双排钢板桩在河涌改移中的应用

邓义钊，陈小丹，李 川，马 勇，朱思军

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635)

钢板桩因其强度高、隔水性能好、经济环保又能灵活组成各种外形的优点，在围堰施工中广受应用[1]。而在陆地基坑支护中，作为一种柔性支护，单排悬臂式钢板桩往往因刚度不足，支护的水平位移无法满足设计要求，其优秀的防水性和在水中施工的便利也因在陆地而难以发挥，而能有效提高整体刚度的双排钢板桩结构，则需足够的支护场地提供排距。当基坑具有足够的施工空间时，设计人员一般也会采用放坡、土钉等更经济的支护结构，这些因素都限制了钢板桩的使用。

然而对于止水性能要求高或者临江的基坑工程，钢板桩支护则会提高施工质量，在减少工期和成本方面起到积极作用[2]。

本文以广州某河涌改移工程基坑支护设计为例，用理正深基坑及Midas软件对钢板桩支护形式进行了比选和分析，可供类似基坑支护工程设计参考。

1 工程概况

广州某涌因拟建一跨涌桥，需进行临时改移。改移河道宽为35 m，基坑深度为2.3～4.5 m，与现状河底基本顺接，工程平面示意如图1所示。

周边环境为：基坑东北侧靠近泵站，最近距离为5 m；西侧为拟建跨涌桥，距拟建桥侧墙处设计灌注桩桩位的最近距离为11.37 m。本工程东北侧靠泵站段基坑安全等级定为1级，其余区段设计为2级基坑。

2 地质情况

根据钻探揭露，本场地自上而下各岩土分层及其特征如下：

<1-1>主要为杂填土、素填土，局部为耕植土；颜色较杂，压实状态不均，稍湿～饱水，呈松散/软塑，层厚为0.5～7.3 m，平均厚度为3.07 m。平均标贯击数为6击。

<2-1>淤泥层：深灰色、灰黑色，主要由黏粒及有机质组成，局部含较多粉砂及贝壳碎片，饱和，呈流塑状。厚度为0.50～1.60 m，平均厚度为1.04 m。

<3-2>中粗砂层：呈褐黄、灰白、灰褐色，饱和，稍密～中密，局部呈松散状。颗粒成分以石英、长石为主。厚度为0.80～13.40 m，平均厚度为3.95 m。平均标贯击数为15.20击。

<3-3>砾砂层：呈黄色、灰黄、灰褐色，饱和，稍密～密实，分选性差，级配良好，颗粒成份主要为石英。厚度为0.90～12.30 m，平均厚度4.22 m。平均标贯击数为23.80击。

4) 岩石微风化带(C1ds)

<9C-2>灰岩微风化带：灰黑色、灰白色、灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，属较硬岩～坚硬岩，节理裂隙发育，岩体较完整。厚度为0.20～33.30 m，平均厚度11.45 m。

根据地勘报告，岩土计算参数如表1所示，基坑地质剖面示意如图2所示。

3 设计方案

3.1 本基坑工程的特点

1) 基坑开挖深度为2.3～4.5 m，根据钻孔揭露，基坑深度范围为土体均为杂填土和淤泥，土方开挖过程中容易引起基坑周围地面变形。

2) 基坑东北侧靠近泵站，该区段基坑对变形限制较高。

3.2 方案分析

本工程基坑两侧相距35 m，不宜采用内支撑，单独使用悬臂式钢板桩位移过大，若使用单排钢板桩+预应力锚索的形式，为避免损伤泵站基础，锚索需平行于泵站外墙布置(如图3所示)，锚索与竖向和水平向均有一夹角，施工困难，且需在计算基础上增长，经理正深基坑软件计算，锚索长度达24.6 m，较为浪费，因而本工程不适宜使用锚索。加之场地受限，本工程也不适宜放坡。

综上考虑，本基坑的支护形式最终采用双排钢板桩，钢板桩长为12 m，前排桩和后排桩采用Φ30@1 200 mm钢拉杆连接，拉杆两端使用槽钢固定。双排钢板桩支护的大样和剖面示意如图4～5所示。

本项目使用拉森Ⅳ型钢板桩，其基本参数如下(每延米)：A=236 cm2；Ix=39 600 cm4；Wx=2 200 cm3；E=2.06×105MPa；v=0.17；γ=78.5 kN/m3。

4 分析计算

4.1 双排钢板桩支护计算

本项目使用理正深基坑7.0PB4和弹塑性商用三维有限元软件Midas GTS NX，对双排钢板桩支护的应力和变形进行计算，刚度折减系数取0.85。

由于拉森Ⅳ型钢板桩几何截面较复杂，本文在Midas建模时将其等效为每延米惯性矩相等的矩形截面[3]，截面宽度h计算如下：

(1)

理正深基坑软件的计算工况见表2～3，包括使用8 m、10 m、12 m、14 m、16 m单排悬臂式钢板桩时支护的最大水平位移，以及将桩长12 m，排距分别为2 m、3 m、4 m、6 m时的双排钢板桩等效计算。本文理正深基坑的双排钢板桩计算使用两种方法，第1种方法是用双排桩模块，将钢板桩等效为每延米刚度相等的C30矩形地下连续墙，其中C30混凝土弹性模量：E=3.0×107KPa；钢板桩弹性模量取E=2.06×108KPa，根据刚度等效原则，前后排钢板桩均简化成宽度为31.95 cm的地连墙。第2种方法是把前后排桩和桩间土一起等效为总刚度相等的水泥土挡墙，该工况因不考虑拉杆，计算时不进行刚度折减。水泥土挡墙弹模取80 Mpa，其总刚度按下式计算[4]：

(2)

式中EI为水泥土挡墙等效刚度，kN/m2；E1I1为钢板桩每延米刚度，kN/m2；E2为桩间土弹性模量，kN/m2；h为双排钢板桩排距，m。

Midas GTS NX建模时，淤泥质土的本构模型选用修正摩尔库伦，其余土层本构模型选用摩尔库伦，模型概况见图6～7，计算桩长为12 m，排距分别为2 m、3 m、4 m和6 m的拉杆连接双排钢板桩支护结构水平位移，计算结果见表4。

4.2 计算结果分析

单排钢板桩在增加桩长时的支护最大水平位移计算结果见图8，从图8中可知：仅增大钢板桩的嵌固深度并不能有效减少支护位移，这是钢板桩属柔性支护，自身刚度较低的缘故。相比于单排钢板桩，双排钢板桩结构能有效地提升整体刚度，改善支护的受力情况。

理正与Midas软件的双排钢板桩计算结果对比见图9。

从图9可知理正双排混凝土地连墙工况会出现支护位移随排距的增大而增大的情况，这与双排钢板桩的工程实际不符。模型中使用混凝土拉杆，本项目使用钢拉杆，由于拉杆和前后排桩为铰接，拉杆起传递拉力的作用，不能传递弯矩，计算时如参照混凝土双排桩的计算方法简化为门式刚架，则会与实际产生差异[5]。

在理正实心水泥土墙工况中，由于没有考虑拉杆对支护的刚度增益以及前后排桩对桩间土力学特性的改善作用，使得计算位移值偏大。

在Midas模拟的拉杆连接双排钢板桩工况中，可看出当排距较小时，拉杆连接双排钢板桩体系的刚度提高是有限的。当排距从较小值开始增大，支护的最大水平位移随之减小，而当排距较大时，支护最大水平位移趋近于某一定值。说明双排钢板桩排距过大时，排距的增加对支护水平位移的约束效果影响较小，容易造成场地和经济上的浪费。因此，为了更好地发挥双排钢板桩的效益，设计适宜排距是有必要的。我国《干船坞设计规范》(CB/T 8524—2011)第6.6.1.5条[6]中建议，双排钢板桩围堰的高宽比为0.9～1.2，本项目基坑双排钢板桩支护区段深为4.2 m，换算后的排距为3.5～4.6 m，Midas计算的支护水平位移在此排距区间内基本稳定，说明通过规范中双排钢板桩围堰的高宽比，对确定双排钢板桩基坑支护的适宜排距是有一定参考价值的。

5 结语

本河涌改移项目对支护的止水性要求高，又因场地限制而不宜使用内支撑、锚杆和放坡等支护形式，然而施工场地较为充裕，可提供一定的排距空间，且不属于深基坑，为双排钢板桩支护的应用创造了条件。

本文使用理正深基坑和Midas GTS NX两个软件进行计算，反映了双排钢板桩结构具有能有效提升自身刚度，弥补钢板桩作为柔性结构而刚度不足的优点。不同排距下的支护水平位移计算，反映了钢板桩的排距对双排钢板桩支护的整体刚度增益影响较大。本文Midas软件计算适宜排距区间与我国《干船坞设计规范》的建议相似，可给类似工程提供参考。