雙排鋼板樁在東莞市運河節(jié)制閘導流明渠設計中的應用

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簡介： 結(jié)合工程實際，本文首次將雙排拉森鋼板樁作為邊坡支護兼作臨時擋土墻結(jié)構(gòu)，其施工簡便、快捷，能有效防止流砂、流土，抗?jié)B性能優(yōu)異，不失為一種經(jīng)濟合理的邊坡支護措施，在透水地基的邊坡防護中具有一定的參考價值。
關鍵字：拉森鋼板樁；錨定；入土深度；重力式擋土墻 

1、工程概況

東莞市樟村水質(zhì)凈化廠位于運河樟村段，設計日處理能力近期為360萬噸，遠期為460萬噸，現(xiàn)為亞洲最大的污水處理廠，工程總投資約4.3億元，工程已于2002年全面開工建設，近期已竣工投入使用。作為凈化廠配套工程的運河節(jié)制閘，位于廠區(qū)上游，擔負著攔污、引污的任務，節(jié)制閘能否按時竣工投入使用，是凈化廠能否按時投產(chǎn)的關鍵。

節(jié)制閘設于運河樟村段，歷史上實測最大洪峰流量400m³/s，估算施工期（10月-4月）最大流量100 m³/s?？紤]到本工程工期緊，場地狹窄，需全斷面截斷運河進行施工，設計時初擬在節(jié)制閘左岸或右岸布置導流明渠進行施工期導流，實際布置時發(fā)現(xiàn)右岸已有進出水涵、提升泵房、施工道路等設施，在該處布置導流明渠難度很高，且施工干擾也很大，不利于趕工期搶進度，故最終將導流明渠布置于節(jié)制閘左岸灘地，即東江大堤一側(cè)。樞紐布置見圖1。

 考慮到導流明渠設計流量較大，導流時間也較長（實際使用將近半年），設計時明渠右側(cè)采用連續(xù)灌注樁（兼作水閘左岸墻），左側(cè)采用漿砌石擋土墻，砼護底、護面，設計渠長215米，渠凈寬20米，渠底縱坡1/1000。斷面形式如圖2。 

由于多種原因，工程推遲到2002年12月才動工，此時東江、運河水位均較高，在明渠擋土墻基底試開挖時發(fā)現(xiàn)在高程0.00米處有砂夾層，地下水位很高，其地質(zhì)條件與節(jié)制閘早期布孔存在較大差異，開挖過程基坑有流砂、滑坡現(xiàn)象發(fā)生，已危及東江大堤安全，工程被迫中止。

由于導流明渠是節(jié)制閘工程的瓶頸,為盡早開始節(jié)制閘,主體工程的全面開工建設，經(jīng)充分比較分析，嘗試采用雙排鋼板樁代替原設計的漿砌石擋土墻，修改后斷面形式如圖3、圖4。

2、工程地質(zhì)

為摸清擬打鋼板樁位置的基巖出露情況，以便合理選擇樁型、樁長，避免浪費，沿樁軸線補充地質(zhì)鉆探（均為觀察孔），結(jié)果表明，基巖面起伏極大，強風化砂巖巖面高程-3.02~-8.05m，其中75%巖面高程-3.0~-4.0m，巖面以上主要為中細砂層及耕作土層，地質(zhì)條件良好。

3、鋼板樁支護設計

3.1  鋼板樁簡介

鋼板樁是一種較老的基坑支護方式，采用錘擊或振動方法打入帶鎖口的樁體，使之在基坑四周閉合，并保證水平、垂直和抗?jié)B；樁體可作成懸臂式、坑內(nèi)支撐、上部拉錨等支護方式，作為在土方開挖和基礎施工時抵抗樁背的土、水壓力，使之達到基坑內(nèi)外穩(wěn)定；樁的型式有U型、Z型及直腹型等，常用的是U型咬口式(本工程即采用該樁型)。

鋼板樁最初主要應用于工業(yè)與民用建筑的深基坑支護，由于其施工方便快捷、擋土止水效果良好，近期我院已將其應用到多宗水利工程的邊坡支護設計中，取得較好的經(jīng)濟效益。但由于鋼板樁一次性投資大，打拔費用高，施工時有躁音、振動等問題，在經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)、城區(qū)應用受到很大限制。

 日本拉森U型鋼板樁資料

種  類

尺    寸

截面積

重    量

二次力矩

截面模量

W

(mm)

h

(mm)

t

(mm)

每片

(cm²)

每片

(N/m)

每米

(N/m²)

每片

(cm⁴)

每米

(cm⁴/m)

每片

(cm³)

每米

(cm³/m)

YSP-I

400

75

8.0

46.49

365

912

429

3820

66.4

509

YSP U_-5

400

80

7.6

45.21

355

888

454

4220

64.7

527

FSP I A

400

85

8.0

45.21

355

888

598

4500

88.0

529

YSP-Ⅱ

400

100

10.5

61.18

480

1200

986

8690

121

869

FSP-Ⅱ

400

100

10.5

61.18

480

1200

1240

8740

152

874

YSP U_-9

400

110

9.3

55.01

432

1080

1070

9680

120

880

FSP ⅡA

400

120

9.2

55.01

432

1080

1460

10600

160

880

YSP-Ⅲ

400

125

13.0

76.42

600

1500

1920

16400

196

1310

FSP-Ⅲ

400

125

13.0

76.42

600

1500

2220

16800

223

1340

YSP U_-15

400

150

12.2

74.40

584

1460

2700

22800

238

1520

FSP-ⅢA

400

150

13.1

74.40

584

1460

2790

22800

250

1520

YSP-Ⅳ

400

155

15.5

96.99

761

1900

3690

31900

311

2060

FSP-Ⅳ

400

170

15.5

96.99

761

1900

4670

38600

362

2270

YSP U_-23

400

175

14.7

94.21

740

1850

4380

39400

330

2250

FSP-Ⅳ A

400

185

16.1

94.21

740

1850

5300

41600

400

2250

YSP-V

420

175

22.0

134.0

1050

2500

5950

55200

433

3150

FSP-VL

500

200

24.3

133.8

1050

2100

7960

63000

520

3150

FSP-VIL

500

225

27.6

153.0

1200

2400

11400

86000

680

3820

3.2  樁類型選擇

參照振動法施打鋼板樁經(jīng)驗，樁尖能入巖深度僅為10~20cm，按巖面高程-3.0~-4.0m計算，樁身入土深度在2~3m間。經(jīng)估算，懸臂樁入土深度需達6m方能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，故懸臂樁不適合該處地質(zhì)條件，設計時選擇上部有錨固的錨定式板樁。

從邊坡開挖情況、地質(zhì)鉆探結(jié)果分析，堤坡填土較為疏松，若采用常規(guī)樁頂設置鋼錨桿，一方面錨固效果很難保證，另一方面其打孔、灌漿錨固時間長，無法滿足當時趕工期需要，況且其造價也不低。經(jīng)查閱資料，結(jié)合本工程實際情況，確定采用雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)形式作為邊坡支護，其中外排鋼板樁為擋土、防滲、抗沖，內(nèi)排鋼板樁為錨固、防滲，兩者在樁頂采用拉結(jié)結(jié)構(gòu)連成一個整體，形成一個重力式擋土墻。

3.3  結(jié)構(gòu)分析計算

按雙排拉森鋼板樁的受力特點，其結(jié)構(gòu)設計應包括墻體穩(wěn)定分析計算、錨定樁結(jié)構(gòu)分析計算、樁頂拉結(jié)分析計算三大部分內(nèi)容。

3.3.1  墻體穩(wěn)定分析計算

計算簡圖如圖5。

按一般經(jīng)驗，墻后土料C=0，

Φ=30°（折算），γ=19KN/m³，

按破裂角θ=45°+Φ/2=60°

計算的有效擋土高度H=8.0m，

土壓力按朗肯公式計算，則

土壓力

初定雙排鋼板樁間距4.5m(必須保證內(nèi)排樁落在破裂面以外)

則土重G₁=19×4.5×3.6=307.8KN

鋼板樁重G₂=1.46×3.6×2=10.51KN（初選鋼板樁型號FSP-ⅢA，其重量1.46KN/m²）

基底摩擦系數(shù)f=tgΦ=0.577

ΣG=G₁+G₂=307.8+10.51=318.31KN

抗滑穩(wěn)定系數(shù)

滿足規(guī)范要求。

3.3.2  錨定樁結(jié)構(gòu)分析計算

計算簡圖如圖6。

按下端自由支承，上端有錨定拉桿的板樁進行

計算（詳見《支擋結(jié)構(gòu)設計手冊》，過程略）

求得板樁入土深度t=2.5m

錨定桿拉力T=28.65KN/m

板樁最大彎矩M_max=50.33KN.m/m

板樁需要截面模量W_max=M_max／[σ]=347cm³/m

考慮到鋼板樁需打入強風化砂巖，且其防護之東江大堤極為重要，故選用較大截面拉森鋼板樁，型號FSP-IIIA，其W=1520 cm³/m。

由于巖面較高，樁尖僅打至-4.00m高程，此時樁入土深度為2.4m，略為不足，為安全計，設計時將樁外2m范圍護底高程提高1m作為安全儲備。

3.3.3  樁頂拉結(jié)分析計算

設計時為便于調(diào)整雙排鋼板樁預緊度，采用型鋼將樁頂夾緊，再用螺栓拉結(jié)。考慮到鋼板樁單樁寬度400mm，設計拉結(jié)螺栓間距取a=1.6m，

則螺栓拉力Tˊ=1.6×T=45.84KN

采用Φ32圓鋼加工，其允許拉力100.5KN，樁頂型鋼按均布荷載連續(xù)梁計算，其

W_max=M_max/[σ]=46.0cm³

選用兩條∠160×100×10，其W=2×62.13=124.26 cm³

3.4  結(jié)論

按雙排鋼板樁方案施工（振動法打樁），在半個月內(nèi)即完成打樁、樁頂拉結(jié)等所有工作，不但避免高邊坡開挖危及東江大堤安全，而且由于U型咬口式鋼板樁有自止水功能，基本杜絕了基坑滲水、流砂等問題，取得了極好的社會經(jīng)濟效益。工程現(xiàn)已竣工，明渠已填平恢復原狀。

但是，由于振動法施打鋼板樁過程其振動頻率極高，致使可液化土砂層瞬時液化，承載力下降，周邊地面出現(xiàn)輕微裂縫。故建議在打樁完成后，應間隔1~2天，讓液化土砂層恢復原狀后才開始開挖基坑，以策安全。

以上僅為本人在工程實踐中的總結(jié)，錯漏之處請各位同行批評指正。 

參考文獻：

1．陳仲頤，葉書麟    基礎工程學，中國建筑工業(yè)出版社，1993；

2．尉希成            支擋結(jié)構(gòu)設計手冊，中國建筑工業(yè)出版社，1995；

3．余志成，施文華    深基坑支護設計與施工，中國建筑工業(yè)出版社，1999。

作者簡介：林志文(1966-)，男，本科，高級工程師，注冊巖土、咨詢工程師，

東莞市水利勘測設計院總工程師，從事水利水電工程設計、校審工作。

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