從設(shè)計(jì)、施工淺談鋼板樁在支護(hù)工程中的應(yīng)用

       劉亮亮

         (江蘇順達(dá)工程科技有限公司)    2013年

摘要：隨著鋼板樁在建筑、市政、鐵路、港口、碼頭等基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣,本文作者結(jié)合工程實(shí)例從設(shè)計(jì)、施工角度闡述了其對(duì)鋼板樁在支護(hù)工程中應(yīng)用的一些體會(huì)、心得。

鋼板樁是一種帶鎖口的型鋼板樁，可以利用振動(dòng)錘或植樁機(jī)將其壓入地下構(gòu)成連續(xù)的板墻，作為基坑施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)。鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)通常由鋼板樁和必要的支撐或拉錨體系組成,以抵抗外側(cè)荷載。因鋼板樁結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)、城市建設(shè)的快速發(fā)展下，鋼板樁在基礎(chǔ)工程支護(hù)施工中也得到了廣泛應(yīng)用。

本文結(jié)合我公司近年來(lái)鋼板樁支護(hù)工程實(shí)例，從設(shè)計(jì)、施工角度對(duì)鋼板樁在支護(hù)工程中的應(yīng)用談一些體會(huì)、心得。 

2 鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、鋼板樁型號(hào)及內(nèi)支撐材料的選擇、施工工藝的確定等。

2.1鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算

2.1.1計(jì)算荷載的選取

岸上鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載主要為土壓力，水壓力、基坑外側(cè)施工車輛作用及材料、機(jī)具堆放引起的附加力;水中鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載主要為土壓力、水壓力、水流力、波浪力。對(duì)于任何結(jié)構(gòu)計(jì)算而言,荷載的選取極其重要，過(guò)于保守的取值會(huì)造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、材料浪費(fèi)以致增加施工成本;然而荷載取值考慮不周全又會(huì)造成結(jié)構(gòu)不安全，因此合理的荷載取值是支護(hù)結(jié)構(gòu)安全、合理進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的前提。

(1)土壓力、水壓力  

基坑工程中,要準(zhǔn)確模擬、計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際所受土壓力、水壓力極其復(fù)雜,目前針對(duì)這方面的研究成果也比較多，但是絕大多數(shù)并沒有得到廣泛的應(yīng)用。支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中所受的實(shí)際土壓力、水壓力受諸多因素的影響，計(jì)算時(shí)通常參考現(xiàn)有研究理論及根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行調(diào)整。土體力學(xué)特征值的取值可以參考施工場(chǎng)地地質(zhì)報(bào)告(建筑工程在施工前均會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的、針對(duì)性的地質(zhì)勘探并提供設(shè)計(jì)方、施工方詳細(xì)的分析報(bào)告，而在一些鐵路、公路工程中,由于工程線路較長(zhǎng),待施工的基坑位置并不一定有地質(zhì)勘查點(diǎn)，對(duì)于較大型基坑建議施工前對(duì)這些位置進(jìn)行補(bǔ)勘)。目前土壓力的計(jì)算主要采用庫(kù)侖土壓力法和朗肯土壓力法，水壓力的計(jì)算直接采用靜水壓力公式。在分析采用水土分算還是合算時(shí)，目前一般籠統(tǒng)概括為粘土和粉土采用水土合算,砂土、卵石層采用水土分算。這種計(jì)算方法在許多工程實(shí)例中也被證實(shí)是合適的，筆者認(rèn)為在不存在滲流的情況下粘土和粉土采用水土合算是合適的，但是在存在滲流的情況下，這種計(jì)算方法并不能真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際情況。滲流會(huì)對(duì)土體強(qiáng)度、土體自重應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響，所以在分析采用水土分算還是合算時(shí),應(yīng)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工序情況，對(duì)施工中可能存在滲流現(xiàn)象的不管是何種土層，均應(yīng)采用水土分算法。

(2)水流力、波浪力

水中鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)除了受到靜水壓力外，一些環(huán)境下的結(jié)構(gòu)還會(huì)受到水流力、波浪力的作用。

在沒有潮汛作用的情況下，對(duì)于最大流速小于2m/s的支護(hù)結(jié)構(gòu)，筆者認(rèn)為水流力對(duì)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響不大，甚至可以在計(jì)算時(shí)不予考慮。但是對(duì)于受到潮汛作用的支護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)取一般施工水位、最高水位及最低水位(最高、最低峰值水位根據(jù)基坑施工、使用周期、安全性要求考慮取 25 年一遇、50年一遇進(jìn)行取值)分別進(jìn)行計(jì)算,并根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際受水流力作用的位置進(jìn)行整個(gè)基坑的穩(wěn)定性驗(yàn)算。

對(duì)于需要計(jì)算波浪力的支護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期可取25年一遇。由于波峰作用時(shí)，鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受到波壓力作用;而波谷作用時(shí),鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受到波吸力的作用。計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)可能出現(xiàn)的不同工況按最不利組合進(jìn)行計(jì)算。

水流力、波浪力的計(jì)算方法可以根據(jù)各行業(yè)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中的計(jì)算公式進(jìn)行。

(3)基坑外側(cè)的附加力 

基坑外側(cè)的附加力主要指岸上基坑施工中外側(cè)施工車輛及材料、機(jī)具堆放引起的,有些作用荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算影響較大，所以在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)擬施工情況進(jìn)行考慮并且在施工過(guò)程中對(duì)基坑外施工車輛的站位、行車位置及機(jī)具材料的堆放位置進(jìn)行限制,不允許出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)考慮荷載的情況。

         2.1.2鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算

鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法很多，主要包括經(jīng)典計(jì)算法(如靜力平衡法、等值梁法),彈性地基梁法。靜力平衡法、等值梁法均不考慮墻體及支撐變形，將用經(jīng)典的土壓力理論計(jì)算的土壓力作為外力施加在鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)上，然后通過(guò)求解水平方向合力及支撐點(diǎn)彎矩為零的方程求得結(jié)構(gòu)內(nèi)力和支撐反力,再將支撐反力加載到內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)上。彈性地基梁法則是基于支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體的變形協(xié)調(diào)一致的實(shí)際情況，將支護(hù)結(jié)構(gòu)作為支撐在一系列彈性支座上的梁來(lái)求解支護(hù)樁的變形與支撐反力，然后求解最大彎矩及其位置，再將支撐反力加載到內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)上。以上不管何種計(jì)算方法均是假設(shè)取單元寬度鋼板樁結(jié)構(gòu)作為梁?jiǎn)卧谇蟮昧簡(jiǎn)卧陨淼膬?nèi)力和反力后，再將反力加載到內(nèi)支撐系統(tǒng)上去。

目前這兩種計(jì)算方法運(yùn)用均較普遍，但是通過(guò)計(jì)算我們也可知兩種方法計(jì)算結(jié)果差距較大，因此在面對(duì)設(shè)計(jì)工程時(shí)采用何種計(jì)算方法是設(shè)計(jì)人員的疑慮。筆者認(rèn)為針對(duì)懸臂式鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)、單支撐鋼板樁結(jié)構(gòu)可以采用經(jīng)典法計(jì)算;采用“邊開挖邊支撐”法施工的多支撐式鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)可以采用彈性地基梁法計(jì)算。

當(dāng)然目前市面上，還有不少關(guān)于基坑支撐設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件，針對(duì)上述三種鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)均可以進(jìn)行模擬計(jì)算。但是遇到一些特殊施工工藝的支護(hù)結(jié)構(gòu),上述兩種計(jì)算方法在計(jì)算中均存在較大缺陷。例如我公司多次在水中鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工采用的“先形成支撐后挖土”“水下吸泥后澆筑封底混凝土”、“施工中多次抽水、注水”的工藝，在采用上述兩種計(jì)算方法時(shí)均不能較好的模擬實(shí)際施工工況，根據(jù)我公司對(duì)采用上述工藝施工的鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形監(jiān)控反應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果跟計(jì)算結(jié)構(gòu)相差較大經(jīng)過(guò)不斷分析、總結(jié)及實(shí)際工程的檢驗(yàn)，我們認(rèn)為采用有限元軟件對(duì)整個(gè)鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，根據(jù)施工工序進(jìn)行施工階段的模擬更能反映實(shí)際的施工工況。