摘要：基于國外某船塢工程深厚中粗砂地層的工程背景，分析了該工程鋼板樁設計計算中砂的內摩擦角和變形模量的選用，并將計算變形與實際變形進行對比，結合該工程總結了鋼板樁止水帷幕出現的問題和對策。

    關鍵詞：鋼板樁；船塢；中粗砂層
    APPLICATION OF STEEL SHEET PILE IN ONE OVERSEA DRY DOCK PROJECT BASED ON THE DEEP MIDDLE-COARSE SAND SOIL CONDITION
    Ma Yongping  Qian Yuqi
    （The Ninth Design & Research Institute Engineering Cop. Ltd., Shanghai, 200063, China）
    Abstract: Based on the deep middle-coarse sand soil condition in one oversea dry dock project, analyzed the selection of the inter friction angle Ψ and the deformation modulus E50 in the calculation for steel sheet pile, compared the calculated deformation value with actual deformation value, under this project, summarized problems and key points in the construction of the steel sheet pile water-proof curtain wall
    Keyword: Steel sheet pile; dry dock; middle-coarse sand.

 
     
    1．項目概況
    國外某船塢工程按英國BS標準和當地標準進行設計和施工，包括大型修船塢4座，多座順岸碼頭、駁岸，臨時圍堰2座，工程平面布置見圖1。針對該場地為砂性場地的特點，經多方案必選，在碼頭、圍堰、基坑、船塢帷幕中應用了各種類型的鋼板樁總計近4萬噸。
    
     
     
    2．水文和地質條件
    設計高水位: 3.20m,設計低水位: 0.0m,流速: 0.8m/s,H1% : 2.3m。
建設場地原為海域，經吹填約30m砂層后形成現有場地。場地地層大體分布：①松散砂層2~10m,標貫4~10擊，②中密～密實砂層20~25m，標貫10~40擊，③原有淤泥層0~10m(軟塑)，標貫4-6擊，④砂質粉土或粉質砂土(中密~密實)，標貫15~100級。

    3．結構設計：
    3.1鋼板樁選型
    場地砂層為中粗砂，其滲透系數經室內試驗為3X10-2cm/s,實測基坑透水量表明滲透系數比這個試驗數據還要大一倍左右，這種場地條件國內外可參考的實例也很少找到，準備在如此深厚回填砂場地干施工大型船塢，止水難度大。針對此砂性場地，設計施工排除了地下連續墻、灌注樁加旋噴、膨潤土墻、預制板樁等方案，選用了鋼板樁作臨時止水和永久止水。
    順、駁岸采用單錨板樁結構型式，主墻和錨碇墻分別采用AZ39-700型和AZ19-700熱軋鋼板樁。船塢塢墻采用管樁樁基扶壁式結構，承臺下止水帷幕采用AU20型熱軋鋼板樁止水。水域圍堰為雙排板樁錨拉結構，外排以AU23型熱軋板樁止水、內排OT25型冷彎板樁擋土。陸域基坑采用多級放坡型式，在坡頂設FSP IV型鋼板樁臨時帷幕。雙排鋼板樁圍堰、臨時鋼板樁止水帷幕的基坑結合深井降水等措施，實現了在強透水性、大厚度的中粗砂地層中開挖、干施工船塢結構，其中泵房處最深約25米。
    結構典型剖面見圖2~4：

    3.2耐久性設計：
    鋼筋屈服強度為250和460 級。混凝土按海工建筑物要求采用C40等級，為滿足耐久性要求采用高性能混凝土。
    鋼板樁的壁厚應按BS標準確定腐蝕量，在結構計算時扣除鋼板樁各受力位置的腐蝕量，浪濺區0.08mm/a ,水下區0.04 mm/a,泥下區為0.015mm/a。油漆防腐設計按10-15年標準設計，由于場地地基為砂層，打樁過程中油漆難免被損傷，結構計算時不考慮油漆的保護作用，按50年腐蝕量予以扣除，故在鋼板樁選型時考慮采用一定的壁厚，以免經腐蝕量扣除后斷面測算不經濟。
    
    3.3結構計算
    根據本工程設計審批要求，順駁岸、圍堰、基坑等擋土墻結構計算須采用連續介質計算軟件，當地一般采用軟件PLAXIS 2D進行強度計算，同時也按強度折減法計算穩定性，一般采用摩爾庫侖模型，主要由于該模型參數相對較少。 按照規定，一般場地須同時考慮排水指標和不排水指標進行計算，并取最不利結果作為設計值，鑒于本工程場地為深厚砂質場地，一般剖面按排水模式計算。
    3.4巖土參數確定
    由于結構計算須滿足結構強度、穩定性和結構變形限制等要求，對本工程而言，主要取決于砂層的內摩擦角和變形模量等巖土參數的選用，由于砂層無法進行不干擾取樣，因而無法通過室內試驗直接取得上述兩項指標。
    為分析砂層指標，進行了現場SPT、CPT試驗和相關室內顆粒分析試驗，范圍為地面以下5m~25m范圍內的中密砂層（標貫10-30擊），按顆分試驗結果，砂土大體屬于中粗砂偏粗砂，按英標體系證明如下：
    (1).按照BS8002規范[2]中砂土內摩擦角取值公式取值
    Ψ’crit=30+A+B,其中：A:根據顆分試驗決定的參數,      B:根據土的級配決定的參數,詳見該規范條文。
    (2).按《日本港口工程技術標準》[4] (OCDI) 2002，
    Ψ＝25+sqrt(100N/70+PV0)
    ：SPT標貫錘擊數，Pv0:有效垂直應力。
    按(1)(2)條計算結果見圖5。

    (3).另外巖土勘探公司提供了直接通過CPT得出內摩擦角推斷圖。所用公式為靜探設備（Geomil）設備手冊推薦公式）Ψ=arctan(0.105+0.16*ln(qc/σv;z) ,結果為34.1°～41°。
    綜上結果，綜合選取中等密實度砂的內摩擦角Ψ=34 °。其余砂的指標選用為新回填松砂按30°，原有地層松散砂按32°,密實砂按35°。
    
    3.5砂的變形模量選用：
    砂土變形模量直接影響結構的變形，間接影響板樁的選用模量，從某種程度上講影響工程造價。
    按當地經驗，對砂土按排水模式計算時，對土的變形模量E50（割線模量）取值按E50=1700*N (KPa)，N為SPT標貫擊數，按此公式計算結果大體符合《基礎工程分析與設計》[1]所述模量范圍：
    粉砂：5-20MPa，松散砂土：10-25MPa，密實砂土：
    50-81MPa。此公式算得的變形模量轉換到測得CPT錐尖阻力qc,大約為E50= 3.5qc.
    設計時按此模量計算后和按常用的土體彈簧系數法計算所得位移相比偏大，故下面將本工程中各典型工程的計算位移和實測位移做了對比。比較計算前提是：排除波浪荷載、堆載、系船柱荷載，考慮到位移測量點是在結構建成后、前沿尚未開挖時設置的，故開挖前的位移也予以清零。部分分項工程的典型測點的測算位移與實測位移對比：

    從位移情況簡單對比看，上述基坑、駁岸中所采用的變形模量與實際情況相比偏差不大；對圍堰來說偏差較大，按前述經驗公式根據標貫對E50取值，基本能反映實際情況。分析圍堰位移偏差大的原因，圍堰拉桿以上堰體施工一般與圍堰內抽水差不多同步開展，部分影響了位移測量，實際的位移偏差比表中的差距可能要小，另一方面圍堰棱體填砂內摩擦角取30°也有所偏低。
    4．鋼板樁止水帷幕
    順駁岸碼頭胸墻由于底標高低于平均水位，綁鋼筋和澆混凝土時水位需要適當降低，靠現場的砂土無法止水，胸墻施工期采用單節FSPIV鋼板樁（約12m）對單段胸墻范圍進行臨時擋水，由于單段胸墻施工范圍小，加上水泵明排水，能滿足胸墻施工要求。
    基坑、圍堰和塢墻板樁施工可謂波瀾起伏，鋼板樁施工量大，工期緊，弱透水層埋深深，深層砂土標貫擊數高，但不止水，弱透水層還在砂層以下，有的部位弱透水層標貫擊數不高，有的位置就是持力層。這樣不是打不動就是到弱透水層了，到了弱透水層可能還能往下打，造成透水的密實砂層易與弱透水層混淆。工程實施時大量采用CPTU靜力觸探，結合鉆孔，確定了弱透水層的設計指導標高。
    基坑工程中板樁深度達25～30m,陸上分節施工，部分樁未采用導架導致樁身傾斜影響鎖口，部分位置砂層較密實，造成不少樁未打到弱透水層。圍堰板樁基本上能打到位，對另星未打到位處也采用了局部旋噴處理。由于臨時帷幕板樁在基坑回填后必須拔除，沒有采用旋噴、注漿等手段修補基坑漏水點，現場采用了膨潤土泥漿進行灌漿，在一定程度上減少了漏水量。臨時基坑最終透水量還是較大，在海側高潮位的情況下1#基坑排水量達近8萬方/天，給排水工作帶來不少麻煩。
    分析臨時帷幕滲水量大的主要原因：(1)部分樁未打到位估計是透水的最主要的原因,其外部原因包含砂層密實，部分未采用導架，傾斜引起鎖口出問題等。(2)為拆除考慮，接樁時僅在腹板位置兩面焊接鋼板接樁，鎖口和翼緣位置不焊接，本身就是個滲水通道；(3)FSPIV 型樁鎖口較松，有沒有象圍堰樁那樣的張緊過程，另外部分板樁的鎖口間未涂止水材料，即使是現場拌制的簡易材料，在中粗砂場地對透水量有一定影響。在后期施工中對(1)(3)兩點加以注意后，2#基坑帷幕透水量明顯減少。
    船塢永久帷幕重要性高于臨時帷幕，各方也更重視，同時因在塢底施工，打樁深度小，相對撓度大，加上在臨時帷幕上的經驗教訓，采取了事前指導、事后逐根鑒定的方式對每根鋼板樁的樁底標高進行把關，采用單節樁沉樁，嚴格進行雙層導架施工、鎖口涂止水止水材料，對按評判標準判斷為未打到標高的樁全部采用了高壓旋噴灌漿處理，結果非常滿意，使用期單塢滲水量不大于2000方/天。
    
    5．鋼板樁沉樁對比
    鋼板樁施工主要靠液壓振動錘，有5T、7T、10T的振動錘按屏風法施工。對比振動錘和打管樁用的打樁錘，結果是到最后是振動錘還能勉強打，打樁錘已是打壞樁頭了。本工程僅在局部順岸box板樁最后一段送樁時采用了打樁錘沉樁，其余位置均采用振動錘沉樁。特別是陸上樁用液壓振動錘吊打的樁透水一般，反而是自身帶縱向導架的德國某新型打樁架打的樁打不到位的居多，透水量遠高于其它地段，估計是反復調直鋼板樁可能對鎖口有所損傷。
    按《大型船塢的結構設計和施工》[3]中講的經驗，在砂層中鋼板樁沉樁時錘擊數到一定數據，鎖口將脫開，就須壓漿處理，在本工程中大都用振動錘沉樁，并沒有按此處理，如需按此處理，時間和費用也難以承受。這說明采用大功率的振動錘施工勝過比采用打樁錘施工U型鋼板樁。
    歐系Acelor的AU樁與日系FSPIV樁對比，施工時圍堰AU鋼板樁由于樁長、撓度大、鎖口緊而難打，經過采用水沖法輔助，最終鋼板樁基本上能沉樁到位。陸上FSPIV樁由于分節施工、相對剛度大、鎖口松而相應好打，開挖時卻是陸上帷幕樁位置大量滲水，圍堰位置很少漏水,這里面有圍堰板樁有變形拉緊的過程而基坑帷幕鋼板樁無此過程。
    
    6．結論與展望：
    （1）. 介紹了本工程中鋼板樁的應用,對砂層地基鋼板樁工程設計中既重要又難以確定的巖土參數－砂的內摩擦角和變形模量E50的選用作了分析和探討
    （2）. 對本工程對砂層地基鋼板樁止水帷幕施工情況做了介紹，分析了在深厚砂層不同板樁、施工機械、施工方法在止水工程中的出現的問題和改進措施。
    （3）. 從本工程實例看，采用合適的施工工藝，注重施工前后的設計指導和驗證，在類似本工程的深厚中粗砂場地建成臨時或永久的鋼板樁止水帷幕是可行的。
    
    參考:
    [1]《基礎工程分析與設計》（第5版）美國 約瑟夫 E 波勒斯 著 童小東譯2004年
    [2] BS 8002《 Code of practice for Earth retaining wall》 1994 BSI GROUP
    [3]《大型船塢的結構設計和施工》荒谷俊司著 交通部水規院譯　1978.
    [4]《TECHNICAL STANDARDS AND COMMENTARIES FOR PORT AND HARBOR FACILITIES IN JAPAN》2002  THE OVERSEAS COASTAL AREA DEVELOPMENT INSTITUUE OF JAPAN.