钢板桩在软土基坑工程中的应用研究

陈飞仰

(浙江恒力建设有限公司,浙江 海宁 314400)

0 引言

稳定性[1]是基坑工程的重要关注点,特别是软土地区基坑工程中,软土层呈流塑状态,强度低、灵敏度高、承载力小,必须对开挖基坑进行各种类型的支护[2]。近年来,钢板桩凭借其施工速度快、环保又美观、可重复利用等优点,广泛应用于我国基坑工程中。但是,悬臂式钢板桩抗弯能力差,其在深厚软土地区基坑中作为支护还需要内支撑的配合。基于此种背景下,各种型式的组合钢板桩应运而生,T型组合钢板桩是其中一种[3]。T型组合钢板桩是由前后两排U型钢板桩组成,后排钢板桩在基坑外侧,组合体系刚度较大,而且挡土、挡水效果极佳。同时,基坑内无支撑支挡,适用于一些狭小的场地施工,提高了施工效率,是一种具有良好推广价值的钢板桩[4]。

1 工程概况

该基坑工程项目位于福建省宁德市,原场地为滩涂,整体地形开阔,后经人工堆填平整,基坑边线离场地红线较近。基坑呈矩形,开挖面积约为2×104m2,基坑最长为282 m,最宽为95 m,开挖深度为5.65 m～5.95 m,坑底标高为-2.75 m～-2.65 m。根据钻探揭示,工程场地内对基坑稳定性产生影响的土层有5层,地层自上而下依次为素填土、黏土、粉质黏土、细砂、中粗砂,各土层的物理力学参数见表1。

表1 物理力学参数

①层素填土。沿线钻孔均有分布,揭露层厚0.10 m～4.70 m,平均厚度4.3 m,为原路基人工填土。黄红、灰黄色,松散—稍密。局部地段密实度差,不宜直接作为基础持力层使用。

②层黏土。沿线钻孔均有分布,揭露层厚0.40 m～5.00 m,平均厚度3.9 m,黑灰色,流塑为主,局部软塑。其表层受填土影响,多被扰动。局部相变为淤泥质黏土,韧性差,干强度低。

③层粉质黏土。沿线钻孔均有分布,揭露层厚1.50 m～5.00 m,平均厚度2.25 m。灰黄色、黄褐色,局部软塑,底部含少量粉细砂,无摇振反应。该层局部相变为黏土,具有中等压缩性、韧性和干强度。

④层细砂。沿线钻孔均见分布,揭露层厚0.6 m～6.50 m,平均层厚4.63 m。浅黄色、灰黄色,砂粒矿物成分主要为长石、石英,颗粒均匀,级配差,分选性较好。该层砂颗粒径逐渐增大,强度渐高。

⑤层中粗砂。沿线钻孔均见分布,揭露层厚4.0 m～9.60 m,平均层厚7.52 m。黄褐色、褐黄色,饱和,砂粒矿物成分主要为长石、石英,级配较好,分选性较好,磨圆度一般。底部砂砾多胶结成团块状,强度渐高。

以上5层土体除①层素填土、②层黏土外,自稳性都较好。该基坑工程底部位于②层黏土,侧壁位于①层素填土、②层黏土中,触变性、工程性能差,自然结构易产生蠕动变形。

2 方案选择

2.1 基坑支护形式选择

综合考虑基坑场地土体工程地质性质、周边环境、工程进度以及工程造价等方面因素,CFG桩、高压旋喷桩、人工挖孔桩、预应力管桩、深层土搅拌桩、钻孔灌注桩等[5]均存在不适用条件限制。依据JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程[6]要求,钢板桩符合本次基坑土压力计算、稳定性验算,可以采用钢板桩支护。

2.2 钢板桩型式选择

钢板桩是一种柔性围护结构,在建筑及市政工程的深基坑施工中被广泛应用。它是将钢板桩逐根或成对压入基坑土体中,并通过锁口把相邻的钢板桩连接到一起,形成一系列连续的桩墙。钢板桩主要承担横向荷载,可以用来挡土和挡水[7]。

对于常规的钢板桩单独使用方式,是作为悬臂桩进行围护,一般支护深度不超过5 m。当超过深度时,需要结合土锚或者在钢板桩墙加内支撑形成支护体系,这就导致单独钢板桩在本工程案例中的应用受到限制,为了使钢板桩能达到更大的支护深度,选取一种T型组合钢板桩型式。

T型组合钢板桩是钢板桩的延展和扩充,施工工艺并不复杂。一个T型组合钢板桩单元是由前后两排U型钢板桩组成,前排布置常规钢板桩,后排常规钢板桩与前排钢板桩采用锁扣垂直连接,组成一个T型,各组合钢板桩单元之间也采用锁扣相连,形成连续围护墙。T型组合钢板桩除了具有常规钢板桩外,还具有以下特点:1)由于采取钢板桩截面组合,承载能力远大于非组合型钢板桩。2)钢板桩单元之间锁口紧密咬合,挡土、挡水效果更好。3)适用于淤泥类软土基坑,安全性能好。因此,T型组合钢板桩具有较大优势,本工程案例基坑支护选取T型组合钢板桩方案。钢板桩桩长为12 m,后排锚固桩的间距为2 400 mm,锁扣采用小企口。施工完毕后,通过基坑监测的数据,证明T型组合钢板桩的可靠性。

3 T型组合钢板桩施工关键技术

3.1 压桩工艺选择

根据该工程场地土体工程地质性质确定,钢板桩与土体摩阻力较小,T型组合钢板桩较易打入地下,因此,采用静力压入法施工,选择钢板桩的配套夹具和静压机。由于T型组合钢板桩对桩身的垂直度有较高的要求,在压桩过程中,垂直方向放置两台经纬仪,便于控制垂直度,经纬仪应设在不受打桩影响处;下节桩入土50 cm～80 cm时停止压桩,调整垂直度后方可继续压桩,不允许只图施工速度一次送到位。

3.2 T型组合钢板桩连接

由于T型组合钢板桩由两排钢板桩组成,在前排和后排钢板桩选择上,要使用同样型号的U形钢板桩,避免因不同型号的钢板桩造成桩与桩之间的锁扣卡死或脱开,组合钢板桩整体强度下降。前排和后排钢板桩的连接通过在前排钢板桩焊接第三支锁扣来完成,锁扣焊接在需要连接的前排钢板桩内侧面。

3.3 压桩方法

组合钢板桩的压桩方法分为逐根式压入法、跳打式压入法和屏风式压入法三种。为保证钢板桩的垂直度,避免压桩过程钢板桩的倾斜和转动,本工程采用屏风式压入法,如图1所示。取6根钢板桩为一个单元,通过锁扣分别将标号为①②③④ 4根钢板桩连在一起,标号为⑤⑥ 2根钢板桩连在一起,形成屏风状。首先压入标号为①②③④ 4根钢板桩,然后在相隔2 400 mm处压入标号为⑤⑥ 2根钢板桩,同时,要保证锁扣扣紧扣稳,形成八节点线性六面体单元,有效传递拉力。其他单元施工操作相同,完成各个单元的相互连接,在基坑拐角处,压入两根钢板桩,使其垂直于压入好的钢板桩墙轴线。

4 现场监测分析

通过监测基坑围护体系的变形情况,分析基坑支护结构的稳定性,确保基坑开挖施工安全,为施工信息化提供数据支持。

4.1 监测方案

T型组合钢板桩施工完毕后,对基坑进行开挖。根据基坑工程实际施工情况,依据建筑基坑工程监测技术标准,对基坑进行现场监测[8],监测标准预警值如表2所示。

表2 监测标准预警值

根据监测项目实际需求,合理布置相应的监测点,具体监测点数如表3所示。

表3 基坑监测点数及分布

4.2 监测分析

4.2.1 坡顶水平位移监测

从2021年6月14日开始监测,最后一次监测时间为2021年9月26日,共监测102 d。对16个测点进行数据统计分析,各测点的水平位移变化量均小于3 mm/d。但随着开挖时间的增加,水平位移累计变化量逐渐增大,50 d后,水平位移变化量趋于稳定,各测点的坡顶水平位移累计变化量如图2所示。由图2得知,16个测点中,JC6号监测点坡顶水平位移累计变化量最大,为15.62 mm;JC13号监测点坡顶水平位移累计变化量最小,为4.28 mm;平均坡顶水平位移累计变化量为8.65 mm。该监测结果说明,在T型组合钢板桩支护结构的作用下,基坑开挖后的水平位移能得到有效控制。

4.2.2 坡顶竖向位移监测

坡顶竖向位移监测点选取与水平位移监测点共用,从监测周期上分析,坡顶竖向位移变化趋势与水平位移相似。各测点的水平位移变化量均小于3 mm/d,开挖50 d后,竖向位移变化量缓慢,并趋于稳定,各测点的坡顶竖向位移累计变化量如图3所示。由图3得知,JC6号监测点累计变化量最大,为13.46 mm;JC13号监测点累计变化量最小,为3.52 mm;平均坡顶竖向位移累计变化量为7.96 mm。同理,该监测数据说明,T型组合钢板桩支护对于基坑变形具有一定的控制优势。

4.2.3 深层土体水平位移监测

对12个测点进行数据统计分析,各测点的深层土体水平位移变化量均小于3 mm/d,但是各测点均朝基坑方向偏移,深层土体水平位移累计变化量如图4所示。由图4得知,12个测点中,CX3监测点深层土体水平位移累计变化量最大,为13.74 mm;CX9号监测点深层土体水平位移累计变化量最小,为2.89 mm;平均深层土体水平位移累计变化量为6.43 mm。因此,深层土体水平变形也在预警值允许的范围内。

4.2.4 坑外地下水位监测

对5个坑外地下水监测点进行数据统计分析,开挖初期,坑外地下水位下降较大,最大变化为96 mm/d;随着开挖时间增加,有来回波动的情况,各测点的坑外地下水位累计变化量如图5所示。由图5得知,SW4号监测点坑外地下水位累计变化量最大,为623 mm;SW2号监测点坑外地下水位累计变化量最小,为115 mm。由此可以得出,基坑受到地下水的影响不大。

5 结论

T型组合钢板桩是将前后两排U形钢板桩交叉组合,是一项绿色环保的支护体系。通过将T型组合钢板桩应用于福建省宁德市某基坑工程项目中,得出以下结论:

1)在深厚软土地区基坑工程中,基坑对支护的刚度要求更大,T型组合钢板桩不仅解决围护结构刚度不足的问题,同时,挡土、挡水性能好,适用于深厚软土地区基坑工程。

2)在T型组合钢板桩施工过程中,要特别注意钢板桩连接质量,避免锁扣卡死或脱开,降低整体强度。另外,为保证钢板桩的垂直度,从压桩工艺和压桩方法上入手,避免发生倾斜。

3)基于现场监测数据得知,坡顶水平位移累计变化量最大为15.62 mm、坡顶竖向位移累计变化量最大为13.46 mm、深层土体水平位移累计变化量最大为13.74 mm、坑外地下水位累计变化量最大为623 mm,均远远小于标准规定的预警值,可以有效抑制基坑的变形。