上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002
鋼板樁圍堰常用于港口碼頭、電廠取排水、造船廠等大型工程中。這些工程一般位于海陸結(jié)合區(qū)域,地質(zhì)條件較為復(fù)雜,基巖面常常由陸域向海域延伸,并且高低起伏不一。尤其在近岸處基巖面埋藏較淺,而鋼板樁一般不易入巖,且入土深度淺,導(dǎo)致插入比過(guò)小,使鋼板樁圍堰在淺基巖區(qū)域成為一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。在圍堰基坑內(nèi)進(jìn)行開(kāi)挖時(shí),被動(dòng)土壓力減少,加之海域潮汐、波浪等周期性作用,都會(huì)影響到整個(gè)圍堰的安全。根據(jù)對(duì)鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件、潮汐風(fēng)浪的研究,借鑒了常用于邊坡、滑坡治理的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁[1-4],對(duì)鋼板樁圍堰淺基巖段進(jìn)行加固。
本圍堰采用雙排鋼板樁,外形呈喇叭口狀,圍堰寬10 m,周長(zhǎng)535.4 m。鋼板樁采用拉森WRU26型,外排鋼板樁頂標(biāo)高為+6.0 m,內(nèi)排+3.0 m,設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高-22.5 m或至基巖。圍堰形成后在內(nèi)側(cè)施工水泥土攪拌樁,形成圍堰基坑的圍護(hù)體系,后續(xù)進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圍堰西側(cè)為岸邊,東向海域方向延伸約160 m。西側(cè)基巖區(qū)向東逐步過(guò)渡到海域,海域地貌為海涂灘地,灘地表面地形較為平坦,絕對(duì)高程在-0.5~-1.0 m。海域地層分布主要為①3層流泥、②層淤泥、③層黏土等,強(qiáng)度較低,其下為基巖。鋼板樁插入深度范圍內(nèi)土層主要為軟土性的淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土等。
本工程區(qū)域潮汐系東海潮波,每日2次漲落,屬正規(guī)半日潮流性質(zhì)。工程處設(shè)計(jì)潮位采用三門健跳潮位站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)值,20年一遇設(shè)計(jì)高潮位為4.79 m,20年一遇設(shè)計(jì)低潮位為-3.62 m。工程區(qū)前沿海域具有風(fēng)吹浪起、風(fēng)停浪息和隨季節(jié)變化的波浪特征。
根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及打樁記錄,圍堰南側(cè)基巖面比原設(shè)計(jì)抬高較多,整個(gè)南側(cè)區(qū)域外排鋼板樁樁底標(biāo)高在-5~ -10 m,內(nèi)排鋼板樁樁底標(biāo)高在-9~-13 m,較原設(shè)計(jì)的基巖底標(biāo)高抬高8 m左右。結(jié)合地質(zhì)資料,從內(nèi)、外排鋼板樁樁底標(biāo)高來(lái)看,圍堰南側(cè)部分的基巖面整體傾向基坑內(nèi)(圖1)。
圖1 圍堰南側(cè)鋼板樁樁底情況示意
結(jié)構(gòu)施工階段,在圍堰基坑內(nèi),該處最大挖深將達(dá)到-7.2 m,而高潮位期間,最大潮位將達(dá)到+3.5 m以上,從圍堰整體分析,將圍堰主體模擬成重力壩,基底面向基坑內(nèi)傾斜,最大達(dá)29.3°,圍堰間土層主要為淤泥,下覆直接是基巖,圍堰的滑移可能性非常大。高潮位期間,圍堰內(nèi)外的高差為10.8 m,加上風(fēng)浪的影響,主動(dòng)水土壓力較大,而圍堰內(nèi)側(cè)僅有寬不到4 m的深攪樁作為支護(hù),坑底距鋼板樁根腳最小距離僅2.5 m,圍堰亦有整體傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)計(jì)算復(fù)核,一旦開(kāi)挖至坑底,圍堰將有滑移及整體傾覆的危險(xiǎn),必須采取措施才能進(jìn)行開(kāi)挖。
受現(xiàn)場(chǎng)條件制約,圍堰寬度逾100 m,采取對(duì)撐的方式既不經(jīng)濟(jì)也不合理;整個(gè)基坑內(nèi)土層均為軟弱土,斜支撐也無(wú)固定支點(diǎn),因此直接增加支撐的方式行不通;增加深攪樁加固的寬度可以提高被動(dòng)區(qū)的土壓力,使圍堰基坑穩(wěn)定,但受永久結(jié)構(gòu)邊線限制,無(wú)法再增加深攪樁加固的寬度。
考慮到該處的基巖面較淺,可采用沖孔樁進(jìn)行處理。增加沖孔樁后,一方面相當(dāng)于增加了抗滑樁,限制了鋼板樁根腳的滑移,同時(shí)利用沖孔樁自身的剛度,也可防止圍堰傾覆。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5,6],一般抗滑樁需嵌入下部固定端1/3樁長(zhǎng)左右,根據(jù)相關(guān)驗(yàn)算,此處需嵌入基巖6 m以上,且樁身直徑及配筋率較大,費(fèi)用較高,且對(duì)已完成的深攪樁擋墻將造成大范圍破壞。
綜合上述分析,利用原有深攪樁及圍堰自身的抗力,通過(guò)采取在圍堰內(nèi)側(cè)進(jìn)行拉錨的措施可解決圍堰基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性問(wèn)題,同時(shí)應(yīng)考慮圍堰整體在根腳處滑動(dòng)的可能性。圍堰基巖淺區(qū)域的基巖地形外高內(nèi)低,正有利于設(shè)置錨索。錨索在施工時(shí),對(duì)原圍堰的整體穩(wěn)定性影響很小,不會(huì)對(duì)圍堰芯土造成大范圍擾動(dòng)。在圍堰根腳處設(shè)置抗滑樁,防止由于基巖面內(nèi)傾造成的滑移,從而確保圍堰的安全。
在內(nèi)側(cè)鋼板樁,水平間距1.3 m設(shè)置錨索,內(nèi)錨固端頭進(jìn)入微風(fēng)化巖層6 m,另一端設(shè)置在鋼筋混凝土連系梁上。同時(shí)為了防止內(nèi)側(cè)鋼板樁根腳的滑動(dòng),在靠近內(nèi)側(cè)鋼板樁根腳的位置采用阿特拉斯鉆機(jī)引孔,設(shè)置抗滑短樁,采用φ108 mm鋼管,入巖1 m以上,然后設(shè)置高壓旋噴樁,使內(nèi)側(cè)鋼板樁與深攪樁擋土墻貼合緊密,保證受力的整體性。
根據(jù)實(shí)際基巖面,為了保證錨索可以從外側(cè)鋼板樁底穿過(guò),錨索的傾角一般控制在40°~50°之間,盡管錨索的角度較大,水平分力損失較多,但增加了錨索的垂直分力,使鋼板樁根腳更加穩(wěn)定。
根據(jù)打樁時(shí)獲取的基巖面的埋深,主要驗(yàn)算如圖2所示的2個(gè)剖面,分別為鋼板樁插入深度最淺的斷面和基巖面傾斜角度最大的斷面。
圖2 計(jì)算斷面示意
為簡(jiǎn)化計(jì)算,視錨索與鋼板樁的錨固點(diǎn)固定不動(dòng),錨索的拉力為已知[7]。計(jì)算分2步進(jìn)行,首先將雙排鋼板樁圍堰及內(nèi)部的芯土、拉桿圍檁系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行驗(yàn)算,即將圍堰主體模擬成重力壩,水土壓力根據(jù)土性采用水土合算;然后將雙排鋼板樁分開(kāi),以內(nèi)排鋼板樁及錨索抗滑樁作為支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。
首先視圍堰為一整體重力壩,依據(jù)浙江省《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》,以鋼板樁插入深度最淺斷面(1-1剖面)為例,建立如圖3所示的模型,根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果,該驗(yàn)算圍堰的抗傾覆穩(wěn)定性和抗滑移穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。
上述驗(yàn)算將圍堰斷面作為一個(gè)整體考慮,為安全起見(jiàn),將內(nèi)、外排鋼板樁分離,以內(nèi)排鋼板樁、錨索抗滑樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu),驗(yàn)算圍堰的抗傾覆能力。取基巖面較淺的1-1剖面,根據(jù)規(guī)范要求,以新增錨索以下部分土壓力進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算,建立如圖4所示的計(jì)算模型,根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果,滿足安全要求。
圖3 剖面驗(yàn)算模型一
圖4 剖面驗(yàn)算模型二
選擇基巖面最淺的區(qū)域作為分析對(duì)象,該區(qū)域基坑開(kāi)挖深度為-6.7 m,各施工階段具體為:2012年3月15日開(kāi)始開(kāi)挖,當(dāng)日挖至坑底;3月19日澆筑底板完成;3月28日澆筑上部結(jié)構(gòu)。
由基坑開(kāi)挖過(guò)程中的錨索頂部位移數(shù)據(jù)可見(jiàn)(圖5),由于采用了錨索以及嵌巖樁鎖腳,擋土墻的位移變化很小,開(kāi)挖至坑底時(shí),最大變形為10 mm;開(kāi)挖后結(jié)構(gòu)施工期間,擋土墻的變形基本保持穩(wěn)定,甚至略有減少。從最大位移10 mm計(jì)算錨索實(shí)際伸長(zhǎng)量為7 mm,與前述假定視錨索與鋼板樁的錨固點(diǎn)固定不動(dòng)較為一致。
圖5 錨索端頭水平位移
從測(cè)斜孔不同深度的變形情況來(lái)看(圖6),最大變形位置位于測(cè)斜孔頂部。在基巖層以上,擋土墻的位移隨深度增大而略有減小。參考地質(zhì)勘察報(bào)告上ZK59(距離測(cè)斜孔約20 m)的剖面圖,該鉆孔顯示在基巖層上均為軟弱土。由于測(cè)斜孔進(jìn)入基巖后可認(rèn)為底端為固定點(diǎn),因此整個(gè)擋土墻在基巖層以上為主要變形區(qū),且其變形沿深度為近似線性變化[8,9]。
圖6 測(cè)斜孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
1)作為主要用于治理滑坡的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁,可在鋼板樁圍堰淺巖段使用,但需分析基巖的走向、傾向、層位等,如果基巖面較平緩或者順錨索方向,則錨索在施工時(shí)可能存在無(wú)法入巖的情況。
2)本文中在鋼板樁根腳處設(shè)置嵌巖鋼管防止根腳滑移,利用了鋼板樁作為抗滑樁的一部分,節(jié)約了成本,但在工程實(shí)踐中需經(jīng)充分驗(yàn)算。
3)與大型滑坡相比,由于圍堰寬度較小,為簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)錨索與鋼板樁的錨固點(diǎn)固定不動(dòng),且錨索的預(yù)應(yīng)力為已知,從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,與本工程實(shí)際情況較為一致。但為安全起見(jiàn),對(duì)于大型滑坡等工程,宜按照變形協(xié)調(diào)計(jì)算結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力。