明挖基坑中拔除钢板桩引起的土体变形研究

摘 要：软土地质条件下，受拔桩振动和桩身带泥现象的影响，钢板桩拔除后遗留的孔隙往往大于自身体积，若不及时填充，可能会引起周围土体的变形。结合某基坑工程，对拔除钢板桩后的土体变形进行观测，并将地表沉降实测值与基于Mindlin解的弹性理论值进行了对比分析。

钢板桩是一种边缘带有锁口，并可以通过自由组合的方式，将锁口对接形成连续紧密的挡土墙或挡水墙的钢结构体。相比于其他支护方式，因其在止水性、施工简便性、环保性、耐久性以及可重复使用性等方面的突出优点，钢板桩在世界范围内迅速得到了广泛的发展和应用，已经覆盖了众多岩土工程领域。20世纪50年代，我国首次在铁路桥梁的围堰施工中引进钢板桩。随着社会经济建设的持续发展，我国对钢板桩的需求日益增多，工程应用前景广阔。与此同时，国内外许多学者也对钢板桩开展了相关科学研究，主要集中在以下几个方面：钢板桩的冷弯性能、耐腐蚀性能等特性的研究；钢板桩孔型等结构的优化设计；钢板桩的打设工艺和流程；钢板桩的工程应用研究，尤其是在围堰和基坑临时支护施工中的应用。

由于钢板桩自身有一定的体积，在拔除后会在土体内部遗留孔隙。在软土地质条件下，甚至会有部分软土附着在桩体表面一同被带离地面，从而增大土体损失。如果不及时填充孔隙，在两侧土压力的作用下，周围土体变形可能会引起地表沉陷或开裂。对于周围存在敏感建(构)筑物时，拔除钢板桩引起的地表变形更是不容忽视。许琼鹤等认为拔桩带泥体积与桩身宽度、土质情况及表面粗糙程度等有关，一般单桩带泥量为桩身体积的2～5倍。Mejer和VanTol通过室内模型试验来研究板桩拔除引起的周围沉降，但由于试验在砂中进行，并未报道相应的实际工程。本文结合某个采用钢板桩支护的明挖基坑工程，对拔除钢板桩后的地表变形进行了现场监测，并对比分析了不填充孔隙和及时填充两种情形下的变形特点，为类似工程提供参考。

某基坑工程位于连云港市海州区，其中明挖段长约80m，宽约4m，开挖深度5.5m左右，支护结构采用钢板桩墙加内支撑的形式。其中，钢板桩墙深9m，采用型号SP-Ⅳ的U形钢板桩，每块钢板桩的宽B、高h、厚t和截面积As尺寸分别为400，170， 15.5mm和96.99cm2。为了加强钢板桩墙的整体刚度，沿钢板桩墙顶部全线设置冠梁，冠梁焊接在钢板桩上。内支撑采用外径609mm、壁厚16mm的钢管支撑，水平方向布置间距为6m左右。为了保证开挖安全和方便组织施工，基坑纵向采用分段顺序开挖的方式，每段长度约为20m。基坑开挖剖面及地层分布如图1所示。

图1  基坑开挖和地层分布剖面

连云港地区广泛分布着海相沉积软土，具有高含水率、高孔隙比、高压缩性和低强度等特性。在本工程支护深度范围内，地基土从上到下主要由杂填土层、淤泥质黏土层和深厚淤泥层组成，各土层的土体物理力学性质如表1所示。

表1  各土层物理力学参数

如图2所示，在钢板桩墙打设完成、土体开挖之前，在基坑中间区段的两侧空旷地带对称布置了2个水平位移观测点(I1～I4)和5个地表沉降观测点(S1～S10)。其中，水平位移观测点与钢板桩墙的距离分别为2m和4m，通过打设16m深PVC测斜管的方法，采用加拿大RST数字式测斜仪测量不同深度的水平位移变化值。地表沉降观测点与钢板桩墙的距离分别为1，3，5，7，9m，采用几何水准方法，仪器使用光学水准仪和铟钢水准尺。此外，在钢板桩拔除之后，将基坑左侧遗留的孔隙及时用水泥浆填充，而右侧不做任何处理，从而分别研究这两种情形下拔除钢板桩对周围土体的影响。

图2  平面观测点布置(单位：m)

由于本工程场地存在深厚淤泥土层，黏性较大，外加拔桩过程中的振动影响，桩身存在大量带泥现象，实际遗留孔隙体积要大于桩体自身体积。根据现场粗略测算，桩身附着的黏土体积约为桩身体积的2.5倍。因此，这种情形下的拔桩对周围土体的变形影响不容忽视。

2.1土体竖向位移

钢板桩拔除后30d内土体竖向位移变化曲线如图3所示，横坐标以对数坐标系表示。由图3可见，对于未填充孔隙的一侧，钢板桩拔除会引起周围地表发生明显沉降，且大部分沉降发生在拔桩后的10d内。在第30d时，周围土体的沉降已基本趋于稳定，最大沉降发生在距离钢板桩墙最近的S1点，约6.4mm。然而，对于及时采用水泥浆填充孔隙的一侧，钢板桩拔除引起的地表沉降显著减小，最大沉降同样发生在距离钢板桩墙最近的S6点，但只有1.8mm。其余观测点S7～S10的沉降值均＜1mm，且在第7～9天时就已经稳定，因此并未在图中表示。可见，采用水泥浆及时填充孔隙的措施可以有效减少拔桩引起的周围地表沉降70%左右。

拔桩引起的各点地表沉降与其距离钢板桩墙的位置关系如图4所示，横坐标表示观测点与钢板桩墙距离和钢板桩深度的比值。可见，随着距离钢板桩墙越远，拔桩引起的周围地表沉降越小，且衰减较快，在距离7m和10m处的沉降只有0.4mm和0.1mm。为了分析拔除钢板桩对周围环境的影响范围，图4还给出了Mejer和VanTol，Clough和O’Rourke的研究成果。其中，Mejer和VanTol通过模型试验研究认为拔桩对周围地表(砂)的影响范围约为钢板桩深度的一半。假设将钢板桩拔除看作一个细而长的基坑开挖，Clough和O’Rourke则认为基坑开挖的影响范围约为其开挖深度的2倍。由图4可见，本文中拔桩的影响范围约为1倍的钢板桩深度，实测曲线更加接近Mejer和VanTol的影响范围包络线，而基坑开挖的研究成果并不适用于钢板桩拔除。

图3  钢板桩拔除引起的土体竖向位移-时间关系

图4  地表沉降与其距离钢板桩墙位置关系

2.2实测结果与弹性理论计算对比

将式(2)代入式(1)，计算出拔除单个钢板桩引起的观测点位置处的地表沉降，并将各桩的计算结果线性叠加。图5表示各观测点实测沉降值与弹性理论值的对比。可见，弹性理论值要比实测值平均低60%左右。造成这一差异的主要原因，一是没有考虑各桩之间的相互影响，二是没有考虑土的屈服和塑性变形，而按照土的塑性理论可知，塑性变形一般比弹性变形大得多。然而，实测结果和理论结果一致表明拔桩引起的地表沉降随着距离钢板桩墙的增大而减小。

图5  地表沉降实测值与弹性理论值的对比

3.1土体水平位移

图6表示钢板桩拔除后30d时的土体水平位移，正值表示向坑内的侧移。由图6可见，拔除钢板桩引起的土体水平位移呈三角形分布，即最大水平位移发生在地表处，并随着深度逐渐减小。这可能是由于拔除钢板桩前已拆除钢管支撑，拔桩后使孔隙外侧土体处于悬臂状态，从而产生向内侧的位移。对于未填充孔隙的一侧，距离钢板桩墙2m(I1)和4m(I2)处的土体最大水平位移分别为4.23mm和2.31mm，影响深度约为钢板桩嵌入深度的1.5倍。采用水泥浆及时填充孔隙后，拔桩引起的周围土体水平位移显著减小，距离钢板桩墙2m(I3)和4m(I4)处的土体最大水平位移分别只有1.04，0.61mm，且影响深度也明显减小。

3.2土体应变

如图7所示，根据Finno和Nerby的定义，任一深度处的土体水平应变εh等于该深度处相邻两点的水平位移变化差值与其初始水平距离之比结合图6中水平位移观测点I1和I2的数据，图8给出了钢板桩拔除引起的不同深度处的土体水平应变计算值。由图8可见，最大水平应变发生在地表附近，且随着深度逐渐衰减。对于未填充孔隙的一侧，在地表以下14m范围内，钢板桩拔除引起的土体水平应变比较明显。而对于及时填充孔隙的一侧，钢板桩拔除引起的土体水平应变总体很小，且影响深度也有限。

图6  钢板桩拔除引起的土体水平位移

图7  土体水平应变的定义

图8  钢板桩拔除引起的不同深度处土体水平应变

1)在软土地质条件下，若对拔桩遗留的孔隙不做处理，拔除钢板桩将引起周围地表发生沉降，影响范围约为1倍钢板桩深度，且随着与钢板桩墙距离增大而减小。最大地表沉降可达6.4mm，比基于弹性Mindlin解的理论值大约60%。拔桩引起的土体最大水平位移发生在地表附近，为4.23mm。

2)若对拔桩遗留的孔隙及时用水泥浆填充，可以有效减少拔桩引起的土体变形和影响范围。最大地表沉降和水平位移分别减少70%和75%左右，只有1.8，1.04mm。可见，软土条件下拔桩对周围环境的影响不容忽视，应当有效采取相关措施。