選擇 18 m 鋼板樁。

4 鋼板樁的進場檢驗

鋼板樁運到工地后，應進行檢查、分類、編號及登記，嚴格按照施工規范要求，對鋼板樁鎖口進行“鎖口通過檢查”，并認真做好記錄。凡鋼板樁有彎曲、破損、鎖口不合的均應整修，按具體情況分別冷彎、熱敲、焊補、鉚補、割除或接長，板樁長度不夠時，用同類型的鋼板樁等強度焊接接長。焊接時先對焊或將接口補焊合縫，再焊加固板。相鄰板樁接長應注意錯開，吊裝孔及拔樁孔事先鉆好，拔樁孔焊加勁板，以免拔樁時拉裂。鋼板樁應做好上蓋下墊，分層堆放（見圖6）。

圖6 鋼板樁分層堆放

5 鋼板樁的打設

鋼板樁施工要正確選擇打樁方法和打樁機械，以便使打入后的板樁墻有足夠的剛度和良好的擋土作用，且板樁墻面平直，以滿足基礎施工的要求。

（1）鋼板樁打入前應沿鋼板樁分布方向挖一條寬 0.5 m、深 0.3 m 的溝，并探明及確定地下無障礙物及管線，并制作圍籠設備。

a.圍籠設備

鋼板圍堰用型鋼作為內導梁,導框制成圍籠，其作用在于插打鋼板樁時起導向作用；頂層導框可兼做施工平臺；更主要的是作為鋼板樁圍堰的內部立體支撐，直接承受鋼板傳來的水、土壓力。外導梁只起導向作用。圍籠設內外導框，內外導梁間距應比鋼板樁有效厚度大 8～10 cm，以利鋼板樁的插打。

矩形圍籠導梁按設計尺寸直接下料，導梁接頭均安排在橫撐支點處，接頭用夾板螺栓連接的事先鉆孔。

b.圍籠安裝

安裝圍籠時，應進行測量定位，先打定位樁，再在定位樁上掛裝導框。導框在岸邊組成，浮運到位以攬索錨碇，再開始插打板樁后，逐步將導框轉掛在已打好的板樁上。

（2）樁機順著從一邊開始逐塊插打，每塊鋼板施打過程中不得停頓。樁機行走路線短，施工簡便，打入速度快，但由于單塊打入，易向一邊傾斜，累計誤差不易糾正，墻面平直度較難控制。主要控制措施如下：

a.先由測量人員定出鋼板樁的軸線，可每隔一定距離設置導向樁，導向樁直接使用鋼板樁，然后掛繩線作為導線，打樁時利用導線控制鋼板樁的軸線；

b.準備樁帽及送樁：鋼板樁在錘頭的打擊下，容易出現變形和開裂，因此在樁頂設 1 個 300 mm厚的鑄鋼樁帽，帽緣用鋼板焊成，高 400 mm，樁帽內與鋼板樁空隙約 20 mm，使樁帽易套在樁頂上，送樁時打樁機吊起鋼板樁，人工扶正就位；

c.單樁逐根連續施打，注意樁頂高程不宜相差過大；

d.在打入過程中隨時測量監控，控制每塊樁傾斜度＜2%，須在縱橫方向各設置 1 臺經緯儀進行監控，一旦發現偏差則進行糾正處理，若偏斜過大而無法拉直調正時應拔起重打。

6 挖土及設置鋼板樁內支撐

鋼板樁內土的清除工作可根據土質情況用小型挖機挖土（見圖7）或用高壓水槍射水進行清除，隨著水位的下降，用泥土造漿，抽出泥漿達到挖基的目的。開挖時候，應再次確定圍堰各項標高，并根據設計計算書確定支撐位置及施工工況的結構支撐的布置，開挖深度嚴格根據設計深度及安裝支撐位置，內支撐采用雙拼槽鋼及貼板焊接成箱型結構（見圖8），焊縫質量應滿足設計規范要求，開挖時應注意以下事項。

圖7 小型挖機挖土

圖8 內支撐加工現場

（1）開挖過程中，派專人負責圍堰的變化情況。

a.圍堰的漏水情況。鋼板樁漏水量較大時，派人及時下去用棉絮封堵；當開挖至坑底時，如堰腳漏水,應局部用混凝土進行封堵。

b.鋼板樁的變形和移位情況。隨著開挖深度的增加，鋼板樁所受的水壓力和主動土壓力較大，當鋼板樁有異常情況時，立即停止開挖，并及時向圍堰內注水，使內外水壓力保持平衡。并且在兩支撐之間或第三道支撐和坑底之間加密支撐，確保鋼板樁的穩定。

c.坑底的涌砂情況，當坑底地質與設計不符，為粉砂、細砂時，在基坑內抽水時，可能會引起涌砂的危險。當出現涌砂時，應立即停止清基抽水，并向堰內注水，使內外水壓保持平衡，然后采用水中挖基，水下澆注封底混凝土。

d.開挖過程中，要備有潛水泵，以保證鋼板樁出現異常時鋼板樁的內外水壓力平衡。

e.土方開挖應分段分區連續施工，并對稱開挖。

f.施工通道應鋪鋼板以擴散壓力，減小側壓力。

g.基坑周邊范圍內嚴禁堆載。

h.地面及坑內設排水措施，基坑內兩側設排水明溝集中排水，保持基坑內無水，便于挖土。

i.開挖過程中注意支護體系的變形觀察。

j.基坑內作業時，有專職安全員負責安全檢查。

7 圍堰內清基及混凝土封底

開挖至設計標高后，整平基底。并且在圍堰的中間設置集水坑用潛水泵抽取圍堰內的滲水，確?；拥滋幱诟商?，然后進行最后道支撐的施工及封底混凝土澆筑（見圖9）。封底混凝土的標號為 C25?；炷敛捎帽盟?，混凝土厚為 50 cm,分兩層澆筑，每層厚度為 25 cm，上下層同時澆筑，確保上層與下層前后澆筑距離保持在 1.5 m 以上，并且在下層混凝土初凝前澆筑完上層混凝土。當混凝土澆筑了一段距離后通過拆除泵管和移動軟管，使混凝土逐步地向前澆筑。封底混凝土強度達到設計值后，開始結構物的施工（見圖10）。

圖9 澆筑封底混凝土

圖10 結構物施工現場

8 鋼板樁的拔出及整理

在拔鋼板樁前，一般先將水下的支撐拆除，拆除時應有安全措施。拔除鋼板樁有時阻力很大，一般是因樁尖卷口、鎖口變形及水下混凝土對樁的粘結力等所致。對于樁尖卷口及鎖口變形的樁，可加大拔樁設備能力，將相鄰樁一齊拔出，必要時可進行水下切割。

拔出的鋼板樁應清刷干凈、修補整理、涂刷防銹油（煤焦油環氧系和聚氨基甲酸乙酯涂料）。在運輸堆放時，不使碰撞，防止彎曲變形，堆放場地應堅實平整，板樁基墊應每隔 3～5 m 有一道磚石砌垛，每層板樁之間墊以方木，墊木與垛應在同一垂直面上，頂上一層板樁應有坡度，以利排除雨水；堆放時應按板樁類型、長度分別編號、登記、堆放整齊，見圖11。

圖11 鋼板樁拔出后整理堆放

9 結語

（1）在軟基鋼板樁圍堰設計中，考慮錨固點深度為至關重要的步驟。在以往的文獻[3,4]中可以看出，錨固點深度及錨固點以下計算長度往往被忽略，因為地質情況良好，忽略此部分計算內容影響不大，然而在江浙一帶軟基地質中，此部分不能被忽略。

（2）土的內摩擦角值是選取鋼板樁型號的重要因素，φ 值在 10 °～20 °的變化將直接影響板樁長度。

（3）在以往的文獻中，多層支撐的板樁土壓力的計算模式有很多種。本文作者認為，本文計算方法較為合理，偏于安全，對工程問題相當于儲備了一定的安全系數，易于推廣。

[1] 黃強.深基坑支護工程設計技術 [M].中國建材工業出版社，2001.

[2] 洪敏康.土質學與土力學[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3] 趙錫宏，楊國祥.大型超深基坑工程實踐與理論[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4] 王曉謀，趙明華.基礎工程[M].北京：人民交通出版社，2003.