摘要：基于國(guó)外某船塢工程深厚中粗砂地層的工程背景，分析了該工程鋼板樁設(shè)計(jì)計(jì)算中砂的內(nèi)摩擦角和變形模量的選用，并將計(jì)算變形與實(shí)際變形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合該工程總結(jié)了鋼板樁止水帷幕出現(xiàn)的問(wèn)題和對(duì)策。

    關(guān)鍵詞：鋼板樁；船塢；中粗砂層
    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．項(xiàng)目概況
    國(guó)外某船塢工程按英國(guó)BS標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，包括大型修船塢4座，多座順岸碼頭、駁岸，臨時(shí)圍堰2座，工程平面布置見(jiàn)圖1。針對(duì)該場(chǎng)地為砂性場(chǎng)地的特點(diǎn)，經(jīng)多方案必選，在碼頭、圍堰、基坑、船塢帷幕中應(yīng)用了各種類(lèi)型的鋼板樁總計(jì)近4萬(wàn)噸。
    
     
     
    2．水文和地質(zhì)條件
    設(shè)計(jì)高水位: 3.20m,設(shè)計(jì)低水位: 0.0m,流速: 0.8m/s,H1% : 2.3m。
建設(shè)場(chǎng)地原為海域，經(jīng)吹填約30m砂層后形成現(xiàn)有場(chǎng)地。場(chǎng)地地層大體分布：①松散砂層2~10m,標(biāo)貫4~10擊，②中密～密實(shí)砂層20~25m，標(biāo)貫10~40擊，③原有淤泥層0~10m(軟塑)，標(biāo)貫4-6擊，④砂質(zhì)粉土或粉質(zhì)砂土(中密~密實(shí))，標(biāo)貫15~100級(jí)。

    3．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
    3.1鋼板樁選型
    場(chǎng)地砂層為中粗砂，其滲透系數(shù)經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)為3X10-2cm/s,實(shí)測(cè)基坑透水量表明滲透系數(shù)比這個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)還要大一倍左右，這種場(chǎng)地條件國(guó)內(nèi)外可參考的實(shí)例也很少找到，準(zhǔn)備在如此深厚回填砂場(chǎng)地干施工大型船塢，止水難度大。針對(duì)此砂性場(chǎng)地，設(shè)計(jì)施工排除了地下連續(xù)墻、灌注樁加旋噴、膨潤(rùn)土墻、預(yù)制板樁等方案，選用了鋼板樁作臨時(shí)止水和永久止水。
    順、駁岸采用單錨板樁結(jié)構(gòu)型式，主墻和錨碇墻分別采用AZ39-700型和AZ19-700熱軋鋼板樁。船塢塢墻采用管樁樁基扶壁式結(jié)構(gòu)，承臺(tái)下止水帷幕采用AU20型熱軋鋼板樁止水。水域圍堰為雙排板樁錨拉結(jié)構(gòu)，外排以AU23型熱軋板樁止水、內(nèi)排OT25型冷彎板樁擋土。陸域基坑采用多級(jí)放坡型式，在坡頂設(shè)FSP IV型鋼板樁臨時(shí)帷幕。雙排鋼板樁圍堰、臨時(shí)鋼板樁止水帷幕的基坑結(jié)合深井降水等措施，實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)透水性、大厚度的中粗砂地層中開(kāi)挖、干施工船塢結(jié)構(gòu)，其中泵房處最深約25米。
    結(jié)構(gòu)典型剖面見(jiàn)圖2~4：

    3.2耐久性設(shè)計(jì)：
    鋼筋屈服強(qiáng)度為250和460 級(jí)?；炷涟春９そㄖ镆蟛捎肅40等級(jí)，為滿足耐久性要求采用高性能混凝土。
    鋼板樁的壁厚應(yīng)按BS標(biāo)準(zhǔn)確定腐蝕量，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)扣除鋼板樁各受力位置的腐蝕量，浪濺區(qū)0.08mm/a ,水下區(qū)0.04 mm/a,泥下區(qū)為0.015mm/a。油漆防腐設(shè)計(jì)按10-15年標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，由于場(chǎng)地地基為砂層，打樁過(guò)程中油漆難免被損傷，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不考慮油漆的保護(hù)作用，按50年腐蝕量予以扣除，故在鋼板樁選型時(shí)考慮采用一定的壁厚，以免經(jīng)腐蝕量扣除后斷面測(cè)算不經(jīng)濟(jì)。
    
    3.3結(jié)構(gòu)計(jì)算
    根據(jù)本工程設(shè)計(jì)審批要求，順駁岸、圍堰、基坑等擋土墻結(jié)構(gòu)計(jì)算須采用連續(xù)介質(zhì)計(jì)算軟件，當(dāng)?shù)匾话悴捎密浖LAXIS 2D進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，同時(shí)也按強(qiáng)度折減法計(jì)算穩(wěn)定性，一般采用摩爾庫(kù)侖模型，主要由于該模型參數(shù)相對(duì)較少。 按照規(guī)定，一般場(chǎng)地須同時(shí)考慮排水指標(biāo)和不排水指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并取最不利結(jié)果作為設(shè)計(jì)值，鑒于本工程場(chǎng)地為深厚砂質(zhì)場(chǎng)地，一般剖面按排水模式計(jì)算。
    3.4巖土參數(shù)確定
    由于結(jié)構(gòu)計(jì)算須滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)變形限制等要求，對(duì)本工程而言，主要取決于砂層的內(nèi)摩擦角和變形模量等巖土參數(shù)的選用，由于砂層無(wú)法進(jìn)行不干擾取樣，因而無(wú)法通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)直接取得上述兩項(xiàng)指標(biāo)。
    為分析砂層指標(biāo)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)SPT、CPT試驗(yàn)和相關(guān)室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)，范圍為地面以下5m~25m范圍內(nèi)的中密砂層（標(biāo)貫10-30擊），按顆分試驗(yàn)結(jié)果，砂土大體屬于中粗砂偏粗砂，按英標(biāo)體系證明如下：
    (1).按照BS8002規(guī)范[2]中砂土內(nèi)摩擦角取值公式取值
    Ψ’crit=30+A+B,其中：A:根據(jù)顆分試驗(yàn)決定的參數(shù),      B:根據(jù)土的級(jí)配決定的參數(shù),詳見(jiàn)該規(guī)范條文。
    (2).按《日本港口工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4] (OCDI) 2002，
    Ψ＝25+sqrt(100N/70+PV0)
    ：SPT標(biāo)貫錘擊數(shù)，Pv0:有效垂直應(yīng)力。
    按(1)(2)條計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

    (3).另外巖土勘探公司提供了直接通過(guò)CPT得出內(nèi)摩擦角推斷圖。所用公式為靜探設(shè)備（Geomil）設(shè)備手冊(cè)推薦公式）Ψ=arctan(0.105+0.16*ln(qc/σv;z) ,結(jié)果為34.1°～41°。
    綜上結(jié)果，綜合選取中等密實(shí)度砂的內(nèi)摩擦角Ψ=34 °。其余砂的指標(biāo)選用為新回填松砂按30°，原有地層松散砂按32°,密實(shí)砂按35°。
    
    3.5砂的變形模量選用：
    砂土變形模量直接影響結(jié)構(gòu)的變形，間接影響板樁的選用模量，從某種程度上講影響工程造價(jià)。
    按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，對(duì)砂土按排水模式計(jì)算時(shí)，對(duì)土的變形模量E50（割線模量）取值按E50=1700*N (KPa)，N為SPT標(biāo)貫擊數(shù)，按此公式計(jì)算結(jié)果大體符合《基礎(chǔ)工程分析與設(shè)計(jì)》[1]所述模量范圍：
    粉砂：5-20MPa，松散砂土：10-25MPa，密實(shí)砂土：
    50-81MPa。此公式算得的變形模量轉(zhuǎn)換到測(cè)得CPT錐尖阻力qc,大約為E50= 3.5qc.
    設(shè)計(jì)時(shí)按此模量計(jì)算后和按常用的土體彈簧系數(shù)法計(jì)算所得位移相比偏大，故下面將本工程中各典型工程的計(jì)算位移和實(shí)測(cè)位移做了對(duì)比。比較計(jì)算前提是：排除波浪荷載、堆載、系船柱荷載，考慮到位移測(cè)量點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)建成后、前沿尚未開(kāi)挖時(shí)設(shè)置的，故開(kāi)挖前的位移也予以清零。部分分項(xiàng)工程的典型測(cè)點(diǎn)的測(cè)算位移與實(shí)測(cè)位移對(duì)比：

    從位移情況簡(jiǎn)單對(duì)比看，上述基坑、駁岸中所采用的變形模量與實(shí)際情況相比偏差不大；對(duì)圍堰來(lái)說(shuō)偏差較大，按前述經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)標(biāo)貫對(duì)E50取值，基本能反映實(shí)際情況。分析圍堰位移偏差大的原因，圍堰拉桿以上堰體施工一般與圍堰內(nèi)抽水差不多同步開(kāi)展，部分影響了位移測(cè)量，實(shí)際的位移偏差比表中的差距可能要小，另一方面圍堰棱體填砂內(nèi)摩擦角取30°也有所偏低。
    4．鋼板樁止水帷幕
    順駁岸碼頭胸墻由于底標(biāo)高低于平均水位，綁鋼筋和澆混凝土?xí)r水位需要適當(dāng)降低，靠現(xiàn)場(chǎng)的砂土無(wú)法止水，胸墻施工期采用單節(jié)FSPIV鋼板樁（約12m）對(duì)單段胸墻范圍進(jìn)行臨時(shí)擋水，由于單段胸墻施工范圍小，加上水泵明排水，能滿足胸墻施工要求。
    基坑、圍堰和塢墻板樁施工可謂波瀾起伏，鋼板樁施工量大，工期緊，弱透水層埋深深，深層砂土標(biāo)貫擊數(shù)高，但不止水，弱透水層還在砂層以下，有的部位弱透水層標(biāo)貫擊數(shù)不高，有的位置就是持力層。這樣不是打不動(dòng)就是到弱透水層了，到了弱透水層可能還能往下打，造成透水的密實(shí)砂層易與弱透水層混淆。工程實(shí)施時(shí)大量采用CPTU靜力觸探，結(jié)合鉆孔，確定了弱透水層的設(shè)計(jì)指導(dǎo)標(biāo)高。
    基坑工程中板樁深度達(dá)25～30m,陸上分節(jié)施工，部分樁未采用導(dǎo)架導(dǎo)致樁身傾斜影響鎖口，部分位置砂層較密實(shí)，造成不少樁未打到弱透水層。圍堰板樁基本上能打到位，對(duì)另星未打到位處也采用了局部旋噴處理。由于臨時(shí)帷幕板樁在基坑回填后必須拔除，沒(méi)有采用旋噴、注漿等手段修補(bǔ)基坑漏水點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采用了膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行灌漿，在一定程度上減少了漏水量。臨時(shí)基坑最終透水量還是較大，在海側(cè)高潮位的情況下1#基坑排水量達(dá)近8萬(wàn)方/天，給排水工作帶來(lái)不少麻煩。
    分析臨時(shí)帷幕滲水量大的主要原因：(1)部分樁未打到位估計(jì)是透水的最主要的原因,其外部原因包含砂層密實(shí)，部分未采用導(dǎo)架，傾斜引起鎖口出問(wèn)題等。(2)為拆除考慮，接樁時(shí)僅在腹板位置兩面焊接鋼板接樁，鎖口和翼緣位置不焊接，本身就是個(gè)滲水通道；(3)FSPIV 型樁鎖口較松，有沒(méi)有象圍堰樁那樣的張緊過(guò)程，另外部分板樁的鎖口間未涂止水材料，即使是現(xiàn)場(chǎng)拌制的簡(jiǎn)易材料，在中粗砂場(chǎng)地對(duì)透水量有一定影響。在后期施工中對(duì)(1)(3)兩點(diǎn)加以注意后，2#基坑帷幕透水量明顯減少。
    船塢永久帷幕重要性高于臨時(shí)帷幕，各方也更重視，同時(shí)因在塢底施工，打樁深度小，相對(duì)撓度大，加上在臨時(shí)帷幕上的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采取了事前指導(dǎo)、事后逐根鑒定的方式對(duì)每根鋼板樁的樁底標(biāo)高進(jìn)行把關(guān)，采用單節(jié)樁沉樁，嚴(yán)格進(jìn)行雙層導(dǎo)架施工、鎖口涂止水止水材料，對(duì)按評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)判斷為未打到標(biāo)高的樁全部采用了高壓旋噴灌漿處理，結(jié)果非常滿意，使用期單塢滲水量不大于2000方/天。
    
    5．鋼板樁沉樁對(duì)比
    鋼板樁施工主要靠液壓振動(dòng)錘，有5T、7T、10T的振動(dòng)錘按屏風(fēng)法施工。對(duì)比振動(dòng)錘和打管樁用的打樁錘，結(jié)果是到最后是振動(dòng)錘還能勉強(qiáng)打，打樁錘已是打壞樁頭了。本工程僅在局部順岸box板樁最后一段送樁時(shí)采用了打樁錘沉樁，其余位置均采用振動(dòng)錘沉樁。特別是陸上樁用液壓振動(dòng)錘吊打的樁透水一般，反而是自身帶縱向?qū)Ъ艿牡聡?guó)某新型打樁架打的樁打不到位的居多，透水量遠(yuǎn)高于其它地段，估計(jì)是反復(fù)調(diào)直鋼板樁可能對(duì)鎖口有所損傷。
    按《大型船塢的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工》[3]中講的經(jīng)驗(yàn)，在砂層中鋼板樁沉樁時(shí)錘擊數(shù)到一定數(shù)據(jù)，鎖口將脫開(kāi)，就須壓漿處理，在本工程中大都用振動(dòng)錘沉樁，并沒(méi)有按此處理，如需按此處理，時(shí)間和費(fèi)用也難以承受。這說(shuō)明采用大功率的振動(dòng)錘施工勝過(guò)比采用打樁錘施工U型鋼板樁。
    歐系A(chǔ)celor的AU樁與日系FSPIV樁對(duì)比，施工時(shí)圍堰AU鋼板樁由于樁長(zhǎng)、撓度大、鎖口緊而難打，經(jīng)過(guò)采用水沖法輔助，最終鋼板樁基本上能沉樁到位。陸上FSPIV樁由于分節(jié)施工、相對(duì)剛度大、鎖口松而相應(yīng)好打，開(kāi)挖時(shí)卻是陸上帷幕樁位置大量滲水，圍堰位置很少漏水,這里面有圍堰板樁有變形拉緊的過(guò)程而基坑帷幕鋼板樁無(wú)此過(guò)程。
    
    6．結(jié)論與展望：
    （1）. 介紹了本工程中鋼板樁的應(yīng)用,對(duì)砂層地基鋼板樁工程設(shè)計(jì)中既重要又難以確定的巖土參數(shù)－砂的內(nèi)摩擦角和變形模量E50的選用作了分析和探討
    （2）. 對(duì)本工程對(duì)砂層地基鋼板樁止水帷幕施工情況做了介紹，分析了在深厚砂層不同板樁、施工機(jī)械、施工方法在止水工程中的出現(xiàn)的問(wèn)題和改進(jìn)措施。
    （3）. 從本工程實(shí)例看，采用合適的施工工藝，注重施工前后的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)證，在類(lèi)似本工程的深厚中粗砂場(chǎng)地建成臨時(shí)或永久的鋼板樁止水帷幕是可行的。
    
    參考:
    [1]《基礎(chǔ)工程分析與設(shè)計(jì)》（第5版）美國(guó) 約瑟夫 E 波勒斯 著 童小東譯2004年
    [2] BS 8002《 Code of practice for Earth retaining wall》 1994 BSI GROUP
    [3]《大型船塢的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工》荒谷俊司著 交通部水規(guī)院譯　1978.
    [4]《TECHNICAL STANDARDS AND COMMENTARIES FOR PORT AND HARBOR FACILITIES IN JAPAN》2002  THE OVERSEAS COASTAL AREA DEVELOPMENT INSTITUUE OF JAPAN.