鋼板樁在國(guó)外某深厚中粗砂層地基船塢工程中的應(yīng)用:石獅鋼板樁施工-鋼板樁支護(hù)施工找閩昊公司
摘要:基于國(guó)外某船塢工程深厚中粗砂地層的工程背景，分析了該工程鋼板樁設(shè)計(jì)計(jì)算中砂的內(nèi)摩擦角和變形模量的選用，并將計(jì)算變形與實(shí)際變形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合該工程總結(jié)了鋼板樁止水帷幕出現(xiàn)的問題和對(duì)策。
1．項(xiàng)目概況
國(guó)外某船塢工程按英國(guó)BS標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，包括大型修船塢4座，多座順岸碼頭、駁岸，臨時(shí)圍堰2座，工程平面布置見圖1。針對(duì)該場(chǎng)地為砂性場(chǎng)地的特點(diǎn)，經(jīng)多方案必選，在碼頭、圍堰、基坑、船塢帷幕中應(yīng)用了各種類型的鋼板樁總計(jì)近4萬(wàn)噸。 ? ?
2．水文和地質(zhì)條件
設(shè)計(jì)高水位: 3.20m,設(shè)計(jì)低水位: 0.0m,流速: 0.8m/s,H1% : 2.3m。
建設(shè)場(chǎng)地原為海域，經(jīng)吹填約30m砂層后形成現(xiàn)有場(chǎng)地。場(chǎng)地地層大體分布:①松散砂層2~10m,標(biāo)貫4~10擊，②中密～密實(shí)砂層20~25m，標(biāo)貫10~40擊，③原有淤泥層0~10m(軟塑)，標(biāo)貫4-6擊，④砂質(zhì)粉土或粉質(zhì)砂土(中密~密實(shí))，標(biāo)貫15~100級(jí)。
3．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):
3.1鋼板樁選型
場(chǎng)地砂層為中粗砂，其滲透系數(shù)經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)為3X10-2cm/s,實(shí)測(cè)基坑透水量表明滲透系數(shù)比這個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)還要大一倍左右，這種場(chǎng)地條件國(guó)內(nèi)外可參考的實(shí)例也很少找到，準(zhǔn)備在如此深厚回填砂場(chǎng)地干施工大型船塢，止水難度大。針對(duì)此砂性場(chǎng)地，設(shè)計(jì)施工排除了地下連續(xù)墻、灌注樁加旋噴、膨潤(rùn)土墻、預(yù)制板樁等方案，選用了鋼板樁作臨時(shí)止水和永久止水。
順、駁岸采用單錨板樁結(jié)構(gòu)型式，主墻和錨碇墻分別采用AZ39-700型和AZ19-700熱軋鋼板樁。船塢塢墻采用管樁樁基扶壁式結(jié)構(gòu)，承臺(tái)下止水帷幕采用AU20型熱軋鋼板樁止水。水域圍堰為雙排板樁錨拉結(jié)構(gòu)，外排以AU23型熱軋板樁止水、內(nèi)排OT25型冷彎板樁擋土。陸域基坑采用多級(jí)放坡型式，在坡頂設(shè)FSP IV型鋼板樁臨時(shí)帷幕。雙排鋼板樁圍堰、臨時(shí)鋼板樁止水帷幕的基坑結(jié)合深井降水等措施，實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)透水性、大厚度的中粗砂地層中開挖、干施工船塢結(jié)構(gòu)，其中泵房處最深約25米。
3.2耐久性設(shè)計(jì):
鋼筋屈服強(qiáng)度為250和460 級(jí)?；炷涟春９そㄖ镆蟛捎肅40等級(jí)，為滿足耐久性要求采用高性能混凝土。
鋼板樁的壁厚應(yīng)按BS標(biāo)準(zhǔn)確定腐蝕量，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)扣除鋼板樁各受力位置的腐蝕量，浪濺區(qū)0.08mm/a ,水下區(qū)0.04 mm/a,泥下區(qū)為0.015mm/a。油漆防腐設(shè)計(jì)按10-15年標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，由于場(chǎng)地地基為砂層，打樁過程中油漆難免被損傷，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不考慮油漆的保護(hù)作用，按50年腐蝕量予以扣除，故在鋼板樁選型時(shí)考慮采用一定的壁厚，以免經(jīng)腐蝕量扣除后斷面測(cè)算不經(jīng)濟(jì)。
3.3結(jié)構(gòu)計(jì)算
根據(jù)本工程設(shè)計(jì)審批要求，順駁岸、圍堰、基坑等擋土墻結(jié)構(gòu)計(jì)算須采用連續(xù)介質(zhì)計(jì)算軟件，當(dāng)?shù)匾话悴捎密浖LAXIS 2D進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，同時(shí)也按強(qiáng)度折減法計(jì)算穩(wěn)定性，一般采用摩爾庫(kù)侖模型，主要由于該模型參數(shù)相對(duì)較少。 按照規(guī)定，一般場(chǎng)地須同時(shí)考慮排水指標(biāo)和不排水指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并取最不利結(jié)果作為設(shè)計(jì)值，鑒于本工程場(chǎng)地為深厚砂質(zhì)場(chǎng)地，一般剖面按排水模式計(jì)算。
3.4巖土參數(shù)確定
由于結(jié)構(gòu)計(jì)算須滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)變形限制等要求，對(duì)本工程而言，主要取決于砂層的內(nèi)摩擦角和變形模量等巖土參數(shù)的選用，由于砂層無法進(jìn)行不干擾取樣，因而無法通過室內(nèi)試驗(yàn)直接取得上述兩項(xiàng)指標(biāo)。
為分析砂層指標(biāo)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)SPT、CPT試驗(yàn)和相關(guān)室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)，范圍為地面以下5m~25m范圍內(nèi)的中密砂層（標(biāo)貫10-30擊），按顆分試驗(yàn)結(jié)果，砂土大體屬于中粗砂偏粗砂，按英標(biāo)體系證明如下:
(1).按照BS8002規(guī)范[2]中砂土內(nèi)摩擦角取值公式取值
Ψ’crit=30+A+B,其中:A:根據(jù)顆分試驗(yàn)決定的參數(shù), ? ? ?B:根據(jù)土的級(jí)配決定的參數(shù),詳見該規(guī)范條文。
(2).按《日本港口工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4] (OCDI) 2002，
Ψ＝25+sqrt(100N/70+PV0)
:SPT標(biāo)貫錘擊數(shù)，Pv0:有效垂直應(yīng)力。
按(1)(2)條計(jì)算結(jié)果見圖5。?
(3).另外巖土勘探公司提供了直接通過CPT得出內(nèi)摩擦角推斷圖。所用公式為靜探設(shè)備（Geomil）設(shè)備手冊(cè)推薦公式）Ψ=arctan(0.105+0.16*ln(qc/σv;z) ,結(jié)果為34.1°～41°。
綜上結(jié)果，綜合選取中等密實(shí)度砂的內(nèi)摩擦角Ψ=34 °。其余砂的指標(biāo)選用為新回填松砂按30°，原有地層松散砂按32°,密實(shí)砂按35°。
3.5砂的變形模量選用:
砂土變形模量直接影響結(jié)構(gòu)的變形，間接影響板樁的選用模量，從某種程度上講影響工程造價(jià)。
按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，對(duì)砂土按排水模式計(jì)算時(shí)，對(duì)土的變形模量E50（割線模量）取值按E50=1700*N (KPa)，N為SPT標(biāo)貫擊數(shù)，按此公式計(jì)算結(jié)果大體符合《基礎(chǔ)工程分析與設(shè)計(jì)》[1]所述模量范圍:
粉砂:5-20MPa，松散砂土:10-25MPa，密實(shí)砂土:
50-81MPa。此公式算得的變形模量轉(zhuǎn)換到測(cè)得CPT錐尖阻力qc,大約為E50= 3.5qc.
設(shè)計(jì)時(shí)按此模量計(jì)算后和按常用的土體彈簧系數(shù)法計(jì)算所得位移相比偏大，故下面將本工程中各典型工程的計(jì)算位移和實(shí)測(cè)位移做了對(duì)比。比較計(jì)算前提是:排除波浪荷載、堆載、系船柱荷載，考慮到位移測(cè)量點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)建成后、前沿尚未開挖時(shí)設(shè)置的，故開挖前的位移也予以清零。部分分項(xiàng)工程的典型測(cè)點(diǎn)的測(cè)算位移與實(shí)測(cè)位移對(duì)比:
從位移情況簡(jiǎn)單對(duì)比看，上述基坑、駁岸中所采用的變形模量與實(shí)際情況相比偏差不大；對(duì)圍堰來說偏差較大，按前述經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)標(biāo)貫對(duì)E50取值，基本能反映實(shí)際情況。分析圍堰位移偏差大的原因，圍堰拉桿以上堰體施工一般與圍堰內(nèi)抽水差不多同步開展，部分影響了位移測(cè)量，實(shí)際的位移偏差比表中的差距可能要小，另一方面圍堰棱體填砂內(nèi)摩擦角取30°也有所偏低。
4．鋼板樁止水帷幕
順駁岸碼頭胸墻由于底標(biāo)高低于平均水位，綁鋼筋和澆混凝土?xí)r水位需要適當(dāng)降低，靠現(xiàn)場(chǎng)的砂土無法止水，胸墻施工期采用單節(jié)FSPIV鋼板樁（約12m）對(duì)單段胸墻范圍進(jìn)行臨時(shí)擋水，由于單段胸墻施工范圍小，加上水泵明排水，能滿足胸墻施工要求。
基坑、圍堰和塢墻板樁施工可謂波瀾起伏，鋼板樁施工量大，工期緊，弱透水層埋深深，深層砂土標(biāo)貫擊數(shù)高，但不止水，弱透水層還在砂層以下，有的部位弱透水層標(biāo)貫擊數(shù)不高，有的位置就是持力層。這樣不是打不動(dòng)就是到弱透水層了，到了弱透水層可能還能往下打，造成透水的密實(shí)砂層易與弱透水層混淆。工程實(shí)施時(shí)大量采用CPTU靜力觸探，結(jié)合鉆孔，確定了弱透水層的設(shè)計(jì)指導(dǎo)標(biāo)高。
基坑工程中板樁深度達(dá)25～30m,陸上分節(jié)施工，部分樁未采用導(dǎo)架導(dǎo)致樁身傾斜影響鎖口，部分位置砂層較密實(shí)，造成不少樁未打到弱透水層。圍堰板樁基本上能打到位，對(duì)另星未打到位處也采用了局部旋噴處理。由于臨時(shí)帷幕板樁在基坑回填后必須拔除，沒有采用旋噴、注漿等手段修補(bǔ)基坑漏水點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采用了膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行灌漿，在一定程度上減少了漏水量。臨時(shí)基坑最終透水量還是較大，在海側(cè)高潮位的情況下1#基坑排水量達(dá)近8萬(wàn)方/天，給排水工作帶來不少麻煩。
分析臨時(shí)帷幕滲水量大的主要原因:(1)部分樁未打到位估計(jì)是透水的最主要的原因,其外部原因包含砂層密實(shí)，部分未采用導(dǎo)架，傾斜引起鎖口出問題等。(2)為拆除考慮，接樁時(shí)僅在腹板位置兩面焊接鋼板接樁，鎖口和翼緣位置不焊接，本身就是個(gè)滲水通道；(3)FSPIV 型樁鎖口較松，有沒有象圍堰樁那樣的張緊過程，另外部分板樁的鎖口間未涂止水材料，即使是現(xiàn)場(chǎng)拌制的簡(jiǎn)易材料，在中粗砂場(chǎng)地對(duì)透水量有一定影響。在后期施工中對(duì)(1)(3)兩點(diǎn)加以注意后，2#基坑帷幕透水量明顯減少。
船塢永久帷幕重要性高于臨時(shí)帷幕，各方也更重視，同時(shí)因在塢底施工，打樁深度小，相對(duì)撓度大，加上在臨時(shí)帷幕上的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采取了事前指導(dǎo)、事后逐根鑒定的方式對(duì)每根鋼板樁的樁底標(biāo)高進(jìn)行把關(guān)，采用單節(jié)樁沉樁，嚴(yán)格進(jìn)行雙層導(dǎo)架施工、鎖口涂止水止水材料，對(duì)按評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)判斷為未打到標(biāo)高的樁全部采用了高壓旋噴灌漿處理，結(jié)果非常滿意，使用期單塢滲水量不大于2000方/天。
5．鋼板樁沉樁對(duì)比
鋼板樁施工主要靠液壓振動(dòng)錘，有5T、7T、10T的振動(dòng)錘按屏風(fēng)法施工。對(duì)比振動(dòng)錘和打管樁用的打樁錘，結(jié)果是到最后是振動(dòng)錘還能勉強(qiáng)打，打樁錘已是打壞樁頭了。本工程僅在局部順岸box板樁最后一段送樁時(shí)采用了打樁錘沉樁，其余位置均采用振動(dòng)錘沉樁。特別是陸上樁用液壓振動(dòng)錘吊打的樁透水一般，反而是自身帶縱向?qū)Ъ艿牡聡?guó)某新型打樁架打的樁打不到位的居多，透水量遠(yuǎn)高于其它地段，估計(jì)是反復(fù)調(diào)直鋼板樁可能對(duì)鎖口有所損傷。
按《大型船塢的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工》[3]中講的經(jīng)驗(yàn)，在砂層中鋼板樁沉樁時(shí)錘擊數(shù)到一定數(shù)據(jù)，鎖口將脫開，就須壓漿處理，在本工程中大都用振動(dòng)錘沉樁，并沒有按此處理，如需按此處理，時(shí)間和費(fèi)用也難以承受。這說明采用大功率的振動(dòng)錘施工勝過比采用打樁錘施工U型鋼板樁。
歐系A(chǔ)celor的AU樁與日系FSPIV樁對(duì)比，施工時(shí)圍堰AU鋼板樁由于樁長(zhǎng)、撓度大、鎖口緊而難打，經(jīng)過采用水沖法輔助，最終鋼板樁基本上能沉樁到位。陸上FSPIV樁由于分節(jié)施工、相對(duì)剛度大、鎖口松而相應(yīng)好打，開挖時(shí)卻是陸上帷幕樁位置大量滲水，圍堰位置很少漏水,這里面有圍堰板樁有變形拉緊的過程而基坑帷幕鋼板樁無此過程。
6．結(jié)論與展望:
（1）. 介紹了本工程中鋼板樁的應(yīng)用,對(duì)砂層地基鋼板樁工程設(shè)計(jì)中既重要又難以確定的巖土參數(shù)－砂的內(nèi)摩擦角和變形模量E50的選用作了分析和探討
（2）. 對(duì)本工程對(duì)砂層地基鋼板樁止水帷幕施工情況做了介紹，分析了在深厚砂層不同板樁、施工機(jī)械、施工方法在止水工程中的出現(xiàn)的問題和改進(jìn)措施。
?。?）. 從本工程實(shí)例看，采用合適的施工工藝，注重施工前后的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)證，在類似本工程的深厚中粗砂場(chǎng)地建成臨時(shí)或永久的鋼板樁止水帷幕是可行的