新型钢板桩围堰施工工序及受力性能研究

王鹏 张少龙 李仁强 庞伟军

摘要：为研究“拉森钢板桩+钢筋混凝土圈梁组合围堰”的工程适用性，以凤翔洲景观云桥作为依托工点，采取室内模型试验得出如下结论：①对于“素填土+卵石层+中分化泥岩”的地层，基坑开挖过程中会出现渗水现象;②桩底土压力表明钢板桩宽边中部位置受力最大;③钢板桩桩体本身受到的土压力自上而下逐渐减小。

Abstract： In order to study the engineering applicability of the "Lassen steel sheet pile + reinforced concrete ring beam cofferdam"， the Fengxiangzhou Landscape Cloud Bridge was used as the supporting site， and the indoor model test was adopted to draw the following conclusions： ①For the "plain filling + pebble layer + medium differentiation mudstone" stratum， water seepage will occur during the excavation of the foundation pit; ②The soil pressure at the bottom of the pile indicates that the central position of the steel sheet pile at the middle of the wide edge is the most stressed; ③The soil pressure at the steel sheet pile body itself gradually decreases from top to bottom.

關键词：拉森钢板桩;模型试验;施工工序;土压力

Key words： Larsen steel sheet pile;model test;construction process;earth pressure

中图分类号：U445.55+6                                文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）27-0105-03

0  引言

钢板桩围堰由于具有施工速度快、经济效益好、可重复利用等特点，被广泛应用于深水基础承台施工的围堰工程[1-2]。对钢板桩围堰的研究主要有：潘泓等[3]通过建立三维有限元模型，结合监测数据分析不同工序下钢板桩的变形规律;司鹏飞等[4]通过建立Plaxis有限元模型，研究不同类型的围堰布置等对围堰变形特征的影响;陈成等[5]采用新型组合钢板桩围堰结构，并对其新型围堰结构设计及施工进行了阐述。

结合前人的施工经验，以凤翔洲景观云桥水中承台的施工作为依托工点，提出采用“拉森钢板桩+钢筋混凝土圈梁组合围堰”的新型围堰施工工艺，通过模型试验验证其工程适用性。

1  模型箱设计与制作

1.1 模型箱制作

“拉森钢板桩+钢筋混凝土圈梁组合围堰”的新型围堰施工工艺主要适用于“上软下硬”的地质条件，地质勘察发现该区域地层为：素填土、卵石层、中分化岩，可将该新型施工工艺用于此工程。通过直剪试验决定采用砂：土：水=0.5：0.5：0.1模拟素填土，粗砂模拟卵石层，基岩采用水泥：砂：土：水=0.36：0.18：0.2：0.08进行模拟。围堰内部的钢支撑采用PVC管模拟，围檩和钢筋混凝土圈梁组合采用不同尺寸的木板拼接而成。试验所采用的的模型箱尺寸为1.5m×1m×0.6m（长×宽×高），制作流程为：

①基岩填筑：按照材料配比配制基岩材料，采用分层填筑法制作厚为30cm的基岩层。

②钢板桩安装：将钢板桩采用2.80m×0.4m的铁皮提前围制而成，并将其安装在模型箱的中间位置。

③卵石层的铺设：将筛分好的粗砂按照10cm的厚度均匀铺设在基岩上部。

④素填土的铺设：采用分层填筑法在卵石层上部填筑厚为20cm的素填土层。

⑤河道开挖：在填筑完成的模型箱左侧和后壁位置开挖宽×深=20×30cm的坑道，向其注满水模拟承台水中施工。最终制作完成的模型箱如图1所示。

1.2 传感器布设

为了解采用新型施工工艺在钢板桩开挖过程中钢板桩的受力情况，将10个型号为JTM-Y2000，量程为50kPa的土压力盒布设于钢板桩不同位置。试验所用的传感器具体布设位置如图2所示。

2  试验现象分析

本次试验的目的是将“拉森钢板桩+钢筋混凝土圈梁组合围堰”的围堰施工工艺通过模型试验进行还原，观察试验中基坑内有无渗水现象。模型试验中对于钢板桩的开挖主要经历以下三个阶段：

①12：31～12：48：对钢板桩内部土体进行开挖，开挖厚度约为10cm，开挖完成后安置围檩及钢支撑，如图3所示。

②12：52～13：30：在13：13时刻，对基坑开挖深度约为15cm的河流汇集角位置素填土有渗水现象。对基坑继续向下开挖深25cm左右时安装二道围檩及钢支撑（如图4所示），此时基坑内出现大量积水，因此在施工过程中，要注意防排水。

③13：30～13：45属于基坑开挖的第三个阶段，主要是安装钢筋混凝土圈梁，开挖完成后的围堰如图5所示。

3  土压力数据分析

图6所示TH-1、2、3测点的土压力时程曲线。由图可知，整个钢板桩施工过程中，TH-2测点的土压力响应最为强烈，土压力最大值为400Pa，而TH-1和TH-3测点的土压力响应较小，其中TH-1测点的最大土压力为120Pa，TH-3的为130Pa。在12：25～13：03时间段内，TH-2测点的土压力值一直处于增大状态，在13：03时刻达到最大值400Pa，在13：03～13：45时间段内，TH-2测点的土压力值开始逐渐减小。上述数据表明钢板桩施工过程中其中部受力扰动最大。

图7所示为TS-1～5测点的土压力时程曲线，由图可知，在钢板桩施工过程中，TS-1测点的土压力响应最为强烈，且在12：25～13：03时间段内TS-1测点的土压力值迅速增长达到1770Pa，13：03～13：45时间段内所有测点的土压力值也随着钢板桩的开挖逐渐增大。

图8所示为TS-3、6、7测点的土压力时程曲线，对于布设于同一个断面上的三个测点土压力而言，由图可知，TS-6测点土压力>TS-3测点土压力>TS-7测点土压力。

4  结论

为研究“拉森钢板桩+钢筋混凝土圈梁組合围堰”的新型围堰施工工艺的工程适用性，在凤翔洲景观云桥工点作为依托工点，通过模型试验得出如下结论：①钢板桩基坑开挖过程中，坑内有渗水现象，故实际施工过程中应做好防排水措施。②土压力数据表明，钢板桩宽边中间位置即TH-2受力最大，在长度方向TS-1测点受力最大。③钢板桩开挖过程中，桩体本身受到的土压力自上而下依次减小。

参考文献：

[1]李迎九.钢板桩围堰施工技术[J].桥梁建设，2011，41（2）：76-79，84.

[2]张骏.桥梁深水基础钢板桩围堰受力分析与应用[J].桥梁建设，2012，42（5）：74-81.

[3]潘泓，王加利，曹洪，骆冠勇.钢板桩围堰在不同施工工序下的变形及内力特性研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32（11）：2316-2324.

[4]司鹏飞，田利勇，张雨剑，孙陆军.双排钢板桩围堰变形特性研究[J].水运工程，2020（06）：172-176，187.

[5]陈成，杜松.新型组合钢板桩围堰结构设计及应用[J].施工技术，2017，46（S2）.

基金项目：中铁九局集团第六工程有限公司科技开发项目（FXZ-JSFW-007）。

作者简介：王鹏（1987-），男，陕西丹凤人，工程师，大专，主要从事道桥工程的研究。