雙排鋼板樁在河涌改移中的應用

鄧義釗，陳小丹，李 川，馬 勇，朱思軍

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術研究中心，廣東 廣州 510635)

鋼板樁因其強度高、隔水性能好、經濟環保又能靈活組成各種外形的優點，在圍堰施工中廣受應用[1]。而在陸地基坑支護中，作為一種柔性支護，單排懸臂式鋼板樁往往因剛度不足，支護的水平位移無法滿足設計要求，其優秀的防水性和在水中施工的便利也因在陸地而難以發揮，而能有效提高整體剛度的雙排鋼板樁結構，則需足夠的支護場地提供排距。當基坑具有足夠的施工空間時，設計人員一般也會采用放坡、土釘等更經濟的支護結構，這些因素都限制了鋼板樁的使用。

然而對于止水性能要求高或者臨江的基坑工程，鋼板樁支護則會提高施工質量，在減少工期和成本方面起到積極作用[2]。

本文以廣州某河涌改移工程基坑支護設計為例，用理正深基坑及Midas軟件對鋼板樁支護形式進行了比選和分析，可供類似基坑支護工程設計參考。

1 工程概況

廣州某涌因擬建一跨涌橋，需進行臨時改移。改移河道寬為35 m，基坑深度為2.3～4.5 m，與現狀河底基本順接，工程平面示意如圖1所示。

周邊環境為：基坑東北側靠近泵站，最近距離為5 m；西側為擬建跨涌橋，距擬建橋側墻處設計灌注樁樁位的最近距離為11.37 m。本工程東北側靠泵站段基坑安全等級定為1級，其余區段設計為2級基坑。

2 地質情況

根據鉆探揭露，本場地自上而下各巖土分層及其特征如下：

<1-1>主要為雜填土、素填土，局部為耕植土；顏色較雜，壓實狀態不均，稍濕～飽水，呈松散/軟塑，層厚為0.5～7.3 m，平均厚度為3.07 m。平均標貫擊數為6擊。

<2-1>淤泥層：深灰色、灰黑色，主要由黏粒及有機質組成，局部含較多粉砂及貝殼碎片，飽和，呈流塑狀。厚度為0.50～1.60 m，平均厚度為1.04 m。

<3-2>中粗砂層：呈褐黃、灰白、灰褐色，飽和，稍密～中密，局部呈松散狀。顆粒成分以石英、長石為主。厚度為0.80～13.40 m，平均厚度為3.95 m。平均標貫擊數為15.20擊。

<3-3>礫砂層：呈黃色、灰黃、灰褐色，飽和，稍密～密實，分選性差，級配良好，顆粒成份主要為石英。厚度為0.90～12.30 m，平均厚度4.22 m。平均標貫擊數為23.80擊。

4) 巖石微風化帶(C1ds)

<9C-2>灰巖微風化帶：灰黑色、灰白色、灰色，隱晶質結構，中厚層狀構造，屬較硬巖～堅硬巖，節理裂隙發育，巖體較完整。厚度為0.20～33.30 m，平均厚度11.45 m。

根據地勘報告，巖土計算參數如表1所示，基坑地質剖面示意如圖2所示。

3 設計方案

3.1 本基坑工程的特點

1) 基坑開挖深度為2.3～4.5 m，根據鉆孔揭露，基坑深度范圍為土體均為雜填土和淤泥，土方開挖過程中容易引起基坑周圍地面變形。

2) 基坑東北側靠近泵站，該區段基坑對變形限制較高。

3.2 方案分析

本工程基坑兩側相距35 m，不宜采用內支撐，單獨使用懸臂式鋼板樁位移過大，若使用單排鋼板樁+預應力錨索的形式，為避免損傷泵站基礎，錨索需平行于泵站外墻布置(如圖3所示)，錨索與豎向和水平向均有一夾角，施工困難，且需在計算基礎上增長，經理正深基坑軟件計算，錨索長度達24.6 m，較為浪費，因而本工程不適宜使用錨索。加之場地受限，本工程也不適宜放坡。

綜上考慮，本基坑的支護形式最終采用雙排鋼板樁，鋼板樁長為12 m，前排樁和后排樁采用Φ30@1 200 mm鋼拉桿連接，拉桿兩端使用槽鋼固定。雙排鋼板樁支護的大樣和剖面示意如圖4～5所示。

本項目使用拉森Ⅳ型鋼板樁，其基本參數如下(每延米)：A=236 cm2；Ix=39 600 cm4；Wx=2 200 cm3；E=2.06×105MPa；v=0.17；γ=78.5 kN/m3。

4 分析計算

4.1 雙排鋼板樁支護計算

本項目使用理正深基坑7.0PB4和彈塑性商用三維有限元軟件Midas GTS NX，對雙排鋼板樁支護的應力和變形進行計算，剛度折減系數取0.85。

由于拉森Ⅳ型鋼板樁幾何截面較復雜，本文在Midas建模時將其等效為每延米慣性矩相等的矩形截面[3]，截面寬度h計算如下：

(1)

理正深基坑軟件的計算工況見表2～3，包括使用8 m、10 m、12 m、14 m、16 m單排懸臂式鋼板樁時支護的最大水平位移，以及將樁長12 m，排距分別為2 m、3 m、4 m、6 m時的雙排鋼板樁等效計算。本文理正深基坑的雙排鋼板樁計算使用兩種方法，第1種方法是用雙排樁模塊，將鋼板樁等效為每延米剛度相等的C30矩形地下連續墻，其中C30混凝土彈性模量：E=3.0×107KPa；鋼板樁彈性模量取E=2.06×108KPa，根據剛度等效原則，前后排鋼板樁均簡化成寬度為31.95 cm的地連墻。第2種方法是把前后排樁和樁間土一起等效為總剛度相等的水泥土擋墻，該工況因不考慮拉桿，計算時不進行剛度折減。水泥土擋墻彈模取80 Mpa，其總剛度按下式計算[4]：

(2)

式中EI為水泥土擋墻等效剛度，kN/m2；E1I1為鋼板樁每延米剛度，kN/m2；E2為樁間土彈性模量，kN/m2；h為雙排鋼板樁排距，m。

Midas GTS NX建模時，淤泥質土的本構模型選用修正摩爾庫倫，其余土層本構模型選用摩爾庫倫，模型概況見圖6～7，計算樁長為12 m，排距分別為2 m、3 m、4 m和6 m的拉桿連接雙排鋼板樁支護結構水平位移，計算結果見表4。

4.2 計算結果分析

單排鋼板樁在增加樁長時的支護最大水平位移計算結果見圖8，從圖8中可知：僅增大鋼板樁的嵌固深度并不能有效減少支護位移，這是鋼板樁屬柔性支護，自身剛度較低的緣故。相比于單排鋼板樁，雙排鋼板樁結構能有效地提升整體剛度，改善支護的受力情況。

理正與Midas軟件的雙排鋼板樁計算結果對比見圖9。

從圖9可知理正雙排混凝土地連墻工況會出現支護位移隨排距的增大而增大的情況，這與雙排鋼板樁的工程實際不符。模型中使用混凝土拉桿，本項目使用鋼拉桿，由于拉桿和前后排樁為鉸接，拉桿起傳遞拉力的作用，不能傳遞彎矩，計算時如參照混凝土雙排樁的計算方法簡化為門式剛架，則會與實際產生差異[5]。

在理正實心水泥土墻工況中，由于沒有考慮拉桿對支護的剛度增益以及前后排樁對樁間土力學特性的改善作用，使得計算位移值偏大。

在Midas模擬的拉桿連接雙排鋼板樁工況中，可看出當排距較小時，拉桿連接雙排鋼板樁體系的剛度提高是有限的。當排距從較小值開始增大，支護的最大水平位移隨之減小，而當排距較大時，支護最大水平位移趨近于某一定值。說明雙排鋼板樁排距過大時，排距的增加對支護水平位移的約束效果影響較小，容易造成場地和經濟上的浪費。因此，為了更好地發揮雙排鋼板樁的效益，設計適宜排距是有必要的。我國《干船塢設計規范》(CB/T 8524—2011)第6.6.1.5條[6]中建議，雙排鋼板樁圍堰的高寬比為0.9～1.2，本項目基坑雙排鋼板樁支護區段深為4.2 m，換算后的排距為3.5～4.6 m，Midas計算的支護水平位移在此排距區間內基本穩定，說明通過規范中雙排鋼板樁圍堰的高寬比，對確定雙排鋼板樁基坑支護的適宜排距是有一定參考價值的。

5 結語

本河涌改移項目對支護的止水性要求高，又因場地限制而不宜使用內支撐、錨桿和放坡等支護形式，然而施工場地較為充裕，可提供一定的排距空間，且不屬于深基坑，為雙排鋼板樁支護的應用創造了條件。

本文使用理正深基坑和Midas GTS NX兩個軟件進行計算，反映了雙排鋼板樁結構具有能有效提升自身剛度，彌補鋼板樁作為柔性結構而剛度不足的優點。不同排距下的支護水平位移計算，反映了鋼板樁的排距對雙排鋼板樁支護的整體剛度增益影響較大。本文Midas軟件計算適宜排距區間與我國《干船塢設計規范》的建議相似，可給類似工程提供參考。