钢板桩围堰在双层软土地质条件下的应用

王方远，包纯风，牛海波

（浙江省宏途交通建设公司，浙江杭州 310013）

1 工程简介

根据设计图纸提供的参数，设计洪水位为+2.50 m，27#墩河床高程为-0.3 m，土层地质为淤泥质亚黏土及亚黏土。在此工程地质结构中淤泥质亚黏土呈两层分布，因此地质条件较差。-13 m以上土性质为：γ 为 18.7 kN/m3，φ取 15 °，C 取 26 kPa；-13～-16 m 间土的性质为：γ 为 18.7 kN/m3，φ 取18 °，C 取 26 kPa。

承台底设计标高为-6.0 m，坑底标高为-6.5 m，坑深为 9.0 m。拟选用德国拉森 V 型钢板桩，钢板桩长为 18 m，入土深度为 9.0 m。

围堰中共设 4 道支撑，第一道支撑标高为-0.50 m；第二道支撑标高为-2.5 m；第三道支撑标高为-5.0 m，位于承台中下部；第四道支撑标高为-6.5 m。支承布置如图1。

图1 支撑布置图

2 钢板桩受力计算

把整个围堰施工过程考虑成 4 个不同的工况分别计算[1]。

工况Ⅰ：第一道横撑安装完成后，开挖至-2.5 m的受力状态；

工况И：第二道横撑安装完成后，开挖至-5.0 m 的受力状态；

工况Ш：第三道横撑安装完成后，开挖至-6.5 m 的受力状态；

工况Ⅳ：设置第四道支撑浇筑封底混凝土后，同时拆除第三道支撑后的受力状态。

在基础结构计算中，找准锚固点位置是最关键的。板桩施工过程见图2。由于篇幅有限，以下仅以工况Ⅳ为例说明计算过程。

图2 板桩施工过程

2.1 主动土压力计算[2]

主动土压力系数：K a=tg2(45°-ψ/2)=tg2(45°-15 °/2)=0.588

土容重：γ=18.7 kN/m3

主动土压力强度系数：λa=γ· Ka=18.7×0.588=10.995（kN/m3）

坑底主动土压力强度：Pa1=λa· H=10.995×6.2=68.169(kPa)

2.2 水压力计算

水容重：γω=10 kN/m3

计算深度：H=H1+H2=2.5+0.3=2.8(m)

每延米水压静载:q=γw· H=28（kN/m）

由于该施工位置水下土层为不透水的黏性土层，计算土压力时不考虑水的浮力，而土面以上水深作为均布的超载作用考虑，将地面均布荷载换算成填土的当量土层厚度。

故由水压力产生的当量土压力强度为：

Pa2=λa· h=10.995× 1.5=16.493(kPa)

故其坑底总压力强度为：

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

2.3 被动土压力计算

被动土压力系数：

2.4 工况4 计算

工况4 计算简图见图3。

图3 工况4 计算简图

（1）钢板桩弯矩计算

计算简图见图4。最大弯矩见图5，可看出最大弯矩位置在 MN 处，为 80 045 N · m。

图4 弯矩计算简图

图5 弯矩图

（2）钢板桩支撑力计算

R1 支撑力为－256.48 N，R2 支撑力为 168 810 N,R4 支撑力为 259 940 N。

此工况下锚固点处的支撑力为 19 699 N。

（3）复核钢板桩的强度

取德国拉森 V 型的断面模量进行复核。1 m宽的断面模量对短边（a 边）为 1 007 cm3。

3 求桩打入基坑下的深度

锚固点深度已至-9.68 m，桩的入土深度还需包括一段长度，即第三工况R01 对 C 点的力矩应等于被动土压力（三角形）对 C 点的力矩。

-13～-16 m 间土的性质为：γ为 18.7 kN/m3，φ 取 18 °，C 取 26 kPa。

主动土压力系数：K a=tg2(45°-ψ/2)＝tg2(45°-18°/2)=0.53

被动土压力系数：

R01 取为第三工况锚固点的反力：66.227 N

则入土总长度为 t

t=4.0+3.18≈7.18 m

钢板桩总长为 6.5+2.5+7.18＝16.18（m）。

因为租借钢板桩的型号局限于 15 m 或 18 m，故此工程选择 18 m 钢板桩。

4 钢板桩的进场检验

钢板桩运到工地后，应进行检查、分类、编号及登记，严格按照施工规范要求，对钢板桩锁口进行“锁口通过检查”，并认真做好记录。凡钢板桩有弯曲、破损、锁口不合的均应整修，按具体情况分别冷弯、热敲、焊补、铆补、割除或接长，板桩长度不够时，用同类型的钢板桩等强度焊接接长。焊接时先对焊或将接口补焊合缝，再焊加固板。相邻板桩接长应注意错开，吊装孔及拔桩孔事先钻好，拔桩孔焊加劲板，以免拔桩时拉裂。钢板桩应做好上盖下垫，分层堆放（见图6）。

图6 钢板桩分层堆放

5 钢板桩的打设

钢板桩施工要正确选择打桩方法和打桩机械，以便使打入后的板桩墙有足够的刚度和良好的挡土作用，且板桩墙面平直，以满足基础施工的要求。

（1）钢板桩打入前应沿钢板桩分布方向挖一条宽 0.5 m、深 0.3 m 的沟，并探明及确定地下无障碍物及管线，并制作围笼设备。

a.围笼设备

钢板围堰用型钢作为内导梁,导框制成围笼，其作用在于插打钢板桩时起导向作用；顶层导框可兼做施工平台；更主要的是作为钢板桩围堰的内部立体支撑，直接承受钢板传来的水、土压力。外导梁只起导向作用。围笼设内外导框，内外导梁间距应比钢板桩有效厚度大 8～10 cm，以利钢板桩的插打。

矩形围笼导梁按设计尺寸直接下料，导梁接头均安排在横撑支点处，接头用夹板螺栓连接的事先钻孔。

b.围笼安装

安装围笼时，应进行测量定位，先打定位桩，再在定位桩上挂装导框。导框在岸边组成，浮运到位以揽索锚碇，再开始插打板桩后，逐步将导框转挂在已打好的板桩上。

（2）桩机顺着从一边开始逐块插打，每块钢板施打过程中不得停顿。桩机行走路线短，施工简便，打入速度快，但由于单块打入，易向一边倾斜，累计误差不易纠正，墙面平直度较难控制。主要控制措施如下：

a.先由测量人员定出钢板桩的轴线，可每隔一定距离设置导向桩，导向桩直接使用钢板桩，然后挂绳线作为导线，打桩时利用导线控制钢板桩的轴线；

b.准备桩帽及送桩：钢板桩在锤头的打击下，容易出现变形和开裂，因此在桩顶设 1 个 300 mm厚的铸钢桩帽，帽缘用钢板焊成，高 400 mm，桩帽内与钢板桩空隙约 20 mm，使桩帽易套在桩顶上，送桩时打桩机吊起钢板桩，人工扶正就位；

c.单桩逐根连续施打，注意桩顶高程不宜相差过大；

d.在打入过程中随时测量监控，控制每块桩倾斜度＜2%，须在纵横方向各设置 1 台经纬仪进行监控，一旦发现偏差则进行纠正处理，若偏斜过大而无法拉直调正时应拔起重打。

6 挖土及设置钢板桩内支撑

钢板桩内土的清除工作可根据土质情况用小型挖机挖土（见图7）或用高压水枪射水进行清除，随着水位的下降，用泥土造浆，抽出泥浆达到挖基的目的。开挖时候，应再次确定围堰各项标高，并根据设计计算书确定支撑位置及施工工况的结构支撑的布置，开挖深度严格根据设计深度及安装支撑位置，内支撑采用双拼槽钢及贴板焊接成箱型结构（见图8），焊缝质量应满足设计规范要求，开挖时应注意以下事项。

图7 小型挖机挖土

图8 内支撑加工现场

（1）开挖过程中，派专人负责围堰的变化情况。

a.围堰的漏水情况。钢板桩漏水量较大时，派人及时下去用棉絮封堵；当开挖至坑底时，如堰脚漏水,应局部用混凝土进行封堵。

b.钢板桩的变形和移位情况。随着开挖深度的增加，钢板桩所受的水压力和主动土压力较大，当钢板桩有异常情况时，立即停止开挖，并及时向围堰内注水，使内外水压力保持平衡。并且在两支撑之间或第三道支撑和坑底之间加密支撑，确保钢板桩的稳定。

c.坑底的涌砂情况，当坑底地质与设计不符，为粉砂、细砂时，在基坑内抽水时，可能会引起涌砂的危险。当出现涌砂时，应立即停止清基抽水，并向堰内注水，使内外水压保持平衡，然后采用水中挖基，水下浇注封底混凝土。

d.开挖过程中，要备有潜水泵，以保证钢板桩出现异常时钢板桩的内外水压力平衡。

e.土方开挖应分段分区连续施工，并对称开挖。

f.施工通道应铺钢板以扩散压力，减小侧压力。

g.基坑周边范围内严禁堆载。

h.地面及坑内设排水措施，基坑内两侧设排水明沟集中排水，保持基坑内无水，便于挖土。

i.开挖过程中注意支护体系的变形观察。

j.基坑内作业时，有专职安全员负责安全检查。

7 围堰内清基及混凝土封底

开挖至设计标高后，整平基底。并且在围堰的中间设置集水坑用潜水泵抽取围堰内的渗水，确保基坑底处于干处，然后进行最后道支撑的施工及封底混凝土浇筑（见图9）。封底混凝土的标号为 C25。混凝土采用泵送，混凝土厚为 50 cm,分两层浇筑，每层厚度为 25 cm，上下层同时浇筑，确保上层与下层前后浇筑距离保持在 1.5 m 以上，并且在下层混凝土初凝前浇筑完上层混凝土。当混凝土浇筑了一段距离后通过拆除泵管和移动软管，使混凝土逐步地向前浇筑。封底混凝土强度达到设计值后，开始结构物的施工（见图10）。

图9 浇筑封底混凝土

图10 结构物施工现场

8 钢板桩的拔出及整理

在拔钢板桩前，一般先将水下的支撑拆除，拆除时应有安全措施。拔除钢板桩有时阻力很大，一般是因桩尖卷口、锁口变形及水下混凝土对桩的粘结力等所致。对于桩尖卷口及锁口变形的桩，可加大拔桩设备能力，将相邻桩一齐拔出，必要时可进行水下切割。

拔出的钢板桩应清刷干净、修补整理、涂刷防锈油（煤焦油环氧系和聚氨基甲酸乙酯涂料）。在运输堆放时，不使碰撞，防止弯曲变形，堆放场地应坚实平整，板桩基垫应每隔 3～5 m 有一道砖石砌垛，每层板桩之间垫以方木，垫木与垛应在同一垂直面上，顶上一层板桩应有坡度，以利排除雨水；堆放时应按板桩类型、长度分别编号、登记、堆放整齐，见图11。

图11 钢板桩拔出后整理堆放

9 结语

（1）在软基钢板桩围堰设计中，考虑锚固点深度为至关重要的步骤。在以往的文献[3,4]中可以看出，锚固点深度及锚固点以下计算长度往往被忽略，因为地质情况良好，忽略此部分计算内容影响不大，然而在江浙一带软基地质中，此部分不能被忽略。

（2）土的内摩擦角值是选取钢板桩型号的重要因素，φ 值在 10 °～20 °的变化将直接影响板桩长度。

（3）在以往的文献中，多层支撑的板桩土压力的计算模式有很多种。本文作者认为，本文计算方法较为合理，偏于安全，对工程问题相当于储备了一定的安全系数，易于推广。

[1] 黄强.深基坑支护工程设计技术 [M].中国建材工业出版社，2001.

[2] 洪敏康.土质学与土力学[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3] 赵锡宏，杨国祥.大型超深基坑工程实践与理论[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4] 王晓谋，赵明华.基础工程[M].北京：人民交通出版社，2003.