伍琪琳，王征亮

0 引言

在軟土地基的堆填活動（填筑路堤、推填圍堰、堆載預(yù)壓等）常常造成周邊場地出現(xiàn)明顯的沉降、水平變形或隆起現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致周邊建筑物（房屋、管線、溝、井等）開裂或破壞。這不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，往往還導(dǎo)致社會糾紛，嚴(yán)重阻礙建設(shè)活動的正常進(jìn)行。工程界已有不少防護(hù)措施，以避免周邊建筑物的破壞或降低推填活動對其的影響。從原理上可以分為兩大類：1）加固周邊土體，提高其強(qiáng)度、變形、滲透等指標(biāo)，比如打設(shè)攪拌樁、旋噴樁[1-2]等；2）應(yīng)力隔斷，比如打設(shè)鋼板樁，阻斷應(yīng)力向周邊土體的傳遞[3-5]。

基于加固周邊土體原理的治理措施在國內(nèi)已經(jīng)得到廣泛運(yùn)用，然而基于應(yīng)力隔斷原理的防護(hù)案例在國內(nèi)卻鮮有耳聞，甚至難以找到相關(guān)文獻(xiàn)，但這一技術(shù)在日本卻得到廣泛運(yùn)用，被視為傳統(tǒng)手段。例如，在日本軟土深厚的熊本平原、豐岡盆地、新川地區(qū)等路堤填筑時，基于應(yīng)力隔斷理論設(shè)計的鋼板樁被作為最主要的建筑物防護(hù)措施。

日本國內(nèi)已經(jīng)有成熟的基于應(yīng)力隔斷的鋼板樁防護(hù)計算理論、方法及商業(yè)軟件，并且其鋼板樁防護(hù)方案不僅有全部鋼板樁貫入持力層的“全落底法（All Bottom-OutMethod）”，還有僅小部分鋼板樁貫入持力層，大部分鋼板樁懸掛的“部分懸掛法（Partial Floating Sheet-Pile Method”）[3-5]。

基于應(yīng)力隔斷的鋼板樁防護(hù)相比攪拌樁或者旋噴樁加固周邊土體的防護(hù)具有以下顯著優(yōu)勢：

1）施工便捷，效果立杠見影。一方面，鋼板樁施工快捷，工期短；另一方面，鋼板樁施打后即可起到防護(hù)效果，建設(shè)活動可以很快恢復(fù)。攪拌樁、旋噴樁等都需要一定的齡期才能增長強(qiáng)度。

2）安全可靠，便于管理。鋼板樁為現(xiàn)成預(yù)制產(chǎn)品，質(zhì)量可控；攪拌樁、旋噴樁等屬于地下工程，需監(jiān)管人員的有力監(jiān)督及施工人員的自律意識才能確保質(zhì)量。

3）節(jié)能環(huán)保。鋼板樁本身不造成土體的污染，防護(hù)后可拔出重復(fù)利用，不造成資源消耗。

由于鋼板樁防護(hù)具有上述優(yōu)勢，可以預(yù)見在某些項(xiàng)目中采用基于應(yīng)力隔斷的鋼板樁防護(hù)將取得良好效果。

1 應(yīng)力隔斷原理

應(yīng)力隔斷的原理：通過在地基中打入剛性結(jié)構(gòu)（比如剛性樁），有效地隔斷應(yīng)力向周邊土體的傳遞，從而大幅度地減小周邊土體的地基變形，避免周邊建筑物的破壞。鋼板樁防護(hù)正是基于這一原理。

2 基于應(yīng)力隔斷的鋼板樁計算方法

由于國內(nèi)尚未有基于應(yīng)力隔斷的鋼板樁防護(hù)的計算理論、方法及程序，本文主要引述及介紹日本的鋼板樁防護(hù)簡易計算方法。日本的鋼板樁計算模型如圖1所示，計算方法主要基于以下原則：

1）地基中的鋼板樁受到樁側(cè)摩檫力及樁端阻力共同作用，兩者在垂直方向應(yīng)力平衡。

2）采用彈塑性（雙線性）彈簧模擬樁側(cè)摩阻力及樁端阻力，即當(dāng)土體~鋼板樁相對位移在一定范圍內(nèi)時，樁側(cè)摩阻力及樁端阻力呈線性增長，當(dāng)應(yīng)力增長到最大值后不再變化。

3）樁側(cè)摩阻力的作用方向取決于樁土相對位移關(guān)系。當(dāng)樁相對土向下位移時，樁側(cè)摩阻力向上，反之，則向下。

4）（受保護(hù)側(cè)）受影響范圍的土體對鋼板樁的側(cè)摩阻力作用也視為彈塑性（雙線性）彈簧模型，其剛度需考慮受影響范圍土體自身的剪切剛度。

5）鋼板樁的沉降量等于與鋼板樁相鄰的受保護(hù)側(cè)地基沉降量。

圖1 鋼板樁計算模型Fig.1 Calculationmodel for sheet-pile

2.1 堆載側(cè)的側(cè)摩阻力

樁側(cè)摩阻力彈塑性模型如圖2所示，其中：kSVB=0.3kH，kSVB為側(cè)摩阻力系數(shù)；kH為地基水平反力系數(shù)。眾多文獻(xiàn)[6-8]給出了水平反力系數(shù)的計算方法，本文引用日本道路協(xié)會提供的公式，如下：

式中：E0為地基變形模量；琢為修正系數(shù)；BH為水平荷載等效作用寬度。

圖2樁側(cè)摩阻力彈塑性模型Fig.2 Elastic-plasticmodelof pile shaft friction

2.2 受保護(hù)側(cè)地基的側(cè)摩阻力

受保護(hù)側(cè)地基的樁側(cè)摩阻力模型與上述（堆載側(cè)）樁側(cè)阻力模型相同，但是側(cè)摩阻力系數(shù)K需考慮受影響土體的剪切剛度kG，計算公式如下：

式中：自為泊松比；B為受影響寬度，根據(jù)實(shí)際工程案例的經(jīng)驗(yàn)，一般可取值為2m。

側(cè)摩阻力的極限值子max：

對于砂性土：子max=2N

對于黏性土：子max=C或10N

式中：N為標(biāo)貫值；C為土體不排水抗剪強(qiáng)度。

2.3 端阻力

樁端阻力彈塑性模型如圖3所示，其中：

式中：BV為垂直荷載等效作用寬度AV為單樁截面面積。

單位面積端阻極限值qD=300N。

圖3 端阻力彈塑性模型Fig.3 Elastic-plastic model of tip resistance

3 工程運(yùn)用

3.1 工程概況及事故簡介

某港口工程采用堆載預(yù)壓加固下臥軟弱土層，堆載厚度（從周邊場地的地坪高程起算）為3 m，共分3級，每級1 m。堆載預(yù)壓坡腳為已建港區(qū)的圍墻墻腳，距離已建水池7 m。下臥地基以松散粉細(xì)砂（混淤泥）及淤泥質(zhì)土為主，淤泥質(zhì)土總厚度約7 m，具體如圖4所示。

圖4 鋼板樁防護(hù)斷面Fig.4 Section of sheet-pile protection

已建港區(qū)已于數(shù)年前進(jìn)行過堆載預(yù)壓處理，其中水池區(qū)域的堆載厚度為5 m，設(shè)計固結(jié)度為不小于95%。理論分析，如已建港區(qū)的地基處理效果達(dá)到預(yù)期，則本工程的堆載預(yù)壓活動對水池區(qū)域影響較小，因此，原設(shè)計方案并未考慮對水池進(jìn)行防護(hù)。

實(shí)際施工中，施工方在完成第一級堆載施工時，發(fā)現(xiàn)靠近堆載側(cè)的地基有一定沉降，距離越近沉降越大；已建圍堰明顯向堆載側(cè)傾斜，并出現(xiàn)多處裂縫；圍墻與水池間的混凝土地坪出現(xiàn)多處裂縫，混凝土板的分縫被拉開；水池的多個水管接頭被拉開，漏水嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)過噴水情況。由于嚴(yán)重影響了已建港區(qū)的正常運(yùn)營，運(yùn)營者要求立即停止本工程的堆載預(yù)壓施工，采取防護(hù)措施，保證已建港區(qū)建筑物（圍墻、燈塔、水池等）的安全。

事故發(fā)生后，經(jīng)各方調(diào)查，總結(jié)事故產(chǎn)生主要原因是：1）已見港區(qū)的地基處理效果不理想。據(jù)了解，水池建設(shè)時即可觀測到沉降的發(fā)生，建設(shè)完畢后，實(shí)測工后沉降超過了40 cm，遠(yuǎn)超設(shè)計值。2）堆載活動導(dǎo)致周邊地基發(fā)生明顯沉降，因而導(dǎo)致圍墻傾斜及開裂；3）靠近堆載的區(qū)域沉降大，遠(yuǎn)離堆載的區(qū)域沉降小，不均勻沉降導(dǎo)致了混凝土地坪開裂，水管接頭被拉開。

3.2 防護(hù)方案

現(xiàn)場工期緊張，如采用攪拌樁或者旋噴樁攪拌防護(hù)，需等待28 d齡期以滿足樁體的強(qiáng)度增長，難以滿足工期要求。因此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定采用鋼板樁防護(hù)方案，防護(hù)斷面如圖4所示。

3.3 鋼板樁方案的理論計算

從上文所述的鋼板樁計算方法的4條原則可知：從鋼板樁豎向受力平衡出發(fā)，當(dāng)鋼板樁的打設(shè)深度確定后，鋼板樁的沉降（即與鋼板樁相鄰的受保護(hù)側(cè)地基沉降量）就成了唯一未知數(shù)。因此，鋼板樁防護(hù)具體計算流程如下：

1）采用傳統(tǒng)沉降計算方法（例如分層總和法）計算不采用鋼板樁防護(hù)時地基在推填荷載下的沉降量，判斷該沉降量是否會引起周邊建筑物破壞，如是，則需采用鋼板樁防護(hù)。

2）根據(jù)地質(zhì)條件初步確定鋼板樁打設(shè)深度。

3）假定鋼板樁沉降量為任一數(shù)值，求得對應(yīng)的樁側(cè)摩阻力及端阻力，判斷是否滿足鋼板樁豎向受力平衡，如否，則重新設(shè)置新的鋼板樁沉降數(shù)值，迭代計算，直至滿足鋼板樁豎向受力平衡。此沉降數(shù)值即為初步確定的鋼板樁打設(shè)深度對應(yīng)的沉降量。

4）判斷沉降量是否滿足要求。是，則結(jié)束計算；否，則退回第2）步調(diào)整鋼板樁打設(shè)深度重新計算，直至沉降量滿足要求。

3.4 案例工程的鋼板樁計算

根據(jù)上述鋼板樁計算流程，案例工程的鋼板樁計算步驟如下：

1）采用分層總和法計算鋼板樁處的沉降量為16.88 cm，即如不打設(shè)鋼板樁，則圍墻處的沉降量為16.88 cm。現(xiàn)場已發(fā)生的工程事故說明此沉降量過大，需采用鋼板樁防護(hù)。

2）淤泥質(zhì)土的底標(biāo)高為-15.55m，初步設(shè)定鋼板樁的打設(shè)底標(biāo)高為-16.0 m（嵌入下臥持力層0.45m）。

3）求得各土層的側(cè)摩阻力系數(shù)及端阻力系數(shù)，其中鋼板樁型號為拉森FSP-IV，具體如表1及表2所示。根據(jù)豎向受力平衡，迭代計算，可以求得鋼板樁的沉降量為2.13 cm，具體計算結(jié)果見表3。

表1 各土層的側(cè)摩阻力系數(shù)Table 1 Shaft friction coefficients of each layer

表2 土層榆（中粗礫砂）的端阻力系數(shù)Table 2 Tip resistance coefficientsof soil layer榆(medium-coarse gravelsands)

表3計算結(jié)果Table3 Calculation result

4）該沉降量較小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷不會對已建港區(qū)的建筑物造成不利影響，滿足設(shè)計要求。

5）確定鋼板樁的深度為-16.0 m，根據(jù)建筑物的平面布置，確定鋼板樁的平面防護(hù)范圍，完成鋼板樁防護(hù)方案。

3.5 防護(hù)效果

鋼板樁防護(hù)方案施工后，現(xiàn)場堆載預(yù)壓施工正常進(jìn)行，未再出現(xiàn)任何沉降、變形事故。圍墻及地坪的已有裂縫未見加寬，也未發(fā)展新裂縫。對沉降尤其敏感的水池接頭、管線未見異常情況。各方都對防護(hù)效果感到滿意，鋼板樁防護(hù)在本工程中取得了成功。

4 結(jié)語

1）基于應(yīng)力隔斷的鋼板樁防護(hù)相比國內(nèi)傳統(tǒng)防護(hù)手段（如攪拌樁或者旋噴樁加固）具有施工便捷、見效快、易于管理等顯著優(yōu)勢，具有廣闊的運(yùn)用空間，值得進(jìn)一步研究及推廣。尤其在某些條件受限情況下，比如本工程，鋼板樁防護(hù)可能會成為唯一選擇。

2）某港口工程采用鋼板樁防護(hù)堆載預(yù)壓施工期間的臨近建筑物，取得了令人滿意的效果，通過工程實(shí)例驗(yàn)證了基于應(yīng)力隔斷的鋼板樁防護(hù)的有效性，可為類似工程提供有價值的借鑒。

3）本文介紹了基于應(yīng)力隔斷的鋼板樁防護(hù)原理，引述了日本的鋼板樁防護(hù)簡易計算方法，以某實(shí)際工程為例詳細(xì)闡述了鋼板樁防護(hù)方案的計算及設(shè)計，可為讀者提供有價值的參考。

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