組合鋼板樁入土深度的影響因素研究

宋麗花，宋黎明

(江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128)

1 水文地質條件及工況

新溝河舜河段區域河網正常水位取3.2m，控制低水位為2.5m，警戒水位為4.3m，新溝河堤防設計洪水位5.25m，墻后水位3.7m，本工程采用干法施工，所以計算時河底無水，折減后墻前后土高差為5m。各巖土層分別進行了分析統計，得到的各主要巖土層物理力學性質參數建議值詳見表1。工況和邊坡條件如圖1所示。

表1 土力學參數表

圖1 標準河道斷面圖

2 H+Hat組合鋼板樁型號的選擇

極限平衡法計算組合鋼板樁，因為此法簡單實用，計算結果偏于安全，是目前中小型設計院廣泛采用的鋼板樁設計理論。根據水文地質和工況，極限平衡法計算的組合鋼板樁入土深度為8m，需要組合鋼板樁的截面模量為4467.19cm3，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3。H+Hat組合鋼板樁的截面圖和三維圖如圖2所示。

圖2 組合型鋼板截面圖和三維圖

經過理正軟件計算，樁頂最大位移6.97cm，小于規范規定的0.02h=10cm(h為墻前墻后土高差，h=5m)的要求；最大沉降量一般發生在樁頂處。本工程很明顯沉降量應選用三角形法的計算結果，其值為9.3cm；組合鋼板樁整體穩定性驗算采用的計算方法是瑞典條分法，整體穩定安全系數Ks=3.02>1.2；抗傾覆安全系數Ks=1.276>=1.2；抗隆起驗算是根據Prandtl(普朗德爾)公式Ks=9.164>=1.1；抗管涌K=6.063>=1.5。由以上可知樁頂位移、沉降量、抗傾覆、整體、抗隆起和抗管涌穩定性均滿足要求。

表2 H+Hat組合型鋼板樁不同入土深度下整體、抗隆起、抗管涌穩定安全系數值

3 最佳入土深度的主要影響因素

3.1 整體穩定性、抗隆起、抗管涌穩定性對入土深度影響

經過計算入土深度為8m時的組合鋼板樁，樁頂位移和各種穩定性均滿足要求，但通過數據可以看出，H+Hat組合鋼板樁的整體穩定性、抗隆起、抗管涌穩定性遠大于安全值，所以先討論一下整體穩定性、抗隆起、抗管涌穩定性是否是影響入土深度的關鍵因素，然后再驗算和安全值比較接近的樁頂最大位移和抗傾覆穩定性是否是影響入土深度的因素。抗隆起、抗管涌穩定采用的計算公式分別為：

(1)

(2)

(3)

式中，φ—土的內摩擦角(°)。

抗管涌按下式計算：

1.5γ0h′γ0≤(h′+2D)γ′

(4)

式中，γ0—組合鋼板樁的側壁重要性系數；γ′—土的有效天然容重，kn/m3；γw—地下水的天然容重，kn/m3；h′—前后地下水位到組合鋼板樁入土點的高度，m；D—組合鋼板樁的入土深度，m。

為驗證無錨懸臂式H+Hat組合鋼板樁護岸結構的整體穩定性、抗隆起、抗管涌穩定性是否是影響入土深度的主要因素。本節將計算不同插入比條件下的懸臂式鋼板樁護岸結構，選取的插入比分別為0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8，對應的入土部分樁長為4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m、13m、14m。經過計算，整體穩定性、抗隆起穩定性、抗管涌穩定性在不同插入比情況下的安全系數計算結果見表2。

整體、抗隆起、抗管涌安全穩定性系數，如圖3所示。從圖中可以看出，整體、抗隆起、抗管涌穩定性三者變化規律基本都是隨著入土深度增大而增大。整體穩定性和入土深度呈線性關系，在最小入土深度4m時，它的安全系數是1.86，大于最小允許值1.5，說明整體穩定性在不同的入土深度情況下均滿足安全要求。抗管涌穩定性變化規律和整體穩定性相同，而且在最小入土深度4m時，它的安全系數值為3.5，大于最小安全值。抗隆起穩定性的變化規律雖然不是和入土深度呈線性關系，但是從圖3很明顯地可以看出，它的安全穩定性系數值遠大于最小安全值。以上可以說明在進行無錨懸臂組合鋼板樁設計時，整體、抗隆起、抗管涌穩定性并不是主要影響因素，在時間緊迫的情況下并不用進行驗算。

圖3 整體、抗隆起、抗管涌安全穩定性系數圖

3.2 樁頂位移、地表沉降量和抗傾覆穩定性對入土深度影響

整體、抗隆起、抗管涌穩定性并不是組合鋼板樁入土深度大小的主要影響因素，但入土深度為8m時，它的樁頂位和地表沉降量雖然滿足要求，但也較大，抗傾覆穩定性安全系數也僅大于最小允許值1.2，所以將重點研究樁頂位、地表沉降量和抗傾覆穩定性。還是采用上一節相同插入比和組合鋼板樁的尺寸規格。

組合鋼板樁抗傾覆驗算：

(5)

表3 H+Hat組合型鋼板樁不同入土深度下最大位移表

表4 H+Hat組合型鋼板樁不同入土深度下最小抗傾安全系數表

式中，Mp—被動土壓力的合力對組合鋼板樁的抗傾覆彎矩；Ma—主動土壓力的合力對組合鋼板樁的傾覆彎矩。

當插入比為0.8時，即入土深度為4m時，其樁頂位移和沉降量如圖4所示。

圖4 H+Hat組合型鋼板樁插入比為0.8時的樁頂位移和沉降量圖

由結構內力圖可以看出，H+Hat組合鋼板樁的最大位移發生在樁頂為24.84cm，遠大于規范規定的0.02h=10cm(h為墻前墻后土高差，h=5m)的要求，最大沉降量為37.3cm，遠大于規范規定，所以插入比為0.8時不滿足樁的最大位移和沉降量要求。不同插入比的樁頂位、地表沉降量和抗傾安全系數的計算結果見表3、4。

樁頂最大位移、沉降量和入土深度的關系如圖5所示。由圖5可以看出，插入比為0.8～1.0時(入土深度為4～5m)，樁頂位移由24.84cm減小到14.92cm，此時隨著入土深度增大，樁頂位移加快速度減小，但還是超出規范允許最大位移10cm，當插入比為1.4時(入土深度7m)，才小于規范要求的最大位移。當插入比達到1.6時，隨著入土深度的增加，樁頂最大位移基本保持在6.88cm附近，不會隨著入土深度增加而增加。此時最佳插入比為1.4～2.0。

插入比為0.8～1.4時(入土深度為4～7m)，沉降量由37.3cm減小到11.5cm，此時隨著入土深度增大，沉降量加快速度減小，但還是超出規范允許最大位移值，當插入比為1.6時(入土深度8m)，才小于安全要求的值。當插入比達到1.6時，隨著入土深度的增加，沉降量呈線性減小，減小的幅度很小，基本趨于穩定，所以此時最佳插入比>1.6即可。

抗傾安全系數和入土深度的關系如圖6所示。由圖5可以看出，隨著入土深度的增加，最小抗傾安全系數呈現線性增大。當插入比為0.8、1.0、1.2、1.4時，其最小抗傾安全系數<1.2，當插入比達到1.6時，最小抗傾安全系數才大于1.2，此時隨著入土深度增大，最小安全系數線性增加，其抗傾穩定性也越來越大，此時的最佳插入比是1.6～∞。

圖5 H+Hat組合型鋼板樁不同入土深度下最大位移和沉降量圖

圖6 H+Hat組合型鋼板樁不同入土深度下最小抗傾安全系數圖

3.3 最佳入土深度

通過以上研究，確定了六個影響因素里，樁頂位移、沉降量和抗傾覆穩定性是影響組合鋼板樁入土深度的主要因素，只要入土深度滿足這三者的安全值即可。

最佳插入比不是定值，隨著土層地質條件和外部荷載變化而變化，通過樁頂最大位移、沉降量和最小抗傾安全系數對比分析，滿足樁頂最大位移最佳插入比為1.4～2.0，滿足沉降量要求插入比>1.6即可，滿足H+Hat組合鋼板樁的最小抗傾安全系數最佳插入比是1.6～∞；取三者的交集1.6～2.0。所以對本工程，最佳入土深度為8～10m。

4 結論

通過上述分析表明：當鋼板樁的入土深度較小，H+Hat組合鋼板樁會發生傾覆，導致岸坡失穩，且樁頂最大位移和沉降量大于安全值；當H+Hat組合鋼板樁的入土深度以滿足最優插入比的要求，繼續增加入土深度，對于改善H+Hat組合鋼板樁護岸結構的變形與沉降量和岸坡的穩定性的效果不大。

對于無錨懸臂式H+Hat組合鋼板樁護岸結構，H+Hat組合鋼板樁的最優插入比為1.6～2.0。這對于工程實際有很好的指導意義。

由于地質條件復雜和施工工藝的不足，組合鋼板樁在施工工程中如何處理好打樁垂直度和控制鎖扣之間的銜接等問題有待進一步研究。

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