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第四章 钢板桩围堰的变形特性分析
4.1 概述
钢板桩围堰是一种柔性支护体系，其变形比一般的基坑工程偏大，而且围堰位于江水之中，变形特性与一般的基坑工程有所不同。钢板桩围堰的变形是与钢板桩墙的刚度和强度紧密相关的，因此如能全面地掌握围堰的变形特性，将会对以后的设计和施工起到积极的作用。
本章主要对由监测数据得到的位移图和曲率图进行变形特性分析。位移图直接由测斜数据绘制而成。曲率采用二阶中心差商求导的方法得到，本章中计算曲率时采用计算步长为h＝1.0m，并进行形心修正的方法。

图1 12号墩4号孔监测位移及曲率

图2 12号墩2号孔监测位移及曲率
由上图可以看出，当抽水至基坑底部时，由于内外水压力差变大，外部水压力作用下钢板桩向围堰内移动。本工程采用的施工方法，先放支撑体系，再打钢板桩，致使钢板桩在打入过程中，与支撑体系连接不够紧密，存在缝隙。当出现外部压力明显变大时，因为缺少有效支撑力，钢板桩会向围堰内有较大位移。较大的位移会使得曲率发生较大变化，影响围堰整体安全性，甚至会出现类似“踢脚”破坏的现象，对工程施工不利。
针对这一问题，必须在结构工艺方面采取措施避免“踢脚”破坏，在监测方面找到可行的方法尽早发现“踢脚”破坏的迹象以保证安全。为此也必须在分析计算方法方面做出相应改进。
另外，由于本工程围堰尺寸很大，开挖较深，围堰内外压力大，且嵌固深度不够，按常规设计，支撑会很密，对工程施工带来很大的不便，如何在保证围堰安全的前提下，优化支撑体系，提供较好施工条件，也是围堰设计中需要考虑的重要问题。
为防止因钢板桩和支撑体系连接不紧密引起的破坏，有 3种可用方法：(1) 将围堰扩大，内部放坡；(2) 增加支撑层数；(3) 加固钢板桩底。
比较 3 种方法，由于围堰本身已经很大，按方法(1)会导致支撑体系增大造价增加，另外由于 4个桥墩同时施工，对渡汛和行船会有影响；按方法(2)由于本工程采用将支撑体系做成整体先放入水中，再打钢板桩，所以，当发现钢板桩有大的位移时，再加支撑，工程施工难度大，工序复杂，而且不能很好借助原有支撑体系作用；方法(3)加固钢板桩底原则上是可行的，但单纯用它不足以解决问题。
钢板桩围堰稳定的关键是支撑体系，考虑水位涨落、施工船只停靠挤压等不利因素，一般需要较大安全储备。另外，为了便于施工，支撑不能过密。因此本工程采用较强的围檩(腰梁)和强而疏的支撑。

钢板桩围堰工程是风险性较大的系统工程，监测工作是围堰工程的一个重要组成部分，贯穿整个围堰施工过程。围堰监测的主要日的是确保围堰本身的安全性。
桩身变形监测卞要通过布置测斜管来实现，在围堰每边的中点布置1个观测点，每个围堰布置4个观测点，共计16个观测点。为了真实反映支护结构的挠曲状况，将固定测刹管的小80mm镀锌钢管焊接在钢板桩上，随着钢板桩的打设就位把测斜管放入镀锌钢管中，并在测刹管与镀锌钢管之问填入细砂固定。
监测结果真实反映钢板桩的挠曲状况。以12号墩4号孔为例，开始时水位高程6. 5 m，坑底高程-7. l m，整个抽水过程持续5d,抽水过程中共监测5次。第1次抽水至2. 2 m第2次至-2. 4 m第3次至-3.5m，第4次至-6. 6 m，最后1次抽水到坑底即-7. l m。第2次监测与第1次监测相比水位下降4. 6m故位移、曲率曲线相差较人。最后两次对应围堰内水位高程相差很小，仅下降0. 5 m，位移和曲率曲线也非常接近(见图3)可见，围堰内外的水位差直接影响钢板桩的受力和变形，这也更加直观的验证了监测结果真实反映钢板桩在施工过程中的变形。
监测数据显示，抽水过程中4号孔钢板桩最大位移为58mm，发生在抽水到底工况。最人位移处在-7. 2m高程处即坑底附近，最大曲率也发生在同一工况的此位置，最人曲率为-105 x10-4/m，根据曲率可计算出钢板桩的弯矩圈，对应弯矩计算结果为1821KN·m。

通过对广州市黄榄快速十线蕉门水道大桥桥墩承台钢板桩围堰设计、计算及分析并对比
监测数据得到以下结论。
1．与传统钢板桩围堰施工工序相比，此工程的施工工序可避免传统工序钢板桩发生变形后才设置支撑因而变形较人的缺陷。对控制钢板桩的位移和弯矩起到了很好的作用，同时人人缩短了围堰内抽水(吸泥)过程的时问，保证了蔡个围堰施工的安全。
2)从经济角度出发，该技术可以节约一层内支
撑;缩短工期的同时也缩减了钢板桩租用资金。
监测结果显示，采用这种先放支撑后打钢板桩的施工方法，在后续工况的施工过程中，因为钢板桩和支撑之间连接不紧密，容易造成在拆除支撑过程中钢板桩靠近基坑底部位移偏大，影响钢板桩围堰整体稳定性。因此，为了减少钢板桩位移，可以在抽水至最底层支撑前，设置钢管桩进行护脚处理。

图1 钢管桩护脚示意图
3)木工序施工过程中很容易出现钢板桩与环梁不贴紧的情况，对控制桩身变形不利。如果要有效地控制钢板桩位移，必须注意提高钢板桩插打的垂肖度和精度。
4)在保证钢板桩插打精度的情况下，在钢板桩插打合龙完毕至抽水前可以潜水在环梁与钢板桩缝隙问填塞一些小块铁板等硬物，弥补插打钢板桩精度不足所带来的钢板桩围堰的变形。

对每一层支撑本身，最大轴力出现在安装后第一级开挖时。
支撑体系需要有足够大的安全系数，以备各种不确定因素的作用，依工程经验，支撑的安全系数可取为 2。
钢板桩底的位移是判别踢脚破坏的关键信息。由于钢板桩上部位移很大，不可能采用通常陆上基坑由桩顶向下计算测斜数据的方法。因此改利用支撑的刚性，将测斜管布置在有对撑的部位，仍以测斜管底为起点计算位移。由于支撑刚度很大，相对于测斜数据可认为是不变长度，如果桩底发生向堰内移动，从对应 2 条测斜管测得支撑点位移会出现相对远离现象，这个相对位移值就可作为是否踢脚的判据曲线。本围堰有 6 层支撑，可利用上面 4 层进行监测并相互校对。
支撑轴力监测是在每层支撑安装后立刻开始，测试数据基本与计算预测的规律相符，各层支撑的轴力均表现出开始大，安装下一层支撑后逐渐减小的特点。

工程施工过程中，对钢板桩的变形和支撑的轴力进行了监测，施工后期又采用测试围堰内同一对撑两端对称的钢板桩相对位移变化量来监测桩底位移的方法判断是否发生踢脚破坏，保证了工程的安全，也为钢板桩围堰的监测拓展了新的思路；整个监测值变化过程与工程设计值较为吻合。