水利工程中鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

羅 建

（重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶400020）

1 鋼板樁圍堰工藝簡(jiǎn)介

鋼板樁實(shí)質(zhì)上就是一種帶鎖的型鋼。 按照橫截面有U形樁、Z形樁和直線形樁（如圖1）［1］。 尺寸與聯(lián)鎖的形式也各不相同。 鋼板樁圍堰由于防水特性優(yōu)秀、防滲能力強(qiáng)、施工速度快，操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)性廣，已在水利圍堰施工中廣為采用。 在一般樁基礎(chǔ)工程的基坑施工中， 淺型基坑采用矩形和木制導(dǎo)向框架，深基坑則采用圓形和截面鋼。 適合應(yīng)用鋼板樁圍堰的環(huán)境是水深4m以下、河床為砂或礫石土、半干型土且厚度較大。 鋼板樁圍堰作為止水擋土結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于淺水地基工程、黏土、風(fēng)化地層等基礎(chǔ)工程中［2］。

圖1 鋼板樁類(lèi)型

2 不同鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算

2.1 懸臂式鋼板樁計(jì)算

懸臂式鋼板樁沒(méi)有任何支撐，主要依靠入土深度來(lái)穩(wěn)定樁身，通常用于支護(hù)深度較小的建設(shè)工程［3］。懸臂式鋼板樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算主要包括入土深度和最大彎矩的計(jì)算，通常按以下步驟進(jìn)行，如圖2。

圖2 懸臂式鋼板樁受力分析

（1）假設(shè)凈主動(dòng)土（acd）對(duì)鋼板樁的矢量力為Ea，凈被動(dòng)土（def） 對(duì)鋼板樁的矢量力為Ep，同時(shí)對(duì)e點(diǎn)取力矩，距離分別為Ha和Hp，要求抵抗力矩是傾覆力矩的2倍，初步計(jì)算出鋼板樁的入土深度t1。

（2） 規(guī)定鋼板樁實(shí)際入土深度t在試算深度t1基礎(chǔ)上增加15%，確保樁基穩(wěn)定。

（3）當(dāng)鋼板樁入土深度為t2時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)設(shè)為g點(diǎn)，在g點(diǎn)的凈主動(dòng)土壓力等于凈被動(dòng)土壓力。

（4）最大彎矩即為g點(diǎn)處凈主動(dòng)土與凈被動(dòng)土力矩之差。

2.2 單撐（單錨）鋼板樁計(jì)算

假定上端為簡(jiǎn)支，下端為自由支承，如圖3。

圖3 土壓力分布

鋼板樁分別受凈主動(dòng)土壓力Ea、凈被動(dòng)土壓力Ep和支撐反力Ra， 鋼板樁平衡時(shí)3個(gè)力對(duì)a點(diǎn)的合力矩為0，即ΣMa=0。

再由Σx=0，即可求得a點(diǎn)的支撐反力Ra

根據(jù)求得的入土深度t和支撐反力Ra， 可計(jì)算并繪出鋼板樁的內(nèi)力圖，依此求得剪力為零的點(diǎn)，該點(diǎn)截面處的彎矩即為板樁最大彎矩Mmax，據(jù)此最大彎矩和鋼板樁材料的允許應(yīng)力選擇板樁的截面。

2.3 多撐（多錨）式鋼板樁計(jì)算

2.3.1 支撐（錨桿）的布置

等彎矩布置可將支撐布置成使板樁各跨度的最大彎矩相等，使鋼板樁的抗彎強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，同時(shí)也可以節(jié)省鋼板樁材料的使用［3］，具體步驟為：

選取合適型號(hào)的鋼板樁，計(jì)算其截面模量W。

計(jì)算鋼板板樁懸臂部分最大跨度h。

式中 f為鋼板樁抗彎強(qiáng)度；γ為土的重度；Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)。

計(jì)算鋼板樁下部各層支撐支撐的間距， 把每跨度看作兩端固定， 計(jì)算各支點(diǎn)最大彎矩都等于Mmax、Mmin時(shí)各跨的跨度，計(jì)算值如圖4。

圖4 支撐等彎矩布置

2.3.2 入土深度計(jì)算

（1）繪制鋼板樁壓力分布，如圖5（a）。

（2）在鋼板樁處存在一點(diǎn)，這點(diǎn)的凈主動(dòng)土壓力等于凈被動(dòng)土壓力，計(jì)算距開(kāi)挖面的距離y值。

（3）假設(shè)af為多跨連續(xù)梁，按力矩分配原則計(jì)算各跨中和支點(diǎn)的彎矩，得出最大彎矩Mmax，從而可驗(yàn)算鋼板樁的截面，求出各支點(diǎn)的反力（Rb，Rc，Rd，Rf）。

圖5 多支撐板樁計(jì)算圖

（4）Rf和墻前被動(dòng)土壓力對(duì)點(diǎn)O的力矩相等，從而可求得x值，而

所以鋼板樁入土深度為：

3 鋼板樁圍堰施工

3.1 鋼板樁圍堰的施工準(zhǔn)備

（1）對(duì)鋼板樁進(jìn)行規(guī)范分類(lèi)，以保證鋼板樁井然有序，例如在購(gòu)買(mǎi)和生產(chǎn)鋼板樁時(shí)，企業(yè)應(yīng)對(duì)鋼板樁按規(guī)范進(jìn)行的類(lèi)型和生產(chǎn)質(zhì)量的驗(yàn)收， 以確保其滿足施工需求，經(jīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)后，技術(shù)人員對(duì)驗(yàn)收合格的產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi)、 對(duì)不合格的產(chǎn)品進(jìn)行返工或返廠處理。

（2）對(duì)鋼板樁的鎖固進(jìn)行認(rèn)真驗(yàn)算。檢定人員在對(duì)鋼板樁進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候， 要嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)范要求和操作流程進(jìn)行，一板一眼，不余漏洞，同時(shí)按照相應(yīng)制度對(duì)鋼板樁各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)督， 以保證鋼板樁可滿足施工要求。除此之外，還要對(duì)鋼板樁的鎖口進(jìn)行重點(diǎn)檢查，對(duì)不符合要求或變形的，維修人員將其與合格鋼板樁分開(kāi)放置。 這些不合格鋼板樁可通過(guò)焊接進(jìn)行處理。

（3） 在鋼板樁使用過(guò)程中， 處于施工工藝的要求，有些鋼板樁可能不符合實(shí)際施工需要，這里的使用需求只是指鋼板樁外形尺寸的要求， 這時(shí)的處理方法是將鋼板樁有效對(duì)接， 確保其整體尺寸可滿足工藝要求。

（4）在圍堰施工過(guò)程中，要預(yù)先6處板樁孔洞，以保護(hù)板樁，避免在施工過(guò)程中受力過(guò)大而變形。此外鋼板樁還要采用其他措施提高性能， 例如采用舊棉絮和石灰對(duì)鋼板樁進(jìn)行封堵， 用以提升鋼板樁的防滲水平。

3.2 鋼板樁圍堰施工技術(shù)

鋼板樁圍堰施工工藝主要包括插打鋼板樁、圍堰內(nèi)清基、混凝土封底、設(shè)置內(nèi)支撐等工序［4］。 具體工藝流程如圖6。

圖6 鋼板樁圍堰施工工藝

3.3 鋼板樁的拔除

3.3.1 鋼板樁拔出時(shí)阻力計(jì)算假設(shè)拔樁阻力為F，則：

式中 FE為鋼板樁對(duì)土體的吸附力；FS為鋼板樁的斷面阻力。

鋼板樁與土體的吸附力計(jì)算：

式中 f1，f2，…，fe為鋼板樁在不同層的吸附力：

式中 U為鋼板樁周長(zhǎng)；L為鋼板樁在各層土中的長(zhǎng)度；τ為各層土體中靜吸附力或動(dòng)吸附力。

靜吸附力FE也按式（10）計(jì)算：

式中 S為鋼板樁對(duì)土體平均靜吸附（kN/m2）；△Hi為鋼板樁所在各層土體厚度（m）；Ci為鋼板樁所在土層的黏著力（kN/m2）；qi為鋼板樁所在土層中心點(diǎn)上的壓力（kN/m2）；φi為鋼板樁所在土層的內(nèi)摩擦角（°）；K為土壓力系數(shù)。 一般情況下，φi取土層抗剪內(nèi)摩擦角的2/3～3/4，K為0.3～0.5。

3.3.2 拔樁方法［5］

3.3.2.1 靜力拔樁

優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單只需要卷?yè)P(yáng)機(jī)或千斤頂， 成本較低；缺點(diǎn)是作業(yè)效率較低，有時(shí)不能將樁身拔出。

3.3.2.2 振動(dòng)拔樁

通過(guò)相關(guān)機(jī)械震動(dòng)，帶動(dòng)鋼板樁一起震動(dòng)，在這震動(dòng)過(guò)程中將鋼板樁拔出， 由于震動(dòng)作用減少了樁身阻力，從而提高了拔樁的成功率。

3.3.2.3 沖擊拔樁

利用蒸汽和空氣大氣壓為原動(dòng)力， 結(jié)合打樁機(jī)的原理，使得鋼板樁收到向上的打擊力，與此同時(shí)運(yùn)用卷場(chǎng)機(jī)將樁身拔出。

3.3.2.4 液壓拔樁

這種拔樁方法與液壓靜力沉樁相反， 以相鄰樁身作為支撐獲取拔樁力； 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是施工速度慢。

4 鋼板樁施工中常見(jiàn)的問(wèn)題及處理方法

（1）當(dāng)鋼板樁位置遇到土層內(nèi)有大石塊無(wú)法進(jìn)一步深入時(shí)，可使用角樁或彎樁繞過(guò)石塊等障礙。

（2）鋼板樁在淤泥中擠壓頂進(jìn)過(guò)程中，鋼板樁受不同側(cè)向擠壓力影響， 如砂礫或淤泥中未知的障礙物等，易發(fā)生變形。 通過(guò)以下方法矯正：將鋼板樁從偏離位置向上拉1～2m，然后將其錘擊，使其可上下往復(fù)幾次，使大石塊和其他未知障礙可以解決。

（3）鋼板樁偏離垂直位置過(guò)大時(shí)，通常使用異形樁來(lái)糾正偏差。異形樁的形狀上寬下窄，其寬度與標(biāo)準(zhǔn)寬度不同。根據(jù)實(shí)際傾角可焊接異形樁，斜率也可用倒樁和錘打樁來(lái)矯正。

（4）由于粉土地基較軟，有時(shí)會(huì)將相鄰的樁引帶過(guò)來(lái)，應(yīng)采取的措施是將相鄰的樁焊接在一起，并在鋼板樁的連接閘板上涂上潤(rùn)滑脂和其他潤(rùn)滑劑，以減小阻力。

（5）鋼板樁滲漏的防治措施：鎖口是發(fā)生滲漏概率最大的位置， 因此技術(shù)人員要注意對(duì)鎖口位置的檢查。施工開(kāi)始之前要按規(guī)定進(jìn)行防滲實(shí)驗(yàn)。檢查鋼板樁鎖扣位置的鎖緊度。 施工完成后發(fā)生漏漿現(xiàn)象一般是鎖口過(guò)緊或過(guò)松， 開(kāi)工前在鎖口位置要涂抹上黃油，施工進(jìn)程中要把握好樁身垂直度，避免鎖口受到損壞。 抽完水后，發(fā)現(xiàn)鋼板樁的鎖漏水，但不太嚴(yán)重時(shí)，可用碎棉或黏土填塞漏水位置。

5 結(jié)語(yǔ)

挑選建筑材料時(shí)的選擇標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)用價(jià)值、 使用功能、外觀造型3個(gè)方面，鋼板樁滿足上述要求，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，防水性能好，所以鋼板樁在建筑領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。 整個(gè)建筑行業(yè)各種情況均有涉獵，無(wú)論是民用工程、水利工程甚至地鐵行業(yè)均有其位置。鋼板樁圍堰是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的施工工藝，其工作環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣， 任何一處細(xì)節(jié)疏忽均會(huì)影響整體，這就要求在施工之前認(rèn)真學(xué)習(xí)掌握各個(gè)環(huán)節(jié)，尤其是有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算的環(huán)節(jié)更要確保其準(zhǔn)確性， 這樣才能確保工程質(zhì)量。