伍琪琳，王征亮

0 引言

在软土地基的堆填活动（填筑路堤、推填围堰、堆载预压等）常常造成周边场地出现明显的沉降、水平变形或隆起现象，进而导致周边建筑物（房屋、管线、沟、井等）开裂或破坏。这不仅造成经济损失，往往还导致社会纠纷，严重阻碍建设活动的正常进行。工程界已有不少防护措施，以避免周边建筑物的破坏或降低推填活动对其的影响。从原理上可以分为两大类：1）加固周边土体，提高其强度、变形、渗透等指标，比如打设搅拌桩、旋喷桩[1-2]等；2）应力隔断，比如打设钢板桩，阻断应力向周边土体的传递[3-5]。

基于加固周边土体原理的治理措施在国内已经得到广泛运用，然而基于应力隔断原理的防护案例在国内却鲜有耳闻，甚至难以找到相关文献，但这一技术在日本却得到广泛运用，被视为传统手段。例如，在日本软土深厚的熊本平原、丰冈盆地、新川地区等路堤填筑时，基于应力隔断理论设计的钢板桩被作为最主要的建筑物防护措施。

日本国内已经有成熟的基于应力隔断的钢板桩防护计算理论、方法及商业软件，并且其钢板桩防护方案不仅有全部钢板桩贯入持力层的“全落底法（All Bottom-OutMethod）”，还有仅小部分钢板桩贯入持力层，大部分钢板桩悬挂的“部分悬挂法（Partial Floating Sheet-Pile Method”）[3-5]。

基于应力隔断的钢板桩防护相比搅拌桩或者旋喷桩加固周边土体的防护具有以下显著优势：

1）施工便捷，效果立杠见影。一方面，钢板桩施工快捷，工期短；另一方面，钢板桩施打后即可起到防护效果，建设活动可以很快恢复。搅拌桩、旋喷桩等都需要一定的龄期才能增长强度。

2）安全可靠，便于管理。钢板桩为现成预制产品，质量可控；搅拌桩、旋喷桩等属于地下工程，需监管人员的有力监督及施工人员的自律意识才能确保质量。

3）节能环保。钢板桩本身不造成土体的污染，防护后可拔出重复利用，不造成资源消耗。

由于钢板桩防护具有上述优势，可以预见在某些项目中采用基于应力隔断的钢板桩防护将取得良好效果。

1 应力隔断原理

应力隔断的原理：通过在地基中打入刚性结构（比如刚性桩），有效地隔断应力向周边土体的传递，从而大幅度地减小周边土体的地基变形，避免周边建筑物的破坏。钢板桩防护正是基于这一原理。

2 基于应力隔断的钢板桩计算方法

由于国内尚未有基于应力隔断的钢板桩防护的计算理论、方法及程序，本文主要引述及介绍日本的钢板桩防护简易计算方法。日本的钢板桩计算模型如图1所示，计算方法主要基于以下原则：

1）地基中的钢板桩受到桩侧摩檫力及桩端阻力共同作用，两者在垂直方向应力平衡。

2）采用弹塑性（双线性）弹簧模拟桩侧摩阻力及桩端阻力，即当土体~钢板桩相对位移在一定范围内时，桩侧摩阻力及桩端阻力呈线性增长，当应力增长到最大值后不再变化。

3）桩侧摩阻力的作用方向取决于桩土相对位移关系。当桩相对土向下位移时，桩侧摩阻力向上，反之，则向下。

4）（受保护侧）受影响范围的土体对钢板桩的侧摩阻力作用也视为弹塑性（双线性）弹簧模型，其刚度需考虑受影响范围土体自身的剪切刚度。

5）钢板桩的沉降量等于与钢板桩相邻的受保护侧地基沉降量。

图1 钢板桩计算模型Fig.1 Calculationmodel for sheet-pile

2.1 堆载侧的侧摩阻力

桩侧摩阻力弹塑性模型如图2所示，其中：kSVB=0.3kH，kSVB为侧摩阻力系数；kH为地基水平反力系数。众多文献[6-8]给出了水平反力系数的计算方法，本文引用日本道路协会提供的公式，如下：

式中：E0为地基变形模量；琢为修正系数；BH为水平荷载等效作用宽度。

图2桩侧摩阻力弹塑性模型Fig.2 Elastic-plasticmodelof pile shaft friction

2.2 受保护侧地基的侧摩阻力

受保护侧地基的桩侧摩阻力模型与上述（堆载侧）桩侧阻力模型相同，但是侧摩阻力系数K需考虑受影响土体的剪切刚度kG，计算公式如下：

式中：自为泊松比；B为受影响宽度，根据实际工程案例的经验，一般可取值为2m。

侧摩阻力的极限值子max：

对于砂性土：子max=2N

对于黏性土：子max=C或10N

式中：N为标贯值；C为土体不排水抗剪强度。

2.3 端阻力

桩端阻力弹塑性模型如图3所示，其中：

式中：BV为垂直荷载等效作用宽度AV为单桩截面面积。

单位面积端阻极限值qD=300N。

图3 端阻力弹塑性模型Fig.3 Elastic-plastic model of tip resistance

3 工程运用

3.1 工程概况及事故简介

某港口工程采用堆载预压加固下卧软弱土层，堆载厚度（从周边场地的地坪高程起算）为3 m，共分3级，每级1 m。堆载预压坡脚为已建港区的围墙墙脚，距离已建水池7 m。下卧地基以松散粉细砂（混淤泥）及淤泥质土为主，淤泥质土总厚度约7 m，具体如图4所示。

图4 钢板桩防护断面Fig.4 Section of sheet-pile protection

已建港区已于数年前进行过堆载预压处理，其中水池区域的堆载厚度为5 m，设计固结度为不小于95%。理论分析，如已建港区的地基处理效果达到预期，则本工程的堆载预压活动对水池区域影响较小，因此，原设计方案并未考虑对水池进行防护。

实际施工中，施工方在完成第一级堆载施工时，发现靠近堆载侧的地基有一定沉降，距离越近沉降越大；已建围堰明显向堆载侧倾斜，并出现多处裂缝；围墙与水池间的混凝土地坪出现多处裂缝，混凝土板的分缝被拉开；水池的多个水管接头被拉开，漏水严重，甚至出现过喷水情况。由于严重影响了已建港区的正常运营，运营者要求立即停止本工程的堆载预压施工，采取防护措施，保证已建港区建筑物（围墙、灯塔、水池等）的安全。

事故发生后，经各方调查，总结事故产生主要原因是：1）已见港区的地基处理效果不理想。据了解，水池建设时即可观测到沉降的发生，建设完毕后，实测工后沉降超过了40 cm，远超设计值。2）堆载活动导致周边地基发生明显沉降，因而导致围墙倾斜及开裂；3）靠近堆载的区域沉降大，远离堆载的区域沉降小，不均匀沉降导致了混凝土地坪开裂，水管接头被拉开。

3.2 防护方案

现场工期紧张，如采用搅拌桩或者旋喷桩搅拌防护，需等待28 d龄期以满足桩体的强度增长，难以满足工期要求。因此，项目团队决定采用钢板桩防护方案，防护断面如图4所示。

3.3 钢板桩方案的理论计算

从上文所述的钢板桩计算方法的4条原则可知：从钢板桩竖向受力平衡出发，当钢板桩的打设深度确定后，钢板桩的沉降（即与钢板桩相邻的受保护侧地基沉降量）就成了唯一未知数。因此，钢板桩防护具体计算流程如下：

1）采用传统沉降计算方法（例如分层总和法）计算不采用钢板桩防护时地基在推填荷载下的沉降量，判断该沉降量是否会引起周边建筑物破坏，如是，则需采用钢板桩防护。

2）根据地质条件初步确定钢板桩打设深度。

3）假定钢板桩沉降量为任一数值，求得对应的桩侧摩阻力及端阻力，判断是否满足钢板桩竖向受力平衡，如否，则重新设置新的钢板桩沉降数值，迭代计算，直至满足钢板桩竖向受力平衡。此沉降数值即为初步确定的钢板桩打设深度对应的沉降量。

4）判断沉降量是否满足要求。是，则结束计算；否，则退回第2）步调整钢板桩打设深度重新计算，直至沉降量满足要求。

3.4 案例工程的钢板桩计算

根据上述钢板桩计算流程，案例工程的钢板桩计算步骤如下：

1）采用分层总和法计算钢板桩处的沉降量为16.88 cm，即如不打设钢板桩，则围墙处的沉降量为16.88 cm。现场已发生的工程事故说明此沉降量过大，需采用钢板桩防护。

2）淤泥质土的底标高为-15.55m，初步设定钢板桩的打设底标高为-16.0 m（嵌入下卧持力层0.45m）。

3）求得各土层的侧摩阻力系数及端阻力系数，其中钢板桩型号为拉森FSP-IV，具体如表1及表2所示。根据竖向受力平衡，迭代计算，可以求得钢板桩的沉降量为2.13 cm，具体计算结果见表3。

表1 各土层的侧摩阻力系数Table 1 Shaft friction coefficients of each layer

表2 土层榆（中粗砾砂）的端阻力系数Table 2 Tip resistance coefficientsof soil layer榆(medium-coarse gravelsands)

表3计算结果Table3 Calculation result

4）该沉降量较小，根据经验判断不会对已建港区的建筑物造成不利影响，满足设计要求。

5）确定钢板桩的深度为-16.0 m，根据建筑物的平面布置，确定钢板桩的平面防护范围，完成钢板桩防护方案。

3.5 防护效果

钢板桩防护方案施工后，现场堆载预压施工正常进行，未再出现任何沉降、变形事故。围墙及地坪的已有裂缝未见加宽，也未发展新裂缝。对沉降尤其敏感的水池接头、管线未见异常情况。各方都对防护效果感到满意，钢板桩防护在本工程中取得了成功。

4 结语

1）基于应力隔断的钢板桩防护相比国内传统防护手段（如搅拌桩或者旋喷桩加固）具有施工便捷、见效快、易于管理等显著优势，具有广阔的运用空间，值得进一步研究及推广。尤其在某些条件受限情况下，比如本工程，钢板桩防护可能会成为唯一选择。

2）某港口工程采用钢板桩防护堆载预压施工期间的临近建筑物，取得了令人满意的效果，通过工程实例验证了基于应力隔断的钢板桩防护的有效性，可为类似工程提供有价值的借鉴。

3）本文介绍了基于应力隔断的钢板桩防护原理，引述了日本的钢板桩防护简易计算方法，以某实际工程为例详细阐述了钢板桩防护方案的计算及设计，可为读者提供有价值的参考。

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