填土对水中钢板桩围堰稳定性的影响分析

张晓明，唐 辉

（广东省水利水电第三工程局有限公司 广东东莞523710）

0 引言

随着社会的不断发展，桥梁基础设施建设的步伐也在不断迈进，各大城市由于交通运输的需要而架起了一座座带有地域特色的桥梁，有屹立于陆地而纵横交错的高架桥，也有跨越于江河的跨河大桥。而且我国南方城市主要处于丘陵地带，有多条河流贯穿，在河域面积较大的江河上建设跨河大桥时，不可避免地需要搭设水中施工平台［1］。水中钢板桩土围堰施工平台相对于其他水上施工平台而言，搭设的施工技术成熟、施工难度系数较低、成本较低、平台上施工作业安全系数较高，在施工条件允许下值得推崇使用。由于各个地域的地质条件各有差异，在钢板桩土围堰设计时需因地制宜，结合实际工程地质条件进行稳定性分析。

基于此，本文以广东揭阳某中承式拱桥的水中钢板桩土围堰工程为背景，针对水下淤泥层较厚的地质情况，基于先插打钢板桩后填土和先填土后插打钢板桩2种施工方案，进行填土对水中钢板桩围堰稳定性的影响分析，为设计、分析提供依据，同时为类似工程提供方案参考。

1 工程概况

某水中承式钢箱梁拱桥，跨径组合为（38+50+210+50+38）m，主桥全长386 m。水中主墩承台设计为哑铃状，宽（顺桥向）16.5 m、长（横桥向）56.28 m、厚5.0 m，为保证承台桩基施工、承台开挖施工和浇筑混凝土，需修筑水中钢板桩土围堰施工平台。水中钢板桩土围堰的设计为：将承台四条边线各外延1 m多形成封闭式长方形围堰，围堰尺寸为60 m×18.5 m，此部分称为工作围堰；将长方形围堰两短边向岸边延伸至陆地，形成与陆地闭合式筑岛围堰，延伸段称为连接围堰；围堰各边线外侧均设置由钢管桩与围檩组成的支撑排架。

水中钢板桩土围堰构造为：围堰范围内需有填土，形成填土围堰，然后在围堰设计外边线上按5 m、6 m、12 m三种间距布设φ630×10钢管桩，桩顶部位安装牛腿及工字钢围檩，沿围檩内边线插打钢板桩，形成钢板桩顶高程为+2 m的闭合围堰，水中钢板桩土围堰平面设计布置如图1所示。

2 工程地质与水文条件

2.1 工程地质

工程区域内覆盖层为第四纪松散沉积层，主要为淤泥、粘质粉土、砂类土、碎石土等，地层物理力学参数如表1所示。

图1 钢板桩围堰平面布置Fig.1 Layout Plan of Steel Sheet Pile Cofferdam

表1 地层物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Formation

2.2 水文条件

揭阳榕江北河规划为内河Ⅲ级河道，大桥地处感潮河段，水流速度约1.5 m/s。

揭阳榕江的潮汐类型属于不正规半日混合潮，1日多见2次高潮和2次低潮，当月赤纬最大时日不等现象最为显著，即相邻高潮或相邻低潮的潮位不等最大。洪水期由于受榕江径流影响，潮水波在运动前进中受到压迫变形，落潮历时常大于涨潮历时；榕江洪水下泄期间如遇到大潮顶托，会引起水位暴涨，最高水位高程为+1.5 m。河段最大潮差2.63 m，平均潮差1.19 m。

3 围堰稳定性分析

3.1 围堰稳定性分析相关技术参数

3.1.1 钢板桩参数

18 m拉森式SP-IV型钢板桩：宽×高为400 mm×170 mm，惯性矩I=4 670 cm4，截面模量Wx=2 270 cm3/m，每延米长钢板桩弯矩M容许值：［M］=477 kN·m。钢板桩插打时控制顶标高为+2 m，底标高为-16 m。

3.1.2 地质参数

依据地勘报告可知，河床标高为-3.3 m，水重度γ1=10kN/m3；淤泥层顶面、底面标高分别为-3.3m、-15.62m，淤泥的内摩擦角ψ2=1.4°，粘聚力c2=2.1，天然重度γ2=15.5 kN/m3；中砂层顶面、底面标高分别为-15.62 m、-18.62 m，中砂层的内摩擦角ψ2=32°，粘聚力c3=0，天然重度γ3=20 kN/m3。

3.1.3 内支撑钢管参数

内支撑采用φ=630 mm、壁厚10 mm钢管，惯性矩I1=57 250 cm4，截面系数W=2 972 cm3。

3.1.4 围囹参数

围囹采用40b工字钢，截面高度H=400 mm，截面模量Ws=1 139 cm3，惯性矩I2=22 781 cm4。

3.2 围堰有限元计算模型

钢板桩、内支撑和围檩分别采用板单元、梁单元通过有限元软件建模分析其强度和刚度，梁单元与板单元之间采用弹性连接的刚性连接模拟，模型长60 m，宽18 m，钢板桩入土考虑桩土作用，钢板桩底部铰接，土对钢板桩的作用利用土的刚度SDX（Y）（即K值）进行模拟。

K=m·h·b0·z

式中：K为桩基等代土层弹簧刚度系数；m为土层系数；h为土层厚度；b0为计算宽度；z为地表至拉森钢板施加等代土弹簧点的距离（或深度）。

3.3 围堰分析依托方案及分析工况

方案1为先插打钢板桩后填土方案：先插打钢板桩形成其顶标高为+2.0 m的封闭围堰，然后从岸边向围堰内部方向回填黏土至标高为+1.5 m处，形成水中桩基施工平台，待桩基施工完成后围堰开挖至封底混凝土底标高为-3.134 m处，开挖过程中分别在标高为+1.0 m、-1.5 m处各设置1道内支撑，为承台安全施工做准备。

方案2为先填土后插打钢板桩方案：先从岸边向围堰施工区域方向回填黏土至标高为+1.5 m处，以钢板桩围堰设计尺寸四条边线为基准各向外扩展3 m的区域作为围堰施工的填筑面积，然后依据围堰设计尺寸进行插打钢板桩，控制其顶标高为+2.0 m，形成水中桩基施工平台，待桩基施工完成后围堰开挖至封底混凝土底标高-3.134 m处，开挖过程中分别在标高为+1.0 m、-1.5 m处各设置1道内支撑，为承台安全施工做准备。

分析工况：2道内支撑已经安装完毕，围堰开挖至封底混凝土底标高-3.134 m处，汽车吊在围堰外边上配合围堰开挖工作，围堰外填土顶面标高为+1.5 m。

3.4 围堰稳定性分析计算

钢板桩围堰的稳定性分析是保证水上施工平台搭建和承台开挖施工顺利进行的前提条件，则钢板桩围堰体系的稳定直接影响到承台的正常施工［2］，因此对围堰施工方案的选择至关重要。现针对先插打钢板桩后填土和先填土后插打钢板桩2种施工方案，进行填土对钢板桩围堰稳定性的影响分析计算，选择出稳定性较好、经济效益较高、施工工序简便的施工方案。稳定性分析计算内容包括：基坑抗隆起稳定性分析、基坑抗滑稳定分析钢板桩稳定性分析、围囹稳定性分析、支撑稳定性分析等［3］。钢板桩土围堰作为水中承台施工重要作业平台，依据《建筑基坑支护技术规程：JGJ 120-2012》［4］规定，将钢板桩围堰支护结构的安全等级定为一级。

3.4.1 先插打钢板桩后填土方案分析计算

在围堰内外部回填土和施工机械在水上平台作业时，河床下的淤泥层在回填土和机械自重的附加应力作用下会产生压缩和挤淤的效果［5］，根据岩土工程学中的分层总和法和挤淤深度公式分别计算出围堰内淤泥层的压缩厚度、围堰外的挤淤深度［6］。

围堰内淤泥层压缩厚度计算：

式中：P11为淤泥层自重应力平均值（kPa）；P21为淤泥层自重应力和附加应力平均值之和（kPa）；e12为淤泥孔隙比；e22为回填土后淤泥孔隙比；h为淤泥层厚度（m）；s为淤泥层压缩厚度（m）。

本工程中，P11=95.48 kPa，P21=159.68 kPa，通过查找淤泥e-p曲线得e12=1.167，e22=1.07，h=12.32 m；代入数据计算得淤泥层压缩厚度s=0.55 m。

围堰外挤淤深度计算：

式中：h为回填土在淤泥面以上的高度（m）；B为淤泥顶抛填宽度（m）；cu为淤泥的不排水抗剪强度（kPa）；γs为淤泥的重度（kN/m3）；γ为抛填土的平均重度（kN/m3）；D0为在填土和机械作业综合作用下的挤淤深度（m）。

本工程中，h=12.32 m；B=66 m；cu=28 kPa；γs=15.50 kN/m3；γ=18 kN/m3；代入数据计算得挤淤深度D0≈4.50 m。

综合以上计算，2道内支撑已经安装完毕，围堰开挖至封底混凝土底标高-3.134 m处，汽车吊在围堰外边上配合围堰开挖工作，靠岸侧围堰外填土顶面、底部标高分别为+1.5 m、-7.8 m，围堰内填土底部标高为-3.85 m，标高-3.85 m下为淤泥的工况如图2所示。

依据如图2，钢板桩围堰为双层支撑支挡结构，根据文献［4］规定，支撑式支挡结构的嵌固深度应符合相应的坑底隆起稳定性和圆弧滑动稳定性要求，以及需要进行钢板桩稳定性、围囹稳定性、支撑稳定性验算［7］，下面进行相关稳定性验算，分析先插打钢板桩后填土方案在上述工况下的可行性。

⑴ 基坑抗隆起稳定性验算

图2 方案1工况Fig.2 Scheme One Working Condition

基坑抗隆起稳定性分析受力图如图3所示。

图3 基坑抗隆起稳定性计算简图Fig.3 Simplified Calculation of Anti-heave Stability of Foundation Pits

基坑抗隆起稳定性评价系数：

式中：Kb为抗隆起安全系数，本工程是安全等级为一级的支护结构，Kb应≥1.8；γm1、γm2分别为基坑外、基坑内挡土构件地面以上土的天然重度（kN/m3），本工程钢板桩贯穿多层土，取各层土按厚度加权的平均重度；D为挡土构件的嵌固深度（m）；h为基坑深度（m）；q0为地面均布荷载（kPa），本工程中该值为围堰外机械工作时作用于地面的均布荷载；Nq、Nc为承载力系数；c、φ分别为挡土构件底面以下土的粘聚力（kPa）、内摩擦角（°）。

本工程中，靠岸侧钢板桩承受荷载较大，对围堰稳定性有较大影响，故取靠岸钢板桩支护结构进行抗隆起计算分析，γm1=16.95 kN/m3、γm2=15.77 kN/m3、φ=32°、c=0、h=5.134 m、D=12.866 m、q0=7.6 kPa，代入数据计算得K1=15.04＞Kb=1.8。

以上计算分析结果表明基坑不会发生隆起现象。

⑵ 基坑圆弧滑动稳定性验算

本工程基坑底下存在较厚的淤泥，则其嵌固深度需符合以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性要求［8］，分析受力图如图4所示。

图4 基坑抗圆弧滑动稳定性计算简图Fig.4 Schematic Diagram of Stability Calculation of Slip Resistance of Foundation Pit

基坑圆弧滑动稳定性评价系数：

式中：Kr为以最下层支点为轴心的圆弧华东安全系数，本工程是安全等级为一级的支护结构，Kr应≥2.2；cj、φj分别为第j土条在滑弧面处土的粘聚力（kPa）、内摩擦角（°）；lj为第j土条的滑弧长度（m），取lj=bj/cosθj；qj为第j土条顶面上的竖向压力标准值（kPa）；θ为第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角（°）；△Gj为第j土条的自重（kN），按天然重度计算。

本例中，取靠岸钢板桩支护结构进行圆弧滑动稳定性计算分析，根据圆弧稳定性验算公式的计算参数定义结合分析工况，得出以标高-1.5 m处的最下层支撑点为轴心的圆弧滑动稳定性验算受力分析如图5所示。

图5 方案1基坑抗圆弧滑动稳定性计算受力分析Fig.5 Scheme 1 Schematic Analysis of the Calculation of the Stability of the Foundation Pit against Arc Sliding

如图5所示，根据不同土层标高在基坑内外各划分3条土条进行计算，土条宽度依次为99 mm、11 010 mm、3 298 mm、3 298 mm、9 762 mm、1 440 mm，qj为标高-1.5 m处以上土层和作业机械形成的竖向压力标准值，计算得qj=61.60 kPa，△Gj取值为土条中各层土的截面面积在单位1 m下的体积与相应土层的天然重度乘积值之和，最终依据受力图提供的数据信息计算得出K2=1.98＜Kr=2.2，故18 m钢板桩围堰不满足滑动稳定性要求。

综上所述，验算结果分析表明：先插打钢板桩后填土方案在18 m钢板桩围堰开挖至封底混凝土底标高-3.134 m处的工况下，不满足围堰滑动稳定性要求，由于该方案1不满足施工要求，所以钢板桩稳定性、围囹稳定性、支撑稳定性不再验算。

3.4.2 先填土后插打钢板桩方案分析计算

先从岸边向围堰施工区域方向回填黏土，填土会对河床下的淤泥层产生挤淤现象，其挤淤深度计算参数与上述围堰外挤淤深度计算的一致，故围堰施工区域的挤淤深度可取值D0≈4.50 m。对比方案1钢板桩围堰内的填土层厚增加3.95 m，填土底标高为-7.8 m。

基于挤淤深度计算值，2道内支撑已经安装完毕，围堰开挖至封底混凝土底标高-3.134 m处，汽车吊在围堰外边上配合围堰开挖工作，靠岸侧钢板桩围堰外填土顶面、底部标高分别为+1.5 m、-7.8 m，钢板桩围堰内填土底部标高为-7.8 m，标高-7.8 m下为淤泥的工况如图6所示。

图6 方案2工况Fig.6 Scheme 2 Working Condition

依据图6所示，进行支撑式支挡结构的坑底隆起稳定性、圆弧滑动稳定性、钢板桩稳定性、围囹稳定性、支撑稳定性验算，分析先填土后插打钢板桩方案在上述工况下的可行性。

⑴ 基坑抗隆起稳定性验算

根据工况图取靠岸侧钢板桩支护结构进行抗隆起稳定性分析，结合工况图数据和地勘报告相关参数，γm1=16.95 kN/m3、γm2=16.21 kN/m3、φ=32°、c=0、h=5.134 m、D=12.866 m、q0=7.6 kPa，代入数据到基坑抗隆起稳定性验算公式计算得K3=15.46＞Kb=1.8。

以上计算分析结果表明基坑不会发生隆起现象。

⑵ 基坑圆弧滑动稳定性验算

取靠岸钢板桩支护结构进行圆弧滑动稳定性计算分析，根据圆弧稳定性验算公式的计算参数定义结合分析工况，得出以标高-1.5 m处的最下层支撑点为轴心的圆弧滑动稳定性验算受力分析如图7所示。

图7 方案2基坑抗圆弧滑动稳定性计算受力分析Fig.7 Scheme 2 Calculation Analysis of the Stability of Anti-arc sliding Stability of the Foundation Pit

如图7所示，根据不同土层标高在基坑内外各划分3条土条进行计算，土条宽度依次为1 348 mm、9 762 mm、3 298 mm、3 298 mm、9 762 mm、1 440 mm，qj为标高-1.5 m处以上土层和作业机械形成的竖向压力标准值，计算得qj=61.60 kPa，△Gj取值为土条中各层土的截面面积在单位1 m下的体积与相应土层的天然重度乘积值之和，最终依据受力图提供的数据信息，代入基坑圆弧滑动稳定性验算公式计算得出K4=2.35＞Kr=2.2。

以上计算分析结果表明基坑不会发生整体圆弧滑动现象。

⑶ 钢板桩、围囹、支撑稳定性验算

利用有限元软件依据先填土后插打钢板桩方案的分析工况，对支护结构进行力学模拟建模［9］，通过结构计算几何模型对围囹和支撑的稳定性进行分析，计算模型如图8所示。

图8 方案2钢板桩围堰力学计算有限元模型Fig.8 Scheme 2 Finite Element Model for Mechanical Calculation of Steel Sheet Pile Cofferdam

钢板桩的强度：σmax=240 MPa＜f=290 MPa；围囹的强度：σmax=202 MPa＜f=215 MPa；支撑体系的强度：σmax=65 MPa＜f=215 MPa。有限元计算模型分析结果表明钢板桩围堰强度满足要求。

综上所述，验算结果分析表明：先填土后插打钢板桩方案在18 m钢板桩围堰开挖至封底混凝土底标高-3.134 m处的工况下，满足水中钢板桩围堰稳定性要求，可择取该方案进行钢板桩围堰施工。

4 结语

本文通过2种不同填土顺序的施工方案，进行18 m钢板桩围堰的稳定性验算分析对比，基于验算结果分析了填土对水中钢板桩围堰稳定性的影响，分析结果表明填土的先后顺序会对河床底下的淤泥层会产生不同的作用效果，先填土可以起到很好的挤淤效果，改善钢板桩周围的地质情况，所以在水中淤泥层较厚的工程地质环境中进行水中钢板桩围堰施工时，填土变为了关键的施工环节，会对钢板桩围堰的稳定性产生较大的影响［10］，先填土再插打钢板桩可以提高钢板桩围堰的基坑抗隆起、抗滑动的稳定系数。填土除对钢板桩围堰的稳定性产生影响外，还在钢板桩围堰施工工序及施工成本方面带来便捷和效益，分析如下：

⑴ 先填土可以为钢板桩机作业提供一个较好的施工平台，钢板桩机在填土平台上移动方便，避免了钢板桩机只能约束在岸边作业而需增加一些辅助作业的问题，简便了施工工序，且可以有效提高钢板桩插打精度，保证钢板桩咬合度高，比较平直的顺着设计尺寸打入土中。

⑵ 基于文中2种填土方案对相同18 m钢板桩围堰进行稳定性验算的结果，表明只有先填土方案满足18 m钢板桩围堰的稳定性要求，后填土方案需要更长尺寸的钢板桩才可形成稳定的钢板桩围堰，分析可知在水中施工钢板桩围堰使用先填土方案可以提高经济效益，节约成本。