单壁钢板桩围堰设计与施工技术浅析

1.工程概况

盐城响水港公用重件码头工程桅杆吊后臂墩台结构尺寸：23＊30＊3.5（5.5）m，设计底标高+0.90（-1.10）m，设计顶标高+4.40m。为便于墩台施工，采用钢板桩围堰作为挡水和基坑支护结构，钢围堰平面尺寸26.4＊33.6m，围堰设计基坑底标高-1.23（-3.23）m，围堰设计顶标高+4.30m。

1.1 水文条件

灌河口附近海域受黄海潮波系统控制，属非正规半日潮。根据灌河口燕尾港潮位站的资料统计：

最大潮差：5.39m

设计高水位：+3.00m

设计低水位：-2.02m

设计流速：V=2.6m/S

1.2 地质条件

码头场地隶属灌河河床～漫滩相地貌单元，水域区岸坡呈阶梯状缓倾，地质土层参数如表1所示。

1.3 结构布置形式

钢板桩采用SP-IVW型钢板桩，板桩长18 m，围堰平面尺寸：26.4＊33.6 m，围堰设计顶标高+4.30 m，板桩入土深度11～13m，封底为1.30m厚C30混凝土，泥面以上部位钢围堰不设置纵横支撑。

表1 地质土层参数表

2.钢围堰主要计算参数

2.1 地质计算参数

《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）4.1.6条规定，土的水平反力系数的比例系数m可按公式计算，其中 Vb为挡土构件在坑底处的水平位移量，当水平位移不大于10mm时，可取10mm。

图1 钢围堰断面图

2.2 材料计算参数

钢板桩所用钢材为SY295钢，封底混凝土采用C30混凝土，主要材料的设计强度及弹性模量取值如表2。

2.3 荷载及工况

2.3.1 荷载分析

（1）结构自重。结构自重由有限元软件自行计入。

（2）水（土）压力。对应工况下的水土压力按《建筑基坑支护技术规程》进行计算。计算中各土层均采用水土分算。土压力系数②2 淤泥质黏土主动土压力系数 Ka=0.894，被动土压力系数 Kp=1.118.

（3）静水压力。静水压力按各工况水头差，根据公式p=γwh进行计算取值

查的Cw=1.48故迎水面水流对1m宽钢板桩的水流力为：

图2 CS1钢板桩受力示意图

2.3.2 工况分析

根据施工工序流程，对整个施工过程进行分析，以下选取1m钢板桩进行受力分析，水平荷载主要考虑内外水土压力、水流力作用，浇筑封底混凝土时额外考虑封底混凝土的侧压力。

CS1：带水开挖至基坑底工况。

设计高水位（+3.00m）条件下对围堰内岸侧淤泥质黏土进行开挖，开挖过程中须保持基坑内外水位平衡。

CS2：浇筑封底混凝土工况。

基坑开挖/抛填至设计标高后，设计低水位（-2.02m）情况下浇筑1.3m封底混凝土。

CS3：抽水至墩台底工况。

封底混凝土达到设计强度后，抽水至墩台底（-1.10m）。

各工况考虑两种荷载组合形式，基本组合与标准组合。荷载组合形式如下：

基本组合：1.2×自重+1.4×静水压力（内、外）+1.4×土压力+1.5×水流力(+1.4×封底侧压力)

标准组合：自重+静水压力（内、外）+土压力+水流力(+封底侧压力)

以上组合中，基本组合计算结果用来评价强度指标，标准组合计算结果用来评价刚度指标。

钢板桩围堰施工阶段的结构应力图如下图所示，其中应力结果均采用基本组合。

经计算得钢板桩围堰施工阶段CS3（抽水至墩台底）组合应力最大为124MPa远小于265MPa，钢板桩水平位移CS1（带水开挖至基坑底）时最大为76mm小于150mm，综上，钢板桩围堰构件的强度和刚度均满足规范要求。

表2

2.3.3 封底混凝土应力计算

封底混凝土的作用为：a）防水渗漏；b）抵抗水头差在围堰区域的浮托力；c）作为墩台施工时的承重底板。本围堰施工主要考虑+3.00m高水位条件下抽水到达封底混凝土顶面标高时的工况。

+3.00m高水位条件下抽水工况计算中考虑荷载：内外水头差产生的浮托力及封底自重。模型边界条件为封底混凝土与钢护筒接触面上的所有点固结。该工况基本组合作用下封底混凝土的主拉应力与主压应力结果如图6所示。

封底混凝土的强度：

图3 CS2钢板桩受力示意图

图4 CS3钢板桩受力示意图

2.3.4 封底混凝土握裹力计算

+3.00m高水位条件下抽水到达封底混凝土顶面标高时的工况下，封底混凝土对钢护筒的握裹力为：

封底混凝土有效厚度1.3m时，对钢护筒的握裹力小于135kPa，满足要求。

2.3.5 嵌固稳定性计算

嵌固稳定性评价系数：

Epk—基坑内侧被动土压力合力作用标准值

Eak—基坑外侧主动土压力合力作用标准值满足三级基坑要求。

Zpl—基坑内侧被动土压力合力作用点至挡土构件底端的距离

Zal—基坑外侧主动土压力合力作用点至挡土构件底端的距离

Ke—嵌固稳定安全系数，对于三级悬臂式支挡结构，不应小于1.15

2.3.6 基坑抗隆起稳定性验算

图5 钢板桩施工结构应力图

图6

图7 嵌固稳定性计算简图

图8 基坑抗隆起稳定性计算简图

由于基坑开挖是一种卸荷过程，开挖越深，初始应力状态的改变就越大，这就不可避免的引起坑底土体的隆起变形，有的甚至可能由于受到过大的剪应力而导致基坑隆起失效。围堰施工过程中按最不利工况CS1（带水开挖至基坑底部）考虑：基坑外泥面按+0.65m考虑，基坑内泥面按-2.40m考虑，围堰内外水头保持平衡，按+3.00m计算，板桩底标高为-13.70m。

基坑抗隆起稳定性评价系数：

D—基坑底面至挡土构件底面的土层厚度，取11.3m

h—坑开挖深度，取1.55m

γm1—坑外挡土构件底面以上土的重度γm1=6.9kN/m3

γm2—基坑内挡土构件底面以上土的重度γm2=6.9kN/m3

Nc、Nq—承载力系数

c、φ—挡土构件底面以下土的粘聚力、内摩擦角c=8kPa，φ=3.2°

q—基坑外侧土上均布荷载，取0

Kb—抗隆起安全系数，安全等级为三级的支护结构取1.4

计算可得

基坑抗隆起稳定性系数：

综上，基坑不会发生隆起现象。

3.围堰变形观测

在整个围堰施工过程中，对围堰整体结构的稳定性进行观测，通过监测数据，分析在围堰施工过程中板桩墙的位移及基坑底部土体稳定情况，以便做出适当的调整，防止围堰不利变形和滑动，以保证围堰在使用过程中的安全和稳固，通过观测围堰在合拢前基本未发生位移，合拢后至浇筑封底混凝土期间，板桩水平位移较明显，最大达到72mm，封底混凝土浇筑完成后变形渐趋于稳定。

4.结束语

在整个后臂墩台施工期间，围堰总体变形幅度不大，满足了施工安全及结构稳定性的要求。对于浅水区墩台钢围堰，施工中要综合考虑地质、水文、工期以及围堰设计加工质量等综合风险因素，本工程钢围堰施工仅在依靠封底混凝土的前提下支撑结构稳定，给类似工程可以提供一定的参考借鉴。