小型圆形钢板桩围堰在浅基坑中的应用

摘 要：浅水河流中的基坑施工采用筑岛围堰方案是一种安全、高效、经济的施工方案，但该方案无法适用于富含砂层等透水性强的地质情况。在富含砂层的河流中，基坑施工的围堰方案有很多种，其中钢板桩围堰施工速度快，成本低，具有良好的适用性。与矩形围堰相比，小型基坑采用圆形钢板桩围堰具有显著的优势。本文结合工程实例，将小型圆形钢板桩围堰应用于浅水河流中的凿除桩头及立柱施工，重点介绍其设计、适用条件、受力分析、施工技术要点以及现场监测与理论数据对比分析，可以为类似工程提供参考。

关键词：浅基坑；圆形钢板桩围堰；围堰设计；受力分析

中图分类号：TV 55" " 文献标志码：A

1 工程概况

湛江市遂溪大道工程项目河涌2号中桥跨越源水河，该桥为3m×20m预应力混凝土简支小箱梁桥，其1号桥墩落在西溪河支流源水河中，下部结构采用柱式墩，柱径为130cm，柱高为3.5m～4.7m，桩基采用钻孔灌注桩基础，桩径为150cm，桩长为50m，共13根。下部结构及基础为一柱一桩的形式，桩与桩之间无系梁连接。1号墩桩顶高程均为3.500m，河床底高程为3.800m，按百年一遇的将水位设计为7.680m，施工时实测最高水位为5.260m。

桥址区属于冲海积滨海平原-冲洪积平原地貌。根据本工程的地质勘察报告，桥址区地质相对稳定，岩土层分布较规律，揭露的河床底浅层地层主要为第四系全新统冲积层，含粉细砂、淤泥粉质黏土、粉质黏土以及第四系下更新统湛江组海陆交互沉积层，含粉细砂、黏土，其中粉细砂层位强透水层，层厚31.5m～32.8m。

2 小型圆形钢板桩围堰设计

在桥梁桩基础施工完成后，清理河道中填土施工平台，待桩基检测合格后进入凿除桩头以及立柱施工阶段。该道工序需要创造一个干处作业的工作面，而围堰施工是一种比较常用的创造干处作业面的方式。

浅基坑筑岛围堰虽然是最简捷且经济性最好的方案，但根据本工程地质勘察揭露，河床底表层土为粉细砂层，透水性强，采用筑岛围堰无法将基坑内的给水排除，无法创造出干处作业面，因此直接排除该围堰方案。而钢板桩围堰能够达到较明显的阻水效果，且安全高效、经济实用，通过本工程技术人员研究讨论，决定采用钢板桩围堰。本工程基坑处于浅水中，且基坑尺寸较小，因此最终确定采用小型圆形钢板桩围堰进行基坑施工，围堰设计如图1所示。

本工程小型圆形钢板桩围堰直径为4.074m，钢板桩长为12m，其中入土深度为10.04m，内部未设置围檩及内支撑。钢板桩采用FSP拉森Ⅳ型，其截面长度为400mm，宽度为170mm，腹板厚度为15.5mm[1]。

3 小型圆形钢板桩适用性分析

钢板桩围堰施工便捷、可周转次数多、使用成本较低，工程中使用十分广泛。与矩形围堰相比，圆形围堰可将平面外大部分弯矩转化为平面内轴力，内部没有密集的内支撑，极大地减少了施工干扰。因此对方形或圆形承台来说，采用圆形钢板桩围堰进行施工更加合适。钢板桩围堰具备良好的止水效果，对黏性土、砂土具有良好的适用性，但具有基岩的地基一般极少采用这种方式。小型圆形钢板桩围堰可不设置围檩，施工更加简便、快捷，适用于需要降水的浅基坑，例如一柱一桩桥梁下构、给排水检查井施工等，尤其是砂土地层，该围堰具有明显的优势[2]。

4 有限元仿真计算分析钢板桩刚度及强度

4.1 钢板桩参数

FSP拉森Ⅳ型钢板桩采用的是Q345钢，单根钢板桩的截面面积为96.99cm2，理论质量为76.1kg/m，惯性矩为4670cm4，截面模量为362cm³。抗弯强度设计值为305N/mm2，抗剪强度设计值为175N/mm2。

4.2 地质情况

根据地质勘察报告揭露：地质自上而下依次为4.84m粉细砂、2.2m淤泥质粉质黏土、4.6m粉细砂。各层土的容重、黏聚力、内摩擦角以及地基承载力特征值等相关参数如图1所示。

4.3 荷载计算

在钢板桩打入土中后，回填黏性土夯实，封底混凝土。因此需要分两种荷载工况对钢板桩围堰进行计算分析。荷载工况1为基坑开挖后，荷载工况2为回填黏性土并夯实，并抽排围堰内水。如图2、图3所示。

荷载工况中水压力的计算过程如公式（1）所示。

p0=γwhw " "（1）

式中：γw为水的容重，可取10kN/m³；hw为水的深度。

根据朗肯土压力理论确定围堰外部主动土压力，其中砂性土按水土分算计算，黏性土按水土合算计算，计算过程如公式（2）～公式（4）所示。

ka=tan2（45°-φ/2） （2）

水土分算：pa=kaγh+γwhw （3）

水土合算： （4）

式中：ka为主动土压力系数；φ为内摩擦角；c为黏聚力；γ为土的干容重；γsat为土的饱和容重。

围堰内部被动土压力采用节点弹性支撑模拟土弹簧，采用m法计算土弹簧的刚度K，计算过程如公式（5）、公式（6）所示。

K=b0hmz （5）

（6）

式中：b0为计算宽度，取板单元宽度0.2m；h为土层厚度；m为土的水平地基抗力系数；vb为钢板桩在坑底处的水平位移量，取0.01m。

土弹簧的刚度K的计算值见表1和表2。

4.4 模型建立及强度、刚度验算

利用MIDAS CIVIL计算软件进行模拟分析，建立钢板桩围堰空间模型，采用板单元，共建立2880个板单元[3]。根据MIDAS CIVIL计算软件建立小型圆形钢板桩围堰空间模型，对两种荷载工况进行计算分析，计算分析结果如下。

对两种荷载工况的计算分析，计算结果如图4～图6所示。从计算结果可以得出，荷载工况2下钢板桩顶部的位移达到最大值，最大水平位移δmax为5.3mm，允许值[δ]为47.2mm，δmax＜[δ]，则钢板桩的刚度满足要求。

在荷载工况1作用下，钢板桩底部的正应力和剪切应力达到最大，最大正应力σmax为73.26MPa，小于其抗弯强度设计值305MPa；最大剪切应力τmax为38.99MPa，小于其抗剪强度设计值175MPa，因此钢板桩的强度满足要求。

5 钢板桩稳定性分析

用公式计算钢板桩参数、地质情况以及围堰外部水压力和主动土压力，根据朗肯土压力理论确定围堰内被动土压力，其中，按水土分算计算砂性土，按水土合算计算黏性土，计算过程如公式（7）～公式（9）所示。稳定性验算荷载工况如图7和图8所示。

kp=tan2（45°+φ/2） （7）

水土分算：pp=kpγh+γwhw （8）

水土合算： （9）

式中：kp为被动土压力系数。

钢板桩的稳定性的计算过程如公式（10）所示。

Ks=Mp/Ma （10）

式中：Ks为抗倾覆安全系数，本工程取1.15；Mp为围堰内部压力对桩底的抗倾覆力矩；Ma为围堰外部压力对桩底的倾覆力矩。

通过计算分析，在两种荷载工况下，抗倾覆安全系数Ks分别为1.36和2.69，从计算结果可以看出，抗倾覆安全系数最小值为1.36，大于其允许值1.15，基坑的稳定性满足规范要求。

6 施工工艺

与矩形围堰相比，圆形钢板桩围堰施工难点在于钢板桩定位，若钢板桩定位无法做好，则钢板桩围堰平面最终可能变成其他异形平面，其受力会更复杂。本工程采取的定位方式：首先，由测量人员在桩基上放出围堰的圆心，在该圆心上立一根钢管，在钢管上套一个圆环，圆环上系一根绳作为定位绳。其次，在上游位置打设第一根钢板桩，并将其作为基准钢板桩，钢板桩的中心至圆心连接一根基准绳。再次，在偏离基准钢板桩45°、135°、225°、315°的位置打设4根导向钢板桩，以便在打设过程中及时纠偏。最后，采用单独打入法依次左右交替，由上游向下游打入钢板桩直至合拢[4]。钢板桩定位和钢板桩监测布点如图9所示。

钢板桩采用吊机带振锤施打。在打桩前，对钢板桩进行逐根检查，剔除连接锁口锈蚀、变形严重的钢板桩，并在锁口内涂抹油脂，以便打入或拔出。钢板桩采用单独打入法，即由上游向下游逐根打入，在导向钢板桩处进行纠偏以缩小累计误差。拔桩采用振动锤拔桩，利用振动锤产生的强迫振动，扰动土质，破坏板桩周围土的黏聚力以克服拔桩阻力，用附加起吊力的作用将桩拔除。

7 围堰顶部水平位移监测

为保障基坑的安全性，在钢板桩围堰施工过程中监测堰顶的水平位移。在圆形围堰上设置8个监测点，对围堰顶位移进行定时监测，监测点布置如图10所示。在钢板桩打入完成后开始监测，立柱施工完成结束。

监测仪器采用卫星定位系统（GPS仪），在钢板桩打入后测得各监测点的初始数值。监测节点包括基坑开挖后、素土封底后、抽排基坑内水后以及立柱施工完成后。基坑开挖、素土封底和抽排基坑内水的施工时间较短，因此在基坑开挖前后、素土封底前后、抽排水前后各观测1次，抽排基坑内水后每天观测3次，直至立柱施工完成。各节点监测结果见表3。

从观测结果可知，围堰顶水平位移实测值因施工误差、施工干扰以及理论假定等原因稍大于理论值，但均在允许值范围内，钢板桩围堰始终处于可控状态。

8 结语

小型圆形钢板桩围堰可不设置围檩及内支撑，这样可以减少基坑内施工干扰，方便施工，缩短施工周期，钢板桩可周转次数多，节约施工成本。从围堰理论分析与监测结果来看，小型圆形钢板桩围堰安全可靠，对给排水检查井等浅基坑施工具有良好的适用性。

参考文献

[1]殷国栋，刘伟，刘开之，等.大型圆形钢板桩围堰施工监控[J].公路，2014（3）：80-83.

[2]李光鑫.海中滩涂区圆形钢板桩围堰的支护与打拔[J].石家庄铁道学院学报，2005（18）：40-42.

[3]陈进楷.海中圆形无内支撑钢板桩围堰施工急速[J].公路，2021（2）：109-113.

[4]罗建华，唐娴.深水基础钢板桩围堰三维仿真验算分析[J].科技导报，2011（12）：62-66.