鋼板樁圍堰原理解析以及破壞原理分析

摘要：本文通過對連云港某鐵路墩身承臺鋼板樁圍堰破壞的分析，介紹鋼板樁圍堰工作原理以及土體破壞的過程。

關(guān)鍵詞：鋼板樁;圍堰;樁土互相作用;土體破壞機(jī)理

1、鋼板樁原理簡介

鋼板樁是指在工廠進(jìn)行熱軋等處理后加工成兩端有鎖口形狀的構(gòu)件，常用的鋼板樁截面形式有 U 型和帽型，其他還有組合型和直線型板式等。

作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種類型，它具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、隔水性好、使用壽命長、安全性高、對空間要求低、環(huán)保效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，還具有救災(zāi)搶險的功能，再加上施工簡單、工期短、可重復(fù)使用、建設(shè)費(fèi)用低，因此鋼板樁的用途相當(dāng)廣泛。

在橋梁建設(shè)當(dāng)中，鋼板樁較多的應(yīng)用于下部結(jié)構(gòu)的承臺、墩身施工的圍堰中。

現(xiàn)行的基坑及邊坡規(guī)范是基于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論的。極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，承載能力極限狀態(tài)便是整個或部分鋼板樁圍堰達(dá)到最大承載力后出現(xiàn)破壞的狀態(tài)，正常使用極限狀態(tài)表示其性能超出規(guī)定限值。作為輔助主體結(jié)構(gòu)施工的臨時性結(jié)構(gòu)，鋼板樁圍堰較多的以承載能力極限狀態(tài)作為控制，但是如果有特殊的要求，應(yīng)以正常使用極限狀態(tài)作為驗(yàn)算。

鋼板樁擋土墻包括懸臂式鋼板樁擋墻和支撐式鋼板樁擋墻。在開挖深度在4m以下，一般采用懸臂式鋼板樁;在開挖深度超過4m，一般多采用支撐式。懸臂式鋼板樁多由變形控制，支撐式鋼板樁較多與支撐剛度相關(guān)。

鋼板樁擋墻承受擋墻之后的主動土壓力，擋墻內(nèi)嵌固部分以被動土壓力以及內(nèi)撐部分平衡主動土壓力及不平衡彎矩。在嵌固部分樁土相互作用較為復(fù)雜，采用現(xiàn)有的基本理論手算較為困難，現(xiàn)在較多使用理正等軟件計(jì)算，得出位移、內(nèi)力、穩(wěn)定計(jì)算。

作用在擋墻上的荷載，除開土體自身的荷載。因?yàn)殇摪鍢秶吒浇€有施工機(jī)械運(yùn)作或者其他情況，因此要考慮這一超載值。

2、工程實(shí)例簡介

為了對上述部分有較為直觀的了解，用以下實(shí)例來予以說明。

位于連云港的某鐵路工程，其中某個特大橋?yàn)檫B續(xù)梁與簡支梁橋組合，其中一個承臺的尺寸為7.45×12.5m，下部有8φ1.5m的樁，采用鋼板樁圍堰施工，樁基施工完成后，開挖進(jìn)行承臺施工。墩位處于河床上，墩靠近河堤。地層組成：淤泥、黏土、砂、黏土、片麻巖等。地面標(biāo)高+3.25m，地下水位+1.83。為滿足施工需要，平行橋梁做一個施工便道，原有地面的淤泥難以滿足承載力要求，因此采用建筑垃圾來填筑，建筑垃圾考慮重度為，粘聚力不考慮，內(nèi)摩擦角為12度。首先插打鋼板樁，排水到基坑底標(biāo)高以下，往下開挖1.5m，在1m處安裝內(nèi)支撐;繼續(xù)開挖至基坑底標(biāo)高，澆筑0.5m砼墊層，最后承臺施工。相應(yīng)的地質(zhì)資料見下表

厚度（m）

土層名稱

地基承載力（Kpa）

容重（KN/m3）

粘聚力（Kpa）

內(nèi)摩擦角（度）

9.6

淤泥

40

16.7

6.4

5.3

5.5

黏土

160

18

13.3

8.9

3.9

中砂

250

17

0

28

6.1

黏土

200

19.7

27

12.6

鋼板樁采用拉森Ⅳ型，截面抵抗矩Wb=2200cm³，單位重量75kg/m。

具體布置如下圖

采用理正建模計(jì)算，考慮鋼板樁圍堰旁邊是施工便道，參考公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范，超載采用。設(shè)計(jì)結(jié)果采用鋼板樁長度15m，內(nèi)撐采用雙HN450×200型鋼

在現(xiàn)場施工中，施工隊(duì)伍擅自將內(nèi)撐對撐取消，在施工工程中，便道地面沉降開裂，鋼板樁圍堰內(nèi)撐扭曲變形，鋼板樁變形。現(xiàn)場照片如下

右下角為具體內(nèi)撐扭曲情形

針對以上的狀況做分析如下：

首先，對于本設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的目的在于：1、保證便道的正常使用，根據(jù)路基設(shè)計(jì)手冊，路基設(shè)計(jì)應(yīng)使路基土在荷載作用下盡可能產(chǎn)生彈性變形，這樣才能在車輪駛過以后回復(fù)原狀，保證路基相對的不變形，原設(shè)計(jì)控制了開挖方的水平位移，保證地面填土淤泥能逐步固結(jié)，在達(dá)到一定平衡，形成比較穩(wěn)定的路基;2、保證承臺、墩身的施工，確保施工的空間，保證在施工的過程的安全，保證基坑的穩(wěn)定。

而在施工單位取消內(nèi)撐的對撐之后，直接打破這一平衡，單純論內(nèi)撐提供的支撐的剛度是足以滿足鋼板樁的位移，關(guān)鍵在于在對撐取消后，圍檁結(jié)構(gòu)彎矩增大，自由長度增加，圍檁部分出現(xiàn)了壓彎失穩(wěn)破壞，在內(nèi)撐失效之后，鋼板樁就變成懸臂結(jié)構(gòu)。具體的變化如下圖

即土體受到的豎向的車輪輪壓作為主應(yīng)力保持不變，而在鋼板樁內(nèi)撐失穩(wěn)的全過程水平向的主應(yīng)力則逐步減小，而當(dāng)小到一定程度時即處于破壞的臨界值，在小于這一臨界值的時候，土體即破壞。

理正采用彈性法計(jì)算鋼板樁結(jié)構(gòu)，結(jié)果如下

土壓力

（kN/m）

位移

（mm）

彎矩

（kN.m）

剪力

（kN）

工況1

開挖1.5m

內(nèi)側(cè)

-51.87

-23.41

-4.81

-34.16

外側(cè)

29.67

0

64.84

17.3

工況2

加撐1m

內(nèi)側(cè)

-51.87

-23.41

-4.81

-34.16

外側(cè)

29.67

0

64.84

17.3

工況3

開挖3.96m

內(nèi)側(cè)

-54.98

-24.16

-126.16

-63.06

外側(cè)

60.39

0

55.53

95.55

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，圍檁周圍會受的荷載

對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和實(shí)際采用的內(nèi)撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如下

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果如下

實(shí)際采用的結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力，而實(shí)際采用結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力，遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容許值，因此施工過程中內(nèi)撐出現(xiàn)如上圖所示的典型壓彎破壞的形式。

在根據(jù)以上數(shù)據(jù)猜測鋼板樁圍堰破壞過程是，在鋼板樁插打之后，在基坑開挖，安裝內(nèi)撐之后，再繼續(xù)開挖，便道在通過軸重較重的車輛時，內(nèi)撐承受了較大的荷載，內(nèi)撐出現(xiàn)壓彎破壞。進(jìn)而鋼板樁圍堰以懸臂式受力，懸臂式的內(nèi)力變形如下，很顯然鋼板樁位移已經(jīng)超出土體彈性以至于彈塑性變化的極限值，鋼板樁也出現(xiàn)破壞。

土壓力

（kN/m）

位移

（mm）

彎矩

（kN.m）

剪力

（kN）

工況1

開挖3.96m

內(nèi)側(cè)

-104.38

-209.35

0

-148.8

外側(cè)

60.39

0

443.39

120.63

在經(jīng)過以上分析之后，針對既有的圍堰的破壞的情況，提出回填土體，拔出破壞的結(jié)構(gòu)，再重新插打鋼板樁安裝原設(shè)計(jì)內(nèi)撐的方案。事后經(jīng)過這一方案的處理，鋼板樁圍堰順利施工，原承臺、墩身施工得以順利建設(shè)。新鋼板樁圍堰照片如下

3、結(jié)語

通過對以上實(shí)例的分析可以得到：

鋼板樁圍堰這一結(jié)構(gòu)是較為復(fù)雜的樁土相互作用體系，簡單的計(jì)算是難以滿足實(shí)際需求的，能夠引入軟件計(jì)算是比較適當(dāng)?shù)摹?/p>

通過對包括上述承臺、墩身鋼板樁的計(jì)算可得，超載取值是比較合理的，即使在有較大軸重的車輛經(jīng)過的地方也是滿足的。

參考文獻(xiàn)：

[1]鋼板樁施工指南手冊

[2]公路路基設(shè)計(jì)手冊 第二版

[3]GB/T 20933-2007 熱軋U型鋼板樁

[4]JTG D60-2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范

[5]高等土力學(xué) 李廣信