拉森鋼板樁在深水圍堰中的應用

李 明

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽110003）

?

拉森鋼板樁在深水圍堰中的應用

李 明

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽110003）

摘要：拉森鋼板樁在深水圍堰施工中應用十分廣泛，文章結合實際工程實例對拉森鋼板樁基本概念、設計要點以及施工注意事項進行探討，結論對于提高拉森鋼板樁在深水圍堰工程中的應用具有重要的理論和實用價值。

關鍵詞：深水圍堰；拉森鋼板樁；橋梁承臺

作為一種新型建材，拉森鋼板樁在工程施工中發(fā)揮著重要作用，整體穩(wěn)定性極強，不僅可用作提防護岸、擋土墻，還在開挖溝渠、建橋圍堰的過程中發(fā)揮擋沙、擋土的功效，能夠快速形成圍堰，綠色環(huán)保，施工費用成本較低［1］。深水圍堰中確保基坑安全的關鍵技術就是拉森鋼板樁，通過分析其在深水圍堰中的應用狀況，可以更好的指導工作人員的實際施工狀況，從而使拉森鋼板樁圍堰施工項目以最合理的投入，獲得最大的經(jīng)濟效益。

1　概述

1.1 拉森鋼板樁的種類和特點

根據(jù)支護結構的不同，可以將拉森鋼板樁劃分為支撐式、錨拉式及懸臂式等，而根據(jù)外觀形狀，則將鋼板樁分為IV型、V型、VI型，其中IV型拉森鋼板樁的生產(chǎn)成本較低，且生產(chǎn)工藝相對簡單，所以具有及其廣泛的應用。防水效果良好、施工周期短、方便快捷、強度大、質量較輕及鎖口緊密是拉森鋼板樁最顯著的特點。

1.2 拉森鋼板樁在深水圍堰施工中的應用

作為一種特制的鋼板樁，拉森鋼板樁在深基坑開挖時發(fā)揮著重要作用，可以充當臨時擋土、擋水的圍護結構，其主要靠振動錘、打樁機的動力，在地下壓入鋼板樁，形成連續(xù)性的板墻。拉森鋼板樁在深水圍堰施工中主要用于淺水低樁承臺，通常水深都≥4m，當施工條件為風化巖層、河床覆蓋層較厚的碎土石或砂類土等環(huán)境下尤為適用，此外，在淺水區(qū)基礎工程施工過程中也占據(jù)著極高的地位。

2　拉森鋼板樁水中圍堰的組成及設計

2.1 拉森鋼板樁圍堰的組成及設計要點

拉森鋼板樁圍堰主要由拉森鋼板樁、內支撐和底部為封底混凝土構成。拉森鋼板樁圍堰施工設計過程中的要點主要包括：（1）數(shù)據(jù)參數(shù)收集；（2）確定支撐層數(shù)與間距；（3）拉森鋼板樁的長度計算；（4）拉森鋼板樁強度復核；（5）抗傾覆驗算；（6）基底隆起驗算；（7）腰梁支撐強度、剛度。其中在鋼板樁長度的確定和計算時，應先進行封底厚度計算，依據(jù)公式K=（G1+G2+G3+P）/F＞1.05，驗算是否滿足抗浮穩(wěn)定要求；其次進行錨固深度計算，根據(jù)公式（Kp -Ka）X2-KaHX-KaHL5= 0，確保基坑穩(wěn)定性；之后驗算鋼板樁和圍囹截面、強度，完成圍堰穩(wěn)定性分析與驗算。

2.2 拉森鋼板樁圍堰的具體結構設計

2.2.1 堰體設計

由于圍堰至少三面均臨水，因此在施工過程中不僅容易受到船舶運行的沖擊力，還易發(fā)生漏水的狀況，因此對于圍堰施工內側面應使用黏土填筑的拉森Ⅳ型鋼板樁進行保護，在所有臨水面應用槽鋼板樁進行保護。圍堰結構的整體寬度和鋼板樁頂部高度應符合施工的而具體要求，承臺結構邊緣同圍堰內側面鋼板樁之間的距離不少于1m。在圍堰內側和外側還可以采用毛竹片、尼龍彩色布條進行圍擋，以有效增強堰體的穩(wěn)固性，防止出現(xiàn)因水流不斷沖擊而發(fā)生水土流失的現(xiàn)象，保證深水圍堰施工的順利進行［2］。此外，還應將防護槽鋼對密排鋼板樁進行焊接，并使兩排槽鋼形成一個整體，使兩排堰體鋼板樁距離保持在3m，增強穩(wěn)定程度，優(yōu)化結構整體性能。

2.2.2 內支撐設計

在承臺基坑開挖施工過程中，應用由140工字鋼構成的圍檁對圍堰進行進一步的保護，在堰體內側靠近鋼板樁的樁頂?shù)奈恢?，通過單層或多層圍檁進行支撐防護。施工過程中要注意，一方面應將倒木砧安置于鋼板樁及圍檁二者間的凹陷處；另一方面還要確保鋼板樁同圍檁焊接的穩(wěn)固性，應通過相同材質的工字鋼作為支撐桿。深水圍堰在整個過程中還存在變形的問題，為了有效解決這一問題，開挖施工階段要根據(jù)實際情況合理的添加內支撐道數(shù)，應用H型鋼自動埋弧焊接工藝對鋼板樁及工字鋼連接起來，填補其中的縫隙，有效的控制變形，并采用工字鋼對堰體四角部位進行斜撐［3］。

2.3 鋼板樁圍堰受力計算

2.3.1 數(shù)據(jù)參數(shù)搜集

首先要對水深進行測量，在測量前需要清除淤泥厚度，并設置多層支撐，在計算前還需要知道鋼板樁的慣性模量W，抗彎設計強度設計值［fb］，水度重γw，沙粘土重度γ，內摩擦角Φ以及粘聚力c。

2.3.2 拉森鋼板樁的長度計算

在圍堰封底抽水后，封底混凝土會受到向上最大水壓作用，要求封底混凝土不出現(xiàn)折裂，也就是必須滿足抗彎要求。按照周邊簡易支撐的雙向板，在承受均勻分布載荷的情況下，對跨中彎矩W進行計算。計算時的彎矩系數(shù)應該根據(jù)圍堰的長寬比例確定，一般應在0.4～0.9之間。對于矩形板的跨度計算應取最小跨。并根據(jù)求得的彎矩值計算封底厚度。

在封底混凝土和鋼板之間的粘滯力作用下，可以不被靜水壓力破壞時，可以滿足抗浮要求，驗算是否滿足抗浮穩(wěn)定要求。

式中：G1—鋼板樁自重；G2—封底混凝土自重；G3—浮力；P—樁基混凝土總重；F—鋼板樁與土之間的總摩擦力。

2.3.3 錨固深度計算

不同錨固方法的錨固深度計算方法有所不同，一般懸臂式最大，但是對于同一個結構，建議首先按照多錨固式板樁計算，最后在進行必要修正。常用的計算公式為盾恩公式：

式中：Ka—主動土壓力系數(shù)；Kp—水面與最下層支撐的距離；L5—最下層支撐與坑底的距離；X—被動土壓力系數(shù)；H—入土深度。式中只有入土深度X未知，將其余量帶入公式求解即得。

圖1　計算簡圖

3　施工要點

3.1 鋼板樁檢驗

（1）基坑臨時支護的鋼板樁，主要進行表面缺陷、長度、寬度、厚度和高度等一系列外觀檢驗，重復使用的鋼板樁如不符合檢驗標準要求應予以矯正。

（2）用一塊長約2 m的鋼板樁作鎖口檢查標準，并對所有鋼板樁做鎖口通過檢查。對于鎖口扭曲及“死彎”等問題要立即進行校正。

（3）對于每片鋼板樁用鋼尺測量其寬度，對于肉眼可辨的變形進行加密測量，偏差超出預定范圍的鋼板樁應盡量不用。

（4）對于上述檢查合格的鋼板樁，鎖口都須均勻涂以混合油，以保證潤滑性能。

3.2 鋼板樁施工

打樁和槽鋼焊接要牢固，以便打樁時提高精確度。插打時鋼板樁靠緊導向架，并在互相垂直的2個方向用經(jīng)緯儀進行實時觀測，一旦發(fā)現(xiàn)偏位，立即用履帶吊調整，直到鋼板樁達到設計標高。

3.3 圍堰抽水與支撐

抽水過程中要對抽水速度和高度進行嚴格控制，在安裝第一道支撐后進行抽水至第二道支撐處，然后進行第二道圍檁及支撐安裝，再進行抽水和第三道圍檁及支撐安裝，依次至整個作業(yè)結束。此外，內撐構件及其接點焊接必須按設計圖要求嚴格施工，確保焊接質量。

3.4 混凝土封底

基坑抽水和清淤完成后，對基坑內的情況進行必要檢查，若一切正常，就可進行混凝土封底施工。施工中應注意澆筑過程一次性完成，確保澆筑質量［4］。

4　工程案例

4.1 某工程的鋼板樁圍堰資料數(shù)據(jù)

該項工程中和河水絕對標高是+3.0m，承臺頂端標高是-2.1m，河床標高是-2.1m，河水水深是5.1m。而拉森Ⅳ型鋼板樁的整體寬度是1m，內腔邊長b的截面模量是2037cm2，外腔邊長a的截面模量是788cm2。通過鎖扣對稱之字形的途徑對鋼板樁進行插打，鋼板樁施工的圍檁插樁法詳見圖2，如圖所示，圍檁截面周線對稱的標準是b邊，所以計算圍檁抗彎模量時，應將b邊作為主要參考。

材質為3號鋼的拉森鋼板樁的總體樁長為12m，底部標高為-9.0m，頂部標高+3.0m，容許彎曲應力是200MPa，鋼板樁的單位質量為75kg/m及187kg/m3。I40b工字鋼圍檁的截面抵抗矩Wx和Wy分別為1139cm3和96.2cm3，其橫截面積為94.1cm2。

圖2　鋼板樁施工的圍檁插樁法

深水圍堰施工時，經(jīng)地質勘測資料顯示：粉質細砂偶夾砂質粉土層的厚度約是12.1m，而砂質粉土層的厚度約是2.2m，二者的濕重度（γ）、凝聚力（c）、內磨擦角（Φ）及孔隙比（e）等屬性分別為19.5 和19.3 kN/m3、6.0和7.0、31.0°和28.0°、0.722 和0.768，二者的物理性質指標（Gs）均為2.69。

4.2 單錨深埋鋼板樁計算

按上述方法計算得計算深度最小值為4.52m，而鋼板樁的整體長度為11.6m，所以在施工中應選取鋼板樁的長度為12m，可以保證深水圍堰的施工穩(wěn)定性。

4.3 內支撐受力驗算

橫圍檁受力Mmax為119.5 kN·m，利用公式σ= Mmax/W，得知105 MPa＜［σ］，即橫圍檁滿足受力條件。支撐桿受力計算結果為：壓桿穩(wěn)定系數(shù)Φ 為0.520，受力大小為99.3 MPa，滿足受力條件。

5　結語

拉森鋼板樁在深水基礎圍堰施工中發(fā)揮著重要作用，能夠有效避免管涌、流砂、滲水和漏水等情況的出現(xiàn)，施工效率較高，穩(wěn)定性強，提高了承臺、鉆孔灌注樁的施工安全性，還能夠重復利用，但在拉森鋼板樁入土深度方面，有待進一步研究。

參考文獻

［1］黃斌勇.淺談拉森鋼板樁在深水圍堰中的應用［J］.市政技術，2011（S1）：70-71.

［2］李群.拉森Ⅵ型鋼板樁在深水橋梁基礎施工中的應用［J］.鐵道勘察，2012（03）：54-58.

［3］劉伯洋.深基坑施工拉森鋼板樁的受力分析［J］.施工技術，2009（S1）：158-160.

［4］陳寧.淺析鋼板樁圍堰施工［J］.甘肅水利水電技術，2013 （05）：60-63.

［5］李仁民，劉偉，陳曉鳳.大直徑圓形鋼板樁圍堰施工技術［J］.施工技術，2013（13）：33-37.

［6］袁啟銘.坑口閘除險加固工程設計分析［J］.水利技術監(jiān)督，2015（03）：67-69.

［7］胡小周，曹振中.府河特大橋橋梁深水承臺鋼板樁圍堰施工技術［J］.四川水利，2013（05）：65-66.

［8］毛文忠.高等級河道中的低埋承臺施工工藝選擇［J］.建筑施工，2015（01）：22-25.

作者簡介：李 明（1987年—），男，助理工程師。

收稿日期：2015-09-23

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.040

中圖分類號：TV48

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）02-0111-03