钢板桩围堰技术在砂土地层中的应用

王汉席 于微微 王龙伟

(长春市海威市政工程设计有限公司，吉林 长春 130062)

钢板桩围堰技术在砂土地层中的应用

王汉席 于微微 王龙伟

(长春市海威市政工程设计有限公司，吉林 长春 130062)

结合工程实例，介绍了砂土地层中采用钢板桩围堰基坑支护设计的方案，并对基坑支护结构设计进行了计算，阐述了钢板桩围堰支护结构施工的工艺流程及施工注意事项，实践证明应用该支护方案取得了良好的施工效果。

钢板桩，围堰，支护结构，基坑

1 工程概况

伊通满族自治县库仑大桥桥梁墩台基础采用扩大基础，位于伊通河内，施工时墩位处平均水位0.8 m～1.2 m。墩台处地层情况从上至下为：①中粗砂，松散状态；②砾砂，稍密状态；③砾砂，中密状态；④砾砂，密实状态；⑤泥质砂岩，全风化。桥梁墩台基坑长为40 m，宽为8 m，开挖深度为8.5 m，基坑周围为河床，开挖深度范围主要为中粗砂和砾砂，坑底为强度较高的泥质砂岩。该工程地下水系连通，设置节流困难，且造价高，施工周期长。经论证，采用钢板桩支护，达到基坑支护和止水帷幕双重目的[1]。钢板桩是一种广泛应用的材料,具有节能、高效、环保、绿色和可重复利用等优点，应用广泛[2,3]。根据文献，砂层中钢板桩会随着抽水过程自愈，在施工过程初始阶段渗水量大，后期渗水量会显著降低[4]。因此，采用钢板桩围堰技术，能达到支护和止水双重效果。

2 围堰基坑支护设计

2.1 围堰基坑支护结构

支护结构主要由钢板桩、钢围檩和内支撑三部分组成，钢板桩主要承受土压力兼止水帷幕的作用，内支撑和钢围檩的作用是增加钢板桩的强度，减少其变形的作用。本基坑的设计深度为8.5 m，支护钢板桩长为12.0 m，要求嵌入泥质砂岩不小于1.0 m。设置内支撑两道，距离坑顶2.0 m为第一道，距离坑顶5.5 m为第二道，内支撑采用φ377钢管，间距为3.5 m布置。基坑的围堰尺寸为40 m×8.0 m。其平面布置见图1，剖面见图2。

2.2 基坑支护结构设计计算

钢板桩围堰属于柔性支护结构，适当的非线性设计有助于抗弯能力的恢复，节约材料[5]。基坑支护设计计算方法主要有极限平衡法、图解法、等值梁法和有限单元法等[6]，本工程将整个结构分解为挡土结构、内支撑结构两部分进行分析；挡土结构采用平面杆系结构弹性支点法，内支撑结构按平面结构分析，同时考虑其相互之间的变形协调[7]。由于本工程为砂土地层，应采用水土分算的方法，其主动土压力和被动土压力的计算见式(1)和式(2)，内支撑力计算见式(3)，水压力计算见式(4)。

(1)

(2)

Fh=kR(vR-vRo)+Ph

(3)

ua=γwhwa,up=γwhwp

(4)

其中，σak，σpk分别为支护结构主动土压力和被动土压力；ua,up分别为支护结构内、外侧的水压力；Ka,i，Kp,i分别为支护结构主动土压力系数和被动土压力系数；hwa和hwp均为主被动水压力计算深度；ci为粘聚力；vR和vRo分别为挡土构件支撑点的水平位移和内支撑支点的水平位移；Ph为挡土结构计算宽度内的法向预加力。

本工程在计算的过程中，基坑内侧和外侧水位的变化引起钢板桩受力的不同，设计中应予以考虑。特别是随着坑内水位的降低，围护结构主动压力增大[8]。钢板桩的截面形状和截面高宽比影响主动土压力的分布形式[9]，设计时也应充分考虑。钢板桩采用FSP-Ⅳ型钢板桩，有效宽度为500mm，有效高度200mm，每米截面积为267.6cm2，惯性矩3.96×104cm4，截面模量2.2×103cm3，允许弯拉应力145MPa，其允许最大弯矩Mmax=319kN·m。共计算5个基坑开挖支护工况，本工程的设计计算参数见表1，计算结果如表2所示，表中列出每个工况的最大弯矩、最大剪力和支撑轴力。最大弯矩出现在第3工况，弯矩值为121.59kN·m，小于[Mmax]的319kN·m。围檩采用规格为440×300×18×11的H型钢。内支撑采用φ377钢管，厚度为10mm，截面积115.24mm2，重量90.51kg/m，惯性矩19 430.86cm4，截面模量1 030.81cm3，回转半径12.98cm。内支撑设置间距为3.5m。

整体稳定性计算分析安全系数为1.91，对应的滑动圆弧半径为R=8.062m，圆心坐标为(-2.343,4.081)。抗倾覆计算稳定性安全系数Ks=Mp/Ma，Mp为被动土压力和支撑点对桩底的弯矩之和；Ma为主动土压力和水压力对桩底的弯矩。Ks=1.61>1.30，抗隆起安全系数Kb=2.046>1.60，均满足规范要求。由于桩底端已经嵌入强度较高的泥质砂岩，其上有密实的砾砂层，因此也不会产生隆起和管涌问题。

表1 基坑支护设计土层参数表

表2 基坑支护结构内力及变形计算结果汇总表

3 钢板桩围堰支护结构施工

3.1 施工工艺流程

由于日本在钢板桩生产工艺方面具有先进的技术[10]，因此本项目采用日标U型钢板桩，其型号为FSP-Ⅳ。其施工工艺流程如下：施工准备→土方开挖→钢板桩打设→土方开挖→内支撑制作安装→第二次土方开挖→墩台基础混凝土浇筑→土方回填→拆除内支撑和围檩→拔出钢板桩。1)钢板桩打设。现场钢板桩打设主要包括：导架安装、钢板桩安装、振动沉桩。由于本工程要穿透砾砂层，因此采用振动沉桩法，预先在钢板桩围堰位置开挖一个深为1.5m的坑，目的是为了减小阻力。为保证钢板桩施工质量，设置钢板桩导向框架[11]。导框的安装，可直接悬挂在浮台上，待打入少量钢板桩后，逐渐将导框固定到钢板桩上[12]。2)拔出钢板桩。为节约成本，在基坑施工完成后，拔出钢板桩。为减少拔桩的摩擦力，对打入土层的钢板桩内外两侧涂刷沥青[13]。拔桩采用振动拔桩法，在现场选择一个相对较容易拔出的钢板桩，先用拔桩机夹住钢板桩振动2min，使其松动后，再上拔钢板桩。

3.2 施工注意事项

1)本基坑在施工过程中应加强监测工作，特别是基坑顶部的水平位移、竖向位移[14]，同时观察基坑周围的水位变化。2)施工中钢板桩垂直度控制是关键，将直接影响钢板桩的咬合密封[15]，处理不好将引起渗漏，施工过程中应通过设置导向架来解决钢板桩的垂直度问题。3)对于多台桩机施工合龙控制问题[16]，本项目通过每个墩台采用一台桩机施工，收口位置精准测量来解决。4)在施工中出现裂缝不可避免，可采用干细砂溜缝、棉絮填塞的方法[17]。本工程采用棉絮填塞的方法，成本低，效果较好。5)水平钢管和围檩支撑应焊接牢固，出现间隙应采用木楔塞紧[18]，以确保钢板桩和围檩结构能够将土压力均匀传至水平钢管。

3.3 施工效果

现场桥梁墩台位置基坑开挖表明，围堰支护结构变形较小，支护结构稳定。基坑底部和侧面没有出现渗漏、管涌等现象，结果表明采用钢板桩围堰支护和止水帷幕方案是成功的。

4 结语

1)钢板桩围堰技术在砂土地层中的应用是可行的，能够同时解决支护和止水帷幕的问题。2)在钢板桩围堰设计中，将整个结构分解为挡土结构、内支撑结构两部分进行分析计算，挡土结构采用平面杆系结构弹性支点法，内支撑结构按平面结构分析，保证整体的安全性。3)在施工过程中，应控制钢板桩的垂直度，出现裂缝后应采用棉絮及时封堵；为保证钢板桩的穿透力和施工完成后拔桩的方便，施工中采取在桩身上涂抹沥青和桩底端做成钝尖状的方法，以减少侧摩阻力。

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On application of steel sheet pile cofferdam technology in sand soil

Wang Hanxi Yu Weiwei Wang Longwei

(ChangchunHaiweiCivilWorksDesignCo.,Ltd，Changchun130062,China)

Combining with the engineering cases, the paper introduces the scheme for adopting steel sheet pile cofferdam technique in the foundation pit support design, calculates the foundation pit support structure design, illustrates its craft procedure and precautions, and proves by the practice that the support scheme has better construction effect.

steel sheet pile, cofferdam, support structure, foundation pit

2014-11-29

王汉席(1978- )，男，硕士，高级工程师，注册土木工程师(岩土)； 于微微(1984- )，女，工程师； 王龙伟(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)04-0061-02

TU473.5

A