基于不同引孔参数及换填土特性的钢板桩围堰性能分析

海大鹏 ，王小强，田为 ，暨仕瑀，吕政

（中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450000；
重庆交通大学，重庆 400000）

在大型基坑的施工中，钢板桩围堰因其适用性较好，施工较为方便并且效果好等特点。在水中深基坑和承台的施工中被广泛运用。然而普通的钢板桩施工方法对于使用条件的要求具有一定的局限性。一般适用于砂类土、半干性粘土、较软的全风化岩层，对于较硬的强、中风化岩层及大粒径卵石层地层，如果直接进行钢板桩的插打，可能会造成因地质较硬造成在插打过程中钢板桩产生过大的变形或者局部的损坏进而使钢板桩的防水性能和受力性能受到一定的影响[2]。为改变此种现象，费志高等[1]提出了在硬质地基中通过打引孔的方式成槽再打入钢板桩的方法。在这种方法中需要确定引孔的直径及深度，还要对打的引孔进行回填，以保证钢板桩的插打顺利和防止过多的水渗入围堰内，工程上一般采用黏土进行回填。因此确定，确定引孔的尺寸参数和回填黏土的力学特性就十分的重要。

致江路岷江大桥位于新建致江路之上，上跨岷江，起点连接嘉定北路方向，终点接S305方向。桥梁起点里程K0+297.480，终点里程 K0+978.060，桥梁全长680.58m。主桥左右分修，单幅桥梁下部结构包含一个中主墩（11号墩），两个边主墩（10号、12号墩），均位于水中。10号墩承台厚4.5m，横向宽19.4m，纵向宽度12.6m，基础为11×φ 2.2m三排钻孔灌注桩。

主桥桥墩位于岷江河内，桥墩所处位置地基土上部局部分布为第四系全新统冲洪积细砂等，向下为第四系全新统冲洪积卵石层，下伏白垩系下统夹关组砂岩，无断层和裂隙密集带通过，无下卧软弱夹层。经地质勘察资料表明：10#墩承台处河床标高为353.3m，下卧卵石层厚约2.5-3.0m，基岩标高为350.8m。钢板桩需插打入岩层，岩层为中风化和微风化砂岩，强度高。基岩裂隙水，下伏基岩风化带裂隙中存在少量基岩裂隙水，其透水性、富水性差。

主桥10#墩钢板桩围堰平面尺寸为45.9×17.1m，基坑开挖深度8.634m，钢板桩长12m。

2.1 填土筑岛施工

筑岛填料为碎石土。水下部分施工采用倾填法，一次性填出水面，采用振动压路机在进行振动碾压，以消除一部分的沉降量，然后分层填筑至设计标高。

2.2 卵石换填

当第一次筑岛超过现状水面标高1m后（▽354m），进行卵石换填施工，用挖机对围堰根部5m宽度范围内挖取卵石。开挖前先根据围堰图纸放出开挖边线，边线确定后，将范围内采用挖掘机配合自卸汽车从高至低逐步往下开挖，开挖后的边坡，做到顺直、无滑坡。开挖时从上游便道处开始向下游挖除施工，一次性开挖至基岩标高，边挖边向下游填筑平台。挖出的卵石随自卸车运出承台范围外。挖除卵石后用碎石土进行换填。换填完成后再进行第二次筑岛施工将平台填筑至标高▽358m。

2.3 旋挖钻引孔

平台填筑完成后采用旋挖钻成槽，桩与桩之间相互咬合排列，桩径250㎝，相互咬合长度125㎝。施工顺序：先施工A序桩，再施工B序桩，需切割A序桩部分而形成咬合结构。由于施工筑岛平台土质较软，且浸水，易踏孔，为保证施工工期及质量，旋挖成孔时，先下长7.5m，直径3.1m的大护筒进行土体支护，小护筒直径2.7m随旋挖取土深度持续跟进到岩层顶部。桩的施工要严格按照单桩施工工艺流程作业，确保垂直精度满足钢板桩施工要求。

2.4 黏土回填

连续成孔5-10根后，采用外运的优质黏土逐段进行成型孔进行回填，黏土各项性能指标符合土力学规范要求，分1-2m一层进行回填，并采用长臂挖机进行辅助夯实，回填时，确保不触碰孔顶周边松散土体，严禁混入不合格土体。

2.5 插打钢板桩

钢板桩施工必须遵守常规的“插桩正直，分散即纠，调整合龙”的控制原则，从上游开始由两侧向下游处合龙。钢板桩围堰的插打采用90t振动锤进行插打施工。正式插打施工时，先对插打位置进行放样定位，钢板桩插打施工时，根据放样位置逐一进行插打施工，确保插打位置准确，深度满足要求。当钢板桩插打施工仅剩最后几根合拢时，需先插后打，并对钢板桩位置进行调整及矫正，确保围堰顺利合拢。

图1 旋挖引孔施工顺序图

图2 引孔成槽平面示意图

2.6 围堰内开挖、支护

基坑竖向分层开挖，并遵循先支撑、后开挖的原则，圈梁及内支撑安装与基坑施工紧密结合。

围堰内采用挖掘机进行围堰内土方清理，挖掘机配破碎头进行石方破除，栈桥侧设置长臂挖机、汽车吊配合施工，清除的弃渣运至弃渣场集中堆放。

应按支护结构设计的施工支护顺序和开挖深度分层开挖，即每挖到一个内支撑标高，必须待该层圈梁及内支撑安装就位，检查无误后，方可向下开挖。整个钢板桩施工过程可分为5个施工工况。具体为：

①基坑开挖至+355.42标高，安装第一道内支撑；

②基坑开挖至+352.42标高，安装第二道内支撑；

③基坑开挖至+349.92标高，安装第三道内支撑；

④基坑开挖至+348.366标高；

⑤浇筑封底混凝土，拆除第三道内支撑，浇筑承台。

其示意图如图3。

图3 各工况示意图

3.1 有限元模型介绍

3.2 计算分析结果

为探讨在引孔大小对围堰结构受力和稳定性的影响。建立模型1～3：

①引孔直径2m，深度12m；

②引孔直径2.5m，深度12m；

③引孔直径3m，深度12m。

选用较小的引孔直径可以减少钢板桩的位移，其减少量约为10%左右且随直径的增加而递减，因此在施工中，若需要控制钢板桩围堰位移可采用减小引孔直径的办法，但同时也要注意引孔过小可能会影响施工质量。在围堰内基坑开挖深度较浅时，引孔的大小对于钢板桩应力几乎没有改变。在围堰内基坑开挖深度较深时，较小的引孔直径可以明显地改善钢板桩的最大应力。在围堰内基坑开挖深度较浅时，引孔的大小对于内支撑应力几乎没有改变。在围堰内基坑开挖深度较深时，较小的引孔直径可以在一定程度上改善内支撑的最大应力。

为探讨在引孔深度对围堰结构受力和稳定性的影响。建立模型4～8：

④引孔直径2.5m，深度12m；

⑤引孔直径2.5m，深度12.5m；

⑥引孔直径2.5m，深度13m；

⑦引孔直径2.5m，深度13.5m；

⑧引孔直径2.5m，深度14m。

选用较深的引孔深度可以减少钢板桩的位移，其减少量较小，变化不明显，因此在施工中，控制钢板桩围堰位移如果采用减小引孔深度的办法，是不经济的。对于引孔深度在12.5～14m来说，总体来说引孔深度越深应力越小，但变化几乎可以忽略。而对于引孔深度为12m的来说，很大程度上是因为，钢板桩深度与引孔深度相同，故导致钢板桩底部受到基岩更强的约束，其他模型由于引孔深度大于钢板桩深度，所以钢板桩底部没有与基岩直径接触，约束较弱，释放了一部分位移，故应力较小。在围堰内基坑开挖深度较浅时，引孔的深度对于内支撑应力几乎没有改变。在围堰内基坑开挖深度较深时，较深的引孔可以有效地改善内支撑在工况4的最大应力。

为探讨在回填黏土的力学特性（主要为粘聚力c、摩擦角φ）对围堰结构受力和稳定性的影响。建立模型9～13：

⑨c=25kPa，φ=15°；

⑩c=25kPa，φ=20°；

⑪c=25kPa，φ=25°；

⑫c=20kPa，φ=20°；

⑬c=30kPa，φ=20°。

采用不同摩擦角的回填黏土，对于钢板桩最大位移、应力、内支撑最大应力几乎没有影响。

采用较大粘聚力的回填黏土能够有效地减少钢板桩的位移，其减少量约为14%且随粘聚力的增加而递减，因此在施工中，若需要控制钢板桩围堰位移可选用粘聚力较大的回填黏土。采用较大粘聚力的回填黏土能够有效地减少钢板桩的最大应力，其减少量随粘聚力的增加而递减。采用较大粘聚力的回填黏土能一定程度上减少内支撑的最大应力，提高稳定性，但减小幅度约为6%，减小的程度不明显。

本文以致江路岷江大桥10#墩基础施工为例，探究了深水卵石层地基中钢板桩引孔施工中引孔参数与回填土特性对钢板桩及内支撑受力的影响，得出以下结论。

①钢板桩在各工况的最大位移随引孔直径的减小而减小，减小的幅度递减；
钢板桩各工况最大应力与内支撑的最大应力随引孔直径的减小而减小，减小的幅度基本不变。

②由于钢板桩的深度固定，所以引孔的深度可以明显地改变钢板桩底部的约束条件。经计算，较深的引孔深度可以减小钢板桩最大位移和最大应力，但位移的减小量很少，钢板桩应力当引孔深度从12m～12.5m时减小量较大。内支撑最大应力也随引孔深度增加而减小，但减少幅度也很有限。

③对于不同特性的回填土，经计算可知，改变回填土的摩擦角φ对于钢板桩位移、应力、内支撑应力均影响较小，可以忽略不计。而改变回填土的粘聚力c时，钢板桩最大位移和最大应力会随c的增大而明显减小，内支撑的应力也会有一定的减小，但减小的程度不明显。