钢板桩围堰原理解析以及破坏原理分析

摘要：本文通过对连云港某铁路墩身承台钢板桩围堰破坏的分析，介绍钢板桩围堰工作原理以及土体破坏的过程。

关键词：钢板桩;围堰;桩土互相作用;土体破坏机理

1、钢板桩原理简介

钢板桩是指在工厂进行热轧等处理后加工成两端有锁口形状的构件，常用的钢板桩截面形式有 U 型和帽型，其他还有组合型和直线型板式等。

作为支护结构的一种类型，它具有高强、轻质、隔水性好、使用寿命长、安全性高、对空间要求低、环保效果显著等优点，还具有救灾抢险的功能，再加上施工简单、工期短、可重复使用、建设费用低，因此钢板桩的用途相当广泛。

在桥梁建设当中，钢板桩较多的应用于下部结构的承台、墩身施工的围堰中。

现行的基坑及边坡规范是基于极限状态设计理论的。极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态，承载能力极限状态便是整个或部分钢板桩围堰达到最大承载力后出现破坏的状态，正常使用极限状态表示其性能超出规定限值。作为辅助主体结构施工的临时性结构，钢板桩围堰较多的以承载能力极限状态作为控制，但是如果有特殊的要求，应以正常使用极限状态作为验算。

钢板桩挡土墙包括悬臂式钢板桩挡墙和支撑式钢板桩挡墙。在开挖深度在4m以下，一般采用悬臂式钢板桩;在开挖深度超过4m，一般多采用支撑式。悬臂式钢板桩多由变形控制，支撑式钢板桩较多与支撑刚度相关。

钢板桩挡墙承受挡墙之后的主动土压力，挡墙内嵌固部分以被动土压力以及内撑部分平衡主动土压力及不平衡弯矩。在嵌固部分桩土相互作用较为复杂，采用现有的基本理论手算较为困难，现在较多使用理正等软件计算，得出位移、内力、稳定计算。

作用在挡墙上的荷载，除开土体自身的荷载。因为钢板桩围堰附近还有施工机械运作或者其他情况，因此要考虑这一超载值。

2、工程实例简介

为了对上述部分有较为直观的了解，用以下实例来予以说明。

位于连云港的某铁路工程，其中某个特大桥为连续梁与简支梁桥组合，其中一个承台的尺寸为7.45×12.5m，下部有8φ1.5m的桩，采用钢板桩围堰施工，桩基施工完成后，开挖进行承台施工。墩位处于河床上，墩靠近河堤。地层组成：淤泥、黏土、砂、黏土、片麻岩等。地面标高+3.25m，地下水位+1.83。为满足施工需要，平行桥梁做一个施工便道，原有地面的淤泥难以满足承载力要求，因此采用建筑垃圾来填筑，建筑垃圾考虑重度为，粘聚力不考虑，内摩擦角为12度。首先插打钢板桩，排水到基坑底标高以下，往下开挖1.5m，在1m处安装内支撑;继续开挖至基坑底标高，浇筑0.5m砼垫层，最后承台施工。相应的地质资料见下表

厚度（m）

土层名称

地基承载力（Kpa）

容重（KN/m3）

粘聚力（Kpa）

内摩擦角（度）

9.6

淤泥

40

16.7

6.4

5.3

5.5

黏土

160

18

13.3

8.9

3.9

中砂

250

17

0

28

6.1

黏土

200

19.7

27

12.6

钢板桩采用拉森Ⅳ型，截面抵抗矩Wb=2200cm³，单位重量75kg/m。

具体布置如下图

采用理正建模计算，考虑钢板桩围堰旁边是施工便道，参考公路桥涵设计通用规范，超载采用。设计结果采用钢板桩长度15m，内撑采用双HN450×200型钢

在现场施工中，施工队伍擅自将内撑对撑取消，在施工工程中，便道地面沉降开裂，钢板桩围堰内撑扭曲变形，钢板桩变形。现场照片如下

右下角为具体内撑扭曲情形

针对以上的状况做分析如下：

首先，对于本设计，设计的目的在于：1、保证便道的正常使用，根据路基设计手册，路基设计应使路基土在荷载作用下尽可能产生弹性变形，这样才能在车轮驶过以后回复原状，保证路基相对的不变形，原设计控制了开挖方的水平位移，保证地面填土淤泥能逐步固结，在达到一定平衡，形成比较稳定的路基;2、保证承台、墩身的施工，确保施工的空间，保证在施工的过程的安全，保证基坑的稳定。

而在施工单位取消内撑的对撑之后，直接打破这一平衡，单纯论内撑提供的支撑的刚度是足以满足钢板桩的位移，关键在于在对撑取消后，围檩结构弯矩增大，自由长度增加，围檩部分出现了压弯失稳破坏，在内撑失效之后，钢板桩就变成悬臂结构。具体的变化如下图

即土体受到的竖向的车轮轮压作为主应力保持不变，而在钢板桩内撑失稳的全过程水平向的主应力则逐步减小，而当小到一定程度时即处于破坏的临界值，在小于这一临界值的时候，土体即破坏。

理正采用弹性法计算钢板桩结构，结果如下

土压力

（kN/m）

位移

（mm）

弯矩

（kN.m）

剪力

（kN）

工况1

开挖1.5m

内侧

-51.87

-23.41

-4.81

-34.16

外侧

29.67

0

64.84

17.3

工况2

加撑1m

内侧

-51.87

-23.41

-4.81

-34.16

外侧

29.67

0

64.84

17.3

工况3

开挖3.96m

内侧

-54.98

-24.16

-126.16

-63.06

外侧

60.39

0

55.53

95.55

根据计算结果，围檩周围会受的荷载

对设计结构和实际采用的内撑结构进行分析，结果如下

设计结构分析计算结果如下

实际采用的结构

根据以上模拟计算，设计结构的最大组合应力，而实际采用结构最大组合应力，远大于钢结构设计容许值，因此施工过程中内撑出现如上图所示的典型压弯破坏的形式。

在根据以上数据猜测钢板桩围堰破坏过程是，在钢板桩插打之后，在基坑开挖，安装内撑之后，再继续开挖，便道在通过轴重较重的车辆时，内撑承受了较大的荷载，内撑出现压弯破坏。进而钢板桩围堰以悬臂式受力，悬臂式的内力变形如下，很显然钢板桩位移已经超出土体弹性以至于弹塑性变化的极限值，钢板桩也出现破坏。

土压力

（kN/m）

位移

（mm）

弯矩

（kN.m）

剪力

（kN）

工况1

开挖3.96m

内侧

-104.38

-209.35

0

-148.8

外侧

60.39

0

443.39

120.63

在经过以上分析之后，针对既有的围堰的破坏的情况，提出回填土体，拔出破坏的结构，再重新插打钢板桩安装原设计内撑的方案。事后经过这一方案的处理，钢板桩围堰顺利施工，原承台、墩身施工得以顺利建设。新钢板桩围堰照片如下

3、结语

通过对以上实例的分析可以得到：

钢板桩围堰这一结构是较为复杂的桩土相互作用体系，简单的计算是难以满足实际需求的，能够引入软件计算是比较适当的。

通过对包括上述承台、墩身钢板桩的计算可得，超载取值是比较合理的，即使在有较大轴重的车辆经过的地方也是满足的。

参考文献：

[1]钢板桩施工指南手册

[2]公路路基设计手册 第二版

[3]GB/T 20933-2007 热轧U型钢板桩

[4]JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范

[5]高等土力学 李广信