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。

關鍵詞：鋼板樁;圍堰;樁土互相作用;土體破壞機理

1、鋼板樁原理簡介

鋼板樁是指在工廠進行熱軋等處理后加工成兩端有鎖口形狀的構件，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。

作為支護結構的一種類型，它具有高強、輕質、隔水性好、使用壽命長、安全性高、對空間要求低、環保效果顯著等優點，還具有救災搶險的功能，再加上施工簡單、工期短、可重復使用、建設費用低，因此鋼板樁的用途相當廣泛。

在橋梁建設當中，鋼板樁較多的應用于下部結構的承臺、墩身施工的圍堰中。

現行的基坑及邊坡規范是基于極限狀態設計理論的。極限狀態分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態，承載能力極限狀態便是整個或部分鋼板樁圍堰達到最大承載力后出現破壞的狀態，正常使用極限狀態表示其性能超出規定限值。作為輔助主體結構施工的臨時性結構，鋼板樁圍堰較多的以承載能力極限狀態作為控制，但是如果有特殊的要求，應以正常使用極限狀態作為驗算。

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。

鋼板樁擋墻承受擋墻之后的主動土壓力，擋墻內嵌固部分以被動土壓力以及內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雜，采用現有的基本理論手算較為困難，現在較多使用理正等軟件計算，得出位移、內力、穩定計算。

作用在擋墻上的荷載，除開土體自身的荷載。因為鋼板樁圍堰附近還有施工機械運作或者其他情況，因此要考慮這一超載值。

2、工程實例簡介

為了對上述部分有較為直觀的了解，用以下實例來予以說明。

位于連云港的某鐵路工程，其中某個特大橋為連續梁與簡支梁橋組合，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，內摩擦角為12度。首先插打鋼板樁，排水到基坑底標高以下，往下開挖1.5m，在1m處安裝內支撐;繼續開挖至基坑底標高，澆筑0.5m砼墊層，最后承臺施工。相應的地質資料見下表

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

采用理正建模計算，考慮鋼板樁圍堰旁邊是施工便道，參考公路橋涵設計通用規范，超載采用。設計結果采用鋼板樁長度15m，內撐采用雙HN450×200型鋼

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

右下角為具體內撐扭曲情形

針對以上的狀況做分析如下：

首先，對于本設計，設計的目的在于：1、保證便道的正常使用，根據路基設計手冊，路基設計應使路基土在荷載作用下盡可能產生彈性變形，這樣才能在車輪駛過以后回復原狀，保證路基相對的不變形，原設計控制了開挖方的水平位移，保證地面填土淤泥能逐步固結，在達到一定平衡，形成比較穩定的路基;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，保證基坑的穩定。

而在施工單位取消內撐的對撐之后，直接打破這一平衡，單純論內撐提供的支撐的剛度是足以滿足鋼板樁的位移，關鍵在于在對撐取消后，圍檁結構彎矩增大，自由長度增加，圍檁部分出現了壓彎失穩破壞，在內撐失效之后，鋼板樁就變成懸臂結構。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力保持不變，而在鋼板樁內撐失穩的全過程水平向的主應力則逐步減小，而當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。

理正采用彈性法計算鋼板樁結構，結果如下

土壓力

（kN/m）

位移

（mm）

彎矩

（kN.m）

剪力

（kN）

工況1

開挖1.5m

內側

-51.87

-23.41

-4.81

-34.16

外側

29.67

0

64.84

17.3

工況2

加撐1m

內側

-51.87

-23.41

-4.81

-34.16

外側

29.67

0

64.84

17.3

工況3

開挖3.96m

內側

-54.98

-24.16

-126.16

-63.06

外側

60.39

0

55.53

95.55

根據計算結果，圍檁周圍會受的荷載

對設計結構和實際采用的內撐結構進行分析，結果如下

設計結構分析計算結果如下

實際采用的結構

根據以上模擬計算，設計結構的最大組合應力，而實際采用結構最大組合應力，遠大于鋼結構設計容許值，因此施工過程中內撐出現如上圖所示的典型壓彎破壞的形式。

在根據以上數據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，安裝內撐之后，再繼續開挖，便道在通過軸重較重的車輛時，內撐承受了較大的荷載，內撐出現壓彎破壞。進而鋼板樁圍堰以懸臂式受力，懸臂式的內力變形如下，很顯然鋼板樁位移已經超出土體彈性以至于彈塑性變化的極限值，鋼板樁也出現破壞。

土壓力

（kN/m）

位移

（mm）

彎矩

（kN.m）

剪力

（kN）

工況1

開挖3.96m

內側

-104.38

-209.35

0

-148.8

外側

60.39

0

443.39

120.63

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

3、結語

通過對以上實例的分析可以得到：

鋼板樁圍堰這一結構是較為復雜的樁土相互作用體系，簡單的計算是難以滿足實際需求的，能夠引入軟件計算是比較適當的。

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

參考文獻：

[1]鋼板樁施工指南手冊

[2]公路路基設計手冊 第二版

[3]GB/T 20933-2007 熱軋U型鋼板樁

[4]JTG D60-2004 公路橋涵設計通用規范

[5]高等土力學 李廣信