鋼板樁圍堰淺巖段預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的應(yīng)用

上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

0 引言

鋼板樁圍堰常用于港口碼頭、電廠取排水、造船廠等大型工程中。這些工程一般位于海陸結(jié)合區(qū)域，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，基巖面常常由陸域向海域延伸，并且高低起伏不一。尤其在近岸處基巖面埋藏較淺，而鋼板樁一般不易入巖，且入土深度淺，導(dǎo)致插入比過小，使鋼板樁圍堰在淺基巖區(qū)域成為一個薄弱環(huán)節(jié)。在圍堰基坑內(nèi)進行開挖時，被動土壓力減少，加之海域潮汐、波浪等周期性作用，都會影響到整個圍堰的安全。根據(jù)對鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件、潮汐風(fēng)浪的研究，借鑒了常用于邊坡、滑坡治理的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁[1-4]，對鋼板樁圍堰淺基巖段進行加固。

1 工程概況

本圍堰采用雙排鋼板樁，外形呈喇叭口狀，圍堰寬10 m，周長535.4 m。鋼板樁采用拉森WRU26型，外排鋼板樁頂標(biāo)高為+6.0 m，內(nèi)排+3.0 m，設(shè)計樁底標(biāo)高-22.5 m或至基巖。圍堰形成后在內(nèi)側(cè)施工水泥土攪拌樁，形成圍堰基坑的圍護體系，后續(xù)進行基坑開挖施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圍堰西側(cè)為岸邊，東向海域方向延伸約160 m。西側(cè)基巖區(qū)向東逐步過渡到海域，海域地貌為海涂灘地，灘地表面地形較為平坦，絕對高程在-0.5～-1.0 m。海域地層分布主要為①3層流泥、②層淤泥、③層黏土等，強度較低，其下為基巖。鋼板樁插入深度范圍內(nèi)土層主要為軟土性的淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土等。

本工程區(qū)域潮汐系東海潮波，每日2次漲落，屬正規(guī)半日潮流性質(zhì)。工程處設(shè)計潮位采用三門健跳潮位站實測資料統(tǒng)計值，20年一遇設(shè)計高潮位為4.79 m，20年一遇設(shè)計低潮位為-3.62 m。工程區(qū)前沿海域具有風(fēng)吹浪起、風(fēng)停浪息和隨季節(jié)變化的波浪特征。

2 工況條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報告及打樁記錄，圍堰南側(cè)基巖面比原設(shè)計抬高較多，整個南側(cè)區(qū)域外排鋼板樁樁底標(biāo)高在-5～ -10 m，內(nèi)排鋼板樁樁底標(biāo)高在-9～-13 m，較原設(shè)計的基巖底標(biāo)高抬高8 m左右。結(jié)合地質(zhì)資料，從內(nèi)、外排鋼板樁樁底標(biāo)高來看，圍堰南側(cè)部分的基巖面整體傾向基坑內(nèi)（圖1）。

圖1 圍堰南側(cè)鋼板樁樁底情況示意

結(jié)構(gòu)施工階段，在圍堰基坑內(nèi)，該處最大挖深將達(dá)到-7.2 m，而高潮位期間，最大潮位將達(dá)到+3.5 m以上，從圍堰整體分析，將圍堰主體模擬成重力壩，基底面向基坑內(nèi)傾斜，最大達(dá)29.3°，圍堰間土層主要為淤泥，下覆直接是基巖，圍堰的滑移可能性非常大。高潮位期間，圍堰內(nèi)外的高差為10.8 m，加上風(fēng)浪的影響，主動水土壓力較大，而圍堰內(nèi)側(cè)僅有寬不到4 m的深攪樁作為支護，坑底距鋼板樁根腳最小距離僅2.5 m，圍堰亦有整體傾覆的風(fēng)險。經(jīng)計算復(fù)核，一旦開挖至坑底，圍堰將有滑移及整體傾覆的危險，必須采取措施才能進行開挖。

受現(xiàn)場條件制約，圍堰寬度逾100 m，采取對撐的方式既不經(jīng)濟也不合理；整個基坑內(nèi)土層均為軟弱土，斜支撐也無固定支點，因此直接增加支撐的方式行不通；增加深攪樁加固的寬度可以提高被動區(qū)的土壓力，使圍堰基坑穩(wěn)定，但受永久結(jié)構(gòu)邊線限制，無法再增加深攪樁加固的寬度。

考慮到該處的基巖面較淺，可采用沖孔樁進行處理。增加沖孔樁后，一方面相當(dāng)于增加了抗滑樁，限制了鋼板樁根腳的滑移，同時利用沖孔樁自身的剛度，也可防止圍堰傾覆。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5,6]，一般抗滑樁需嵌入下部固定端1/3樁長左右，根據(jù)相關(guān)驗算，此處需嵌入基巖6 m以上，且樁身直徑及配筋率較大，費用較高，且對已完成的深攪樁擋墻將造成大范圍破壞。

綜合上述分析，利用原有深攪樁及圍堰自身的抗力，通過采取在圍堰內(nèi)側(cè)進行拉錨的措施可解決圍堰基坑開挖穩(wěn)定性問題，同時應(yīng)考慮圍堰整體在根腳處滑動的可能性。圍堰基巖淺區(qū)域的基巖地形外高內(nèi)低，正有利于設(shè)置錨索。錨索在施工時，對原圍堰的整體穩(wěn)定性影響很小，不會對圍堰芯土造成大范圍擾動。在圍堰根腳處設(shè)置抗滑樁，防止由于基巖面內(nèi)傾造成的滑移，從而確保圍堰的安全。

3 錨索抗滑樁設(shè)計方案

在內(nèi)側(cè)鋼板樁，水平間距1.3 m設(shè)置錨索，內(nèi)錨固端頭進入微風(fēng)化巖層6 m，另一端設(shè)置在鋼筋混凝土連系梁上。同時為了防止內(nèi)側(cè)鋼板樁根腳的滑動，在靠近內(nèi)側(cè)鋼板樁根腳的位置采用阿特拉斯鉆機引孔，設(shè)置抗滑短樁，采用φ108 mm鋼管，入巖1 m以上，然后設(shè)置高壓旋噴樁，使內(nèi)側(cè)鋼板樁與深攪樁擋土墻貼合緊密，保證受力的整體性。

根據(jù)實際基巖面，為了保證錨索可以從外側(cè)鋼板樁底穿過，錨索的傾角一般控制在40°～50°之間，盡管錨索的角度較大，水平分力損失較多，但增加了錨索的垂直分力，使鋼板樁根腳更加穩(wěn)定。

根據(jù)打樁時獲取的基巖面的埋深，主要驗算如圖2所示的2個剖面，分別為鋼板樁插入深度最淺的斷面和基巖面傾斜角度最大的斷面。

圖2 計算斷面示意

為簡化計算，視錨索與鋼板樁的錨固點固定不動，錨索的拉力為已知[7]。計算分2步進行，首先將雙排鋼板樁圍堰及內(nèi)部的芯土、拉桿圍檁系統(tǒng)作為一個整體進行驗算，即將圍堰主體模擬成重力壩，水土壓力根據(jù)土性采用水土合算；然后將雙排鋼板樁分開，以內(nèi)排鋼板樁及錨索抗滑樁作為支擋結(jié)構(gòu)進行計算。

首先視圍堰為一整體重力壩，依據(jù)浙江省《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》，以鋼板樁插入深度最淺斷面（1-1剖面）為例，建立如圖3所示的模型，根據(jù)驗算結(jié)果，該驗算圍堰的抗傾覆穩(wěn)定性和抗滑移穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

上述驗算將圍堰斷面作為一個整體考慮，為安全起見，將內(nèi)、外排鋼板樁分離，以內(nèi)排鋼板樁、錨索抗滑樁作為支護結(jié)構(gòu)，驗算圍堰的抗傾覆能力。取基巖面較淺的1-1剖面，根據(jù)規(guī)范要求，以新增錨索以下部分土壓力進行抗傾覆驗算，建立如圖4所示的計算模型，根據(jù)驗算結(jié)果，滿足安全要求。

圖3 剖面驗算模型一

圖4 剖面驗算模型二

4 錨索抗滑樁加固效果

選擇基巖面最淺的區(qū)域作為分析對象，該區(qū)域基坑開挖深度為-6.7 m，各施工階段具體為：2012年3月15日開始開挖，當(dāng)日挖至坑底；3月19日澆筑底板完成；3月28日澆筑上部結(jié)構(gòu)。

由基坑開挖過程中的錨索頂部位移數(shù)據(jù)可見（圖5），由于采用了錨索以及嵌巖樁鎖腳，擋土墻的位移變化很小，開挖至坑底時，最大變形為10 mm；開挖后結(jié)構(gòu)施工期間，擋土墻的變形基本保持穩(wěn)定，甚至略有減少。從最大位移10 mm計算錨索實際伸長量為7 mm，與前述假定視錨索與鋼板樁的錨固點固定不動較為一致。

圖5 錨索端頭水平位移

從測斜孔不同深度的變形情況來看（圖6），最大變形位置位于測斜孔頂部。在基巖層以上，擋土墻的位移隨深度增大而略有減小。參考地質(zhì)勘察報告上ZK59（距離測斜孔約20 m）的剖面圖，該鉆孔顯示在基巖層上均為軟弱土。由于測斜孔進入基巖后可認(rèn)為底端為固定點，因此整個擋土墻在基巖層以上為主要變形區(qū)，且其變形沿深度為近似線性變化[8,9]。

圖6 測斜孔監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

1）作為主要用于治理滑坡的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁，可在鋼板樁圍堰淺巖段使用，但需分析基巖的走向、傾向、層位等，如果基巖面較平緩或者順錨索方向，則錨索在施工時可能存在無法入巖的情況。

2）本文中在鋼板樁根腳處設(shè)置嵌巖鋼管防止根腳滑移，利用了鋼板樁作為抗滑樁的一部分，節(jié)約了成本，但在工程實踐中需經(jīng)充分驗算。

3）與大型滑坡相比，由于圍堰寬度較小，為簡化計算，假設(shè)錨索與鋼板樁的錨固點固定不動，且錨索的預(yù)應(yīng)力為已知，從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，與本工程實際情況較為一致。但為安全起見，對于大型滑坡等工程，宜按照變形協(xié)調(diào)計算結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力。