从设计、施工浅谈钢板桩在支护工程中的应用（三）

                                           从设计、施工浅谈钢板桩在支护工程中的应用

       刘亮亮

         (江苏顺达工程科技有限公司)    2013年

摘要：随着钢板桩在建筑、市政、铁路、港口、码头等基础工程中的应用越来越广,本文作者结合工程实例从设计、施工角度阐述了其对钢板桩在支护工程中应用的一些体会、心得。

钢板桩是一种带锁口的型钢板桩，可以利用振动锤或植桩机将其压入地下构成连续的板墙，作为基坑施工的支护结构。钢板桩支护结构通常由钢板桩和必要的支撑或拉锚体系组成,以抵抗外侧荷载。因钢板桩结构质量轻、强度高、锁口紧密、水密性好、施工方便、施工速度快等优点，近年来在国家基础建设、城市建设的快速发展下，钢板桩在基础工程支护施工中也得到了广泛应用。

本文结合我公司近年来钢板桩支护工程实例，从设计、施工角度对钢板桩在支护工程中的应用谈一些体会、心得。 

2 钢板桩支护结构的设计

钢板桩支护结构的设计主要包括结构设计计算、钢板桩型号及内支撑材料的选择、施工工艺的确定等。

2.1钢板桩支护结构的计算

2.1.1计算荷载的选取

岸上钢板桩支护结构所受荷载主要为土压力，水压力、基坑外侧施工车辆作用及材料、机具堆放引起的附加力;水中钢板桩支护结构所受荷载主要为土压力、水压力、水流力、波浪力。对于任何结构计算而言,荷载的选取极其重要，过于保守的取值会造成结构设计复杂、材料浪费以致增加施工成本;然而荷载取值考虑不周全又会造成结构不安全，因此合理的荷载取值是支护结构安全、合理进行设计计算的前提。

(1)土压力、水压力  

基坑工程中,要准确模拟、计算支护结构实际所受土压力、水压力极其复杂,目前针对这方面的研究成果也比较多，但是绝大多数并没有得到广泛的应用。支护结构在施工过程中所受的实际土压力、水压力受诸多因素的影响，计算时通常参考现有研究理论及根据实际施工情况进行调整。土体力学特征值的取值可以参考施工场地地质报告(建筑工程在施工前均会进行详细的、针对性的地质勘探并提供设计方、施工方详细的分析报告，而在一些铁路、公路工程中,由于工程线路较长,待施工的基坑位置并不一定有地质勘查点，对于较大型基坑建议施工前对这些位置进行补勘)。目前土压力的计算主要采用库仑土压力法和朗肯土压力法，水压力的计算直接采用静水压力公式。在分析采用水土分算还是合算时，目前一般笼统概括为粘土和粉土采用水土合算,砂土、卵石层采用水土分算。这种计算方法在许多工程实例中也被证实是合适的，笔者认为在不存在渗流的情况下粘土和粉土采用水土合算是合适的，但是在存在渗流的情况下，这种计算方法并不能真实的反应实际情况。渗流会对土体强度、土体自重应力产生较大的影响，所以在分析采用水土分算还是合算时,应根据地质报告及现场实际施工工序情况，对施工中可能存在渗流现象的不管是何种土层，均应采用水土分算法。

(2)水流力、波浪力

水中钢板桩支护结构除了受到静水压力外，一些环境下的结构还会受到水流力、波浪力的作用。

在没有潮汛作用的情况下，对于最大流速小于2m/s的支护结构，笔者认为水流力对整个支护结构的影响不大，甚至可以在计算时不予考虑。但是对于受到潮汛作用的支护结构，应对整个结构取一般施工水位、最高水位及最低水位(最高、最低峰值水位根据基坑施工、使用周期、安全性要求考虑取 25 年一遇、50年一遇进行取值)分别进行计算,并根据结构实际受水流力作用的位置进行整个基坑的稳定性验算。

对于需要计算波浪力的支护结构，设计波浪的重现期可取25年一遇。由于波峰作用时，钢板桩支护结构受到波压力作用;而波谷作用时,钢板桩支护结构受到波吸力的作用。计算时应根据可能出现的不同工况按最不利组合进行计算。

水流力、波浪力的计算方法可以根据各行业相关设计规范中的计算公式进行。

(3)基坑外侧的附加力 

基坑外侧的附加力主要指岸上基坑施工中外侧施工车辆及材料、机具堆放引起的,有些作用荷载对支护结构的计算影响较大，所以在设计计算时应根据拟施工情况进行考虑并且在施工过程中对基坑外施工车辆的站位、行车位置及机具材料的堆放位置进行限制,不允许出现超出设计考虑荷载的情况。

         2.1.2钢板桩支护结构的计算

钢板桩支护结构的计算方法很多，主要包括经典计算法(如静力平衡法、等值梁法),弹性地基梁法。静力平衡法、等值梁法均不考虑墙体及支撑变形，将用经典的土压力理论计算的土压力作为外力施加在钢板桩支护结构上，然后通过求解水平方向合力及支撑点弯矩为零的方程求得结构内力和支撑反力,再将支撑反力加载到内支撑结构上。弹性地基梁法则是基于支护结构与周围土体的变形协调一致的实际情况，将支护结构作为支撑在一系列弹性支座上的梁来求解支护桩的变形与支撑反力，然后求解最大弯矩及其位置，再将支撑反力加载到内支撑结构上。以上不管何种计算方法均是假设取单元宽度钢板桩结构作为梁单元，在求得梁单元自身的内力和反力后，再将反力加载到内支撑系统上去。

目前这两种计算方法运用均较普遍，但是通过计算我们也可知两种方法计算结果差距较大，因此在面对设计工程时采用何种计算方法是设计人员的疑虑。笔者认为针对悬臂式钢板桩支护结构、单支撑钢板桩结构可以采用经典法计算;采用“边开挖边支撑”法施工的多支撑式钢板桩支护结构可以采用弹性地基梁法计算。

当然目前市面上，还有不少关于基坑支撑设计的应用软件，针对上述三种钢板桩支护结构均可以进行模拟计算。但是遇到一些特殊施工工艺的支护结构,上述两种计算方法在计算中均存在较大缺陷。例如我公司多次在水中钢板桩支护结构施工采用的“先形成支撑后挖土”“水下吸泥后浇筑封底混凝土”、“施工中多次抽水、注水”的工艺，在采用上述两种计算方法时均不能较好的模拟实际施工工况，根据我公司对采用上述工艺施工的钢板桩支护结构的应力、变形监控反应实测结果跟计算结构相差较大经过不断分析、总结及实际工程的检验，我们认为采用有限元软件对整个钢板桩支护结构进行三维建模，根据施工工序进行施工阶段的模拟更能反映实际的施工工况。