深水基坑单壁钢板桩围堰设计与施工
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摘要：本文分别就了钢板桩围堰的理论计算、钢板桩围堰的施工以及封底混凝土强度验算进行了探讨。
中图分类号：TV551.4文献标识码： A 文章编号：
一、钢板桩围堰的理论计算
围堰理论计算的关键在于参数的合理取值、土压力理论的选择和土压力的确定、以及围护结构内力及强度的计算。
由于深坑支护、围堰计算理论尚在不断研究、发展和完善中，虽然已有数种理论和计算模型可供选择，如图解法、等值梁法、分层开挖支撑力不变法、弹性地基梁法、有限元法等，但在工程运用中还很不成熟，另外，与水文地质条件、支护结构刚度和施工方法等有很大关系，要精确的计算是很困难的，也是不必要的。因此仅作些接近于工程实际的近似的假设，然后对结果做出一定程度的修正。
1、水土压力公式选择、参数确定及部门假定
目前，应用较普遍的土压力公式主要有库仑土压力公式和朗金土压力公式。库仑理论假设粘聚力c=0，考虑了围护墙体与土体之间的摩擦作用，并考虑了墙面的倾斜，但对于粘性土必须采用等代摩擦角，层状土需简化成匀质土才能计算；朗金土压力理论不论对砂性土、粘性土，匀质土或层状土均可适用，也适用于有地下水及渗流效应的情况。但缺点是没有考虑墙与土体之间的摩擦力，使得主动土压力偏大，被动土压力偏小，结果偏于安全保守。因此，选用朗金土压力公式计算，在采用等值梁法计算围护结构时，须将被动土压力加以提高修正。
朗金土压力公式表达式一般为：
根据实际情况及地质勘查报告，作如下假定：
1.1 按图纸提供的强度指标，以层状土实际土层厚度采用朗金理论计算主、被动土压力，粘性土计入粘聚力影响。但图纸提供的c值最大达63kpa，考虑到实际的粘聚力一般较小，只有5-20kpa，故c值仅取其1/3-2/3计算；
1.2仅第七层、第九层（粘土）按不透水层采用水土压力合算，其余土层采用水土压力分算法，并都不考虑渗流效应；
1.3 考虑墙前桩土摩擦力的存在,被动土压力系数Kp予以提高,根据Φ值不同,修正系数k如下表:
1.4 板桩及支撑强度采用等值梁法计算，按分层开挖支撑力不变法结合连续梁法确定强度和入土深度。
2、钢板桩及支撑材料
钢板桩采用德国larsson-Ⅳ型，宽度40cm，厚度17cm，长22m，重量75kg/m，截面模量W=2270cm³，斜撑采用20-36b槽钢组合截面压杆，尺寸根据实际应力确定。支撑位置的确定综合考虑了施工操作空间以及板状应力的合理分布，既非等间距也非等反力布置，是经过多次反复试算优化的结果。
3、各施工工况及内力计算
由于第一支撑与设计水位基本相平，实际施工中总是处在施工水位以上，故不作悬臂工况的计算，其余工况包括单撑状态、双撑、三撑及四撑状态，均按上一层支撑安装完成，并抽水（或挖泥）至待装支撑下50cm位置，计算各支撑可能出现的最大力和板桩在各阶段的最大内力，以此控制设计和验算。
各受力图式、内力计算均按单位宽度（1m）板桩连续梁计算，梁长按等值梁法确定，近似地从主动土压力与被动土压力相等的反弯点截面（净土压力零点或弯矩零点）截断形成等值梁计算支反力和板桩弯矩。按连续梁计算时相同支撑在各阶段支反力变化很大，而且用分层开挖支撑力不变法计算的结果与此出入也很大，如不考虑板桩和支撑的变形，连续梁法更能反映实际受力情况。故而我们选择各支撑可能受到的最大力控制设计，并适应考虑安全系数，将支撑力作为均布荷载、根据斜撑布置位置确定内环梁跨度计算其内力和变形。
当考虑变形影响时，以上方法都不能很好的反映实际。作为超静定结构的多支撑围堰，其墙体变形、支撑变形内缩对板桩内力和支撑反力影响是十分敏感的。尤其对受力很大的第二、三道受力减小，第四道安装时板桩和支撑都已发生内缩，其实际受力也将达不到计算值。所以，考虑变形因素十分重要，用弹性地基梁法或有限元法计算将更切合实际。但因其计算繁琐，补丁参数较多，参数的假定也将直接影响其准确性，故目前工程上应用极少。因此，我们仍然采用常用的等值梁计算，但必须考虑变形因素的影响，最终确定支撑力时对第一道予以提高甚至加倍，其余维持计算值或适当折减。
二、钢板桩围堰的施工
钢板桩使用前须进行锁扣通过检查和桩身缺陷、焊接检查，并分类、编号，堆放在驳船上，不合适的严禁使用。单块桩两侧锁口在插前均要涂以黄油或热的混合油膏，以减少插打时的摩阻力，并增加防渗性能。
1、插打与合拢
1.1 导梁安装：施打前必须先制作和安装导梁用以导向，内外导梁净距离比钢板桩墙厚度尺寸大8-10mm。导向梁应用较大规格的槽钢或其它型钢制作，必须具有一定竖向和侧向刚度，保证打桩时不变形，正确导向。
1.2 钢板桩插打：根据现场作业条件和地质资料，采用60t浮吊悬挂90kw振动锤（激振力50t）插打钢板桩，浮吊扒杆长度须达到33-36m。插打时，浮吊首先需要准确定位抛锚，每根桩尤其是第一根桩打入时加强定位和双向垂直度检查控制，必须保证位置准确，垂直下沉，插打顺序由上游分两头向下游合拢，可一次打到设计标高，随时检查桩身是否垂直，不符合要求时立即纠正或拔起重新施打。
1.3 支撑安装：用HPE型钢（400×400）作为水平环撑，斜撑用双槽钢组合截面，与环梁连接处四周满焊，建立围堰支撑系统。斜撑端部采取有效措施对焊缝加强，防止剪切破坏。围堰支撑随抽水和基坑开挖到相应深度后设置，严格控制分阶段开挖深度，每层支撑安装完成并检查合格后方可继续开挖。
2、基坑开挖
采用随撑随挖的方式抽水或开挖。抽水到河床面后,采用高压射水、吸泥的开挖工艺开挖河床土方,由中心向四周开挖,严禁超挖。在基底角部留置2一4个积水坑,坑深视基底渗水量决定,并用水泵昼夜排水,确保基坑内不积水。在开挖和整个施工过程中注意对桩墙的位移、沉降进行观测,遇异常情况立即停止开挖以及其它作业,通知坑内人员迅速撤离,并采取回灌、加撑等措施处理,加固后方可继续施工,以确保安全。
基坑开挖完毕,基底土质与设计相符,较为干燥,无流沙、涌水等现象。整平基坑内土后,浇筑10cm厚硷垫层。
3、支撑拆除及板桩拨除
在完成承台和桥墩施工后,安装墩旁托架、管桩等结构,然后拆除围堰。拆除时需进行换撑,具体做法是:抽干堰内积水,用料斗装沙回填到围堰桩墙与承台之间的空间内,填砂顶面距承台顶面40cm,整平后灌注C25混凝土至承台顶面 (注意留置试件 ),形成厚度为40cm的环梁支撑,洒水养护至设计强度后,拆除第四层支撑,然后继续向基坑内灌水,依次将支撑逐层拆除,将整个围堰内回灌完毕使内外水面一致,再用浮吊和展动锤以上游下游侧面的顺序逐个拨出钢板桩。
三、封底混凝土强度验算
封底混凝土在上浮力作用下的内力，可近似简化为简支单向板计算，封底混凝土抗拉强度：
ƒ =1/8 × Qι2/W=3ι2［rw(h+d)－rc×d］/4×2d。
其中，ƒ为封底混凝土抗弯曲强度；ι为基坑底小边尺寸；Q为
封底底面静水压力；W 为封底混凝土每1m 宽截面的抗弯模量；h
为封底顶面处水头；d为假定的封底混凝土最小厚度；rw为水的容
重；rc为混凝土的重度。
ƒ =3×13.22×［10×（8.6+2）-25×2］/4×4=1.83MPa。
C25混凝土抗拉强度为1.9MPa，故水下混凝土强度需不小于C25。
结束语
深基坑工程涉及岩土力学、结构力学、材料力学、工程地质和施工技术等专业知识，是一项很强的学科。由于影响基坑工程不确定因素很多，基坑工程又是一项风险性很大的工程，稍有不慎就会酿成巨大的工程事故。因此，确保基坑工程的安全是总体方案设计的目标，也是施工的目标。应结合当地工程的施工经验与技术能力进行具体分析，设计时确保满足规范与工程对支护结构的承载能力、稳定性与变形计算(演算)的要求；并对施工工艺、挖土、降水等各环节进行充分的研究和论证。
参考文献
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