钢板桩在国外某深厚中粗砂层地基船坞工程中的应用

  摘要：基于国外某船坞工程深厚中粗砂地层的工程背景，分析了该工程钢板桩设计计算中砂的内摩擦角和变形模量的选用，并将计算变形与实际变形进行对比，结合该工程总结了钢板桩止水帷幕出现的问题和对策。

    关键词：钢板桩；船坞；中粗砂层
    APPLICATION OF STEEL SHEET PILE IN ONE OVERSEA DRY DOCK PROJECT BASED ON THE DEEP MIDDLE-COARSE SAND SOIL CONDITION
    Ma Yongping  Qian Yuqi
    （The Ninth Design & Research Institute Engineering Cop. Ltd., Shanghai, 200063, China）
    Abstract: Based on the deep middle-coarse sand soil condition in one oversea dry dock project, analyzed the selection of the inter friction angle Ψ and the deformation modulus E50 in the calculation for steel sheet pile, compared the calculated deformation value with actual deformation value, under this project, summarized problems and key points in the construction of the steel sheet pile water-proof curtain wall
    Keyword: Steel sheet pile; dry dock; middle-coarse sand.

 
     
    1．项目概况
    国外某船坞工程按英国BS标准和当地标准进行设计和施工，包括大型修船坞4座，多座顺岸码头、驳岸，临时围堰2座，工程平面布置见图1。针对该场地为砂性场地的特点，经多方案必选，在码头、围堰、基坑、船坞帷幕中应用了各种类型的钢板桩总计近4万吨。
    
     
     
    2．水文和地质条件
    设计高水位: 3.20m,设计低水位: 0.0m,流速: 0.8m/s,H1% : 2.3m。
建设场地原为海域，经吹填约30m砂层后形成现有场地。场地地层大体分布：①松散砂层2~10m,标贯4~10击，②中密～密实砂层20~25m，标贯10~40击，③原有淤泥层0~10m(软塑)，标贯4-6击，④砂质粉土或粉质砂土(中密~密实)，标贯15~100级。

    3．结构设计：
    3.1钢板桩选型
    场地砂层为中粗砂，其渗透系数经室内试验为3X10-2cm/s,实测基坑透水量表明渗透系数比这个试验数据还要大一倍左右，这种场地条件国内外可参考的实例也很少找到，准备在如此深厚回填砂场地干施工大型船坞，止水难度大。针对此砂性场地，设计施工排除了地下连续墙、灌注桩加旋喷、膨润土墙、预制板桩等方案，选用了钢板桩作临时止水和永久止水。
    顺、驳岸采用单锚板桩结构型式，主墙和锚碇墙分别采用AZ39-700型和AZ19-700热轧钢板桩。船坞坞墙采用管桩桩基扶壁式结构，承台下止水帷幕采用AU20型热轧钢板桩止水。水域围堰为双排板桩锚拉结构，外排以AU23型热轧板桩止水、内排OT25型冷弯板桩挡土。陆域基坑采用多级放坡型式，在坡顶设FSP IV型钢板桩临时帷幕。双排钢板桩围堰、临时钢板桩止水帷幕的基坑结合深井降水等措施，实现了在强透水性、大厚度的中粗砂地层中开挖、干施工船坞结构，其中泵房处最深约25米。
    结构典型剖面见图2~4：

    3.2耐久性设计：
    钢筋屈服强度为250和460 级。混凝土按海工建筑物要求采用C40等级，为满足耐久性要求采用高性能混凝土。
    钢板桩的壁厚应按BS标准确定腐蚀量，在结构计算时扣除钢板桩各受力位置的腐蚀量，浪溅区0.08mm/a ,水下区0.04 mm/a,泥下区为0.015mm/a。油漆防腐设计按10-15年标准设计，由于场地地基为砂层，打桩过程中油漆难免被损伤，结构计算时不考虑油漆的保护作用，按50年腐蚀量予以扣除，故在钢板桩选型时考虑采用一定的壁厚，以免经腐蚀量扣除后断面测算不经济。
    
    3.3结构计算
    根据本工程设计审批要求，顺驳岸、围堰、基坑等挡土墙结构计算须采用连续介质计算软件，当地一般采用软件PLAXIS 2D进行强度计算，同时也按强度折减法计算稳定性，一般采用摩尔库仑模型，主要由于该模型参数相对较少。 按照规定，一般场地须同时考虑排水指标和不排水指标进行计算，并取最不利结果作为设计值，鉴于本工程场地为深厚砂质场地，一般剖面按排水模式计算。
    3.4岩土参数确定
    由于结构计算须满足结构强度、稳定性和结构变形限制等要求，对本工程而言，主要取决于砂层的内摩擦角和变形模量等岩土参数的选用，由于砂层无法进行不干扰取样，因而无法通过室内试验直接取得上述两项指标。
    为分析砂层指标，进行了现场SPT、CPT试验和相关室内颗粒分析试验，范围为地面以下5m~25m范围内的中密砂层（标贯10-30击），按颗分试验结果，砂土大体属于中粗砂偏粗砂，按英标体系证明如下：
    (1).按照BS8002规范[2]中砂土内摩擦角取值公式取值
    Ψ’crit=30+A+B,其中：A:根据颗分试验决定的参数,      B:根据土的级配决定的参数,详见该规范条文。
    (2).按《日本港口工程技术标准》[4] (OCDI) 2002，
    Ψ＝25+sqrt(100N/70+PV0)
    ：SPT标贯锤击数，Pv0:有效垂直应力。
    按(1)(2)条计算结果见图5。

    (3).另外岩土勘探公司提供了直接通过CPT得出内摩擦角推断图。所用公式为静探设备（Geomil）设备手册推荐公式）Ψ=arctan(0.105+0.16*ln(qc/σv;z) ,结果为34.1°～41°。
    综上结果，综合选取中等密实度砂的内摩擦角Ψ=34 °。其余砂的指标选用为新回填松砂按30°，原有地层松散砂按32°,密实砂按35°。
    
    3.5砂的变形模量选用：
    砂土变形模量直接影响结构的变形，间接影响板桩的选用模量，从某种程度上讲影响工程造价。
    按当地经验，对砂土按排水模式计算时，对土的变形模量E50（割线模量）取值按E50=1700*N (KPa)，N为SPT标贯击数，按此公式计算结果大体符合《基础工程分析与设计》[1]所述模量范围：
    粉砂：5-20MPa，松散砂土：10-25MPa，密实砂土：
    50-81MPa。此公式算得的变形模量转换到测得CPT锥尖阻力qc,大约为E50= 3.5qc.
    设计时按此模量计算后和按常用的土体弹簧系数法计算所得位移相比偏大，故下面将本工程中各典型工程的计算位移和实测位移做了对比。比较计算前提是：排除波浪荷载、堆载、系船柱荷载，考虑到位移测量点是在结构建成后、前沿尚未开挖时设置的，故开挖前的位移也予以清零。部分分项工程的典型测点的测算位移与实测位移对比：

    从位移情况简单对比看，上述基坑、驳岸中所采用的变形模量与实际情况相比偏差不大；对围堰来说偏差较大，按前述经验公式根据标贯对E50取值，基本能反映实际情况。分析围堰位移偏差大的原因，围堰拉杆以上堰体施工一般与围堰内抽水差不多同步开展，部分影响了位移测量，实际的位移偏差比表中的差距可能要小，另一方面围堰棱体填砂内摩擦角取30°也有所偏低。
    4．钢板桩止水帷幕
    顺驳岸码头胸墙由于底标高低于平均水位，绑钢筋和浇混凝土时水位需要适当降低，靠现场的砂土无法止水，胸墙施工期采用单节FSPIV钢板桩（约12m）对单段胸墙范围进行临时挡水，由于单段胸墙施工范围小，加上水泵明排水，能满足胸墙施工要求。
    基坑、围堰和坞墙板桩施工可谓波澜起伏，钢板桩施工量大，工期紧，弱透水层埋深深，深层砂土标贯击数高，但不止水，弱透水层还在砂层以下，有的部位弱透水层标贯击数不高，有的位置就是持力层。这样不是打不动就是到弱透水层了，到了弱透水层可能还能往下打，造成透水的密实砂层易与弱透水层混淆。工程实施时大量采用CPTU静力触探，结合钻孔，确定了弱透水层的设计指导标高。
    基坑工程中板桩深度达25～30m,陆上分节施工，部分桩未采用导架导致桩身倾斜影响锁口，部分位置砂层较密实，造成不少桩未打到弱透水层。围堰板桩基本上能打到位，对另星未打到位处也采用了局部旋喷处理。由于临时帷幕板桩在基坑回填后必须拔除，没有采用旋喷、注浆等手段修补基坑漏水点，现场采用了膨润土泥浆进行灌浆，在一定程度上减少了漏水量。临时基坑最终透水量还是较大，在海侧高潮位的情况下1#基坑排水量达近8万方/天，给排水工作带来不少麻烦。
    分析临时帷幕渗水量大的主要原因：(1)部分桩未打到位估计是透水的最主要的原因,其外部原因包含砂层密实，部分未采用导架，倾斜引起锁口出问题等。(2)为拆除考虑，接桩时仅在腹板位置两面焊接钢板接桩，锁口和翼缘位置不焊接，本身就是个渗水通道；(3)FSPIV 型桩锁口较松，有没有象围堰桩那样的张紧过程，另外部分板桩的锁口间未涂止水材料，即使是现场拌制的简易材料，在中粗砂场地对透水量有一定影响。在后期施工中对(1)(3)两点加以注意后，2#基坑帷幕透水量明显减少。
    船坞永久帷幕重要性高于临时帷幕，各方也更重视，同时因在坞底施工，打桩深度小，相对挠度大，加上在临时帷幕上的经验教训，采取了事前指导、事后逐根鉴定的方式对每根钢板桩的桩底标高进行把关，采用单节桩沉桩，严格进行双层导架施工、锁口涂止水止水材料，对按评判标准判断为未打到标高的桩全部采用了高压旋喷灌浆处理，结果非常满意，使用期单坞渗水量不大于2000方/天。
    
    5．钢板桩沉桩对比
    钢板桩施工主要靠液压振动锤，有5T、7T、10T的振动锤按屏风法施工。对比振动锤和打管桩用的打桩锤，结果是到最后是振动锤还能勉强打，打桩锤已是打坏桩头了。本工程仅在局部顺岸box板桩最后一段送桩时采用了打桩锤沉桩，其余位置均采用振动锤沉桩。特别是陆上桩用液压振动锤吊打的桩透水一般，反而是自身带纵向导架的德国某新型打桩架打的桩打不到位的居多，透水量远高于其它地段，估计是反复调直钢板桩可能对锁口有所损伤。
    按《大型船坞的结构设计和施工》[3]中讲的经验，在砂层中钢板桩沉桩时锤击数到一定数据，锁口将脱开，就须压浆处理，在本工程中大都用振动锤沉桩，并没有按此处理，如需按此处理，时间和费用也难以承受。这说明采用大功率的振动锤施工胜过比采用打桩锤施工U型钢板桩。
    欧系Acelor的AU桩与日系FSPIV桩对比，施工时围堰AU钢板桩由于桩长、挠度大、锁口紧而难打，经过采用水冲法辅助，最终钢板桩基本上能沉桩到位。陆上FSPIV桩由于分节施工、相对刚度大、锁口松而相应好打，开挖时却是陆上帷幕桩位置大量渗水，围堰位置很少漏水,这里面有围堰板桩有变形拉紧的过程而基坑帷幕钢板桩无此过程。
    
    6．结论与展望：
    （1）. 介绍了本工程中钢板桩的应用,对砂层地基钢板桩工程设计中既重要又难以确定的岩土参数－砂的内摩擦角和变形模量E50的选用作了分析和探讨
    （2）. 对本工程对砂层地基钢板桩止水帷幕施工情况做了介绍，分析了在深厚砂层不同板桩、施工机械、施工方法在止水工程中的出现的问题和改进措施。
    （3）. 从本工程实例看，采用合适的施工工艺，注重施工前后的设计指导和验证，在类似本工程的深厚中粗砂场地建成临时或永久的钢板桩止水帷幕是可行的。
    
    参考:
    [1]《基础工程分析与设计》（第5版）美国 约瑟夫 E 波勒斯 著 童小东译2004年
    [2] BS 8002《 Code of practice for Earth retaining wall》 1994 BSI GROUP
    [3]《大型船坞的结构设计和施工》荒谷俊司著 交通部水规院译　1978.
    [4]《TECHNICAL STANDARDS AND COMMENTARIES FOR PORT AND HARBOR FACILITIES IN JAPAN》2002  THE OVERSEAS COASTAL AREA DEVELOPMENT INSTITUUE OF JAPAN.