钢板桩墙的超常用途

钢板桩墙的打拔不会引起土壤沉降， 喜迎城市基础新时代

中国每年有成千上万个钢板桩项目在施工。钢板桩非常适用于临时性基础作业，符合现代的减排-再利用-回收理念。这是我们在深基础微信群里经常讨论的话题。本周我们分享一些令人兴奋的关于打拔钢板桩引起土壤沉降的科学研究结果。

钢板桩的主要应用是在开挖地和周围建筑之间创建一个临时或永久性屏障，如岸壁、挡土墙、隧道和地下停车场。钢板桩也非常适合临时挖掘工作，如基坑的防水隔墙。在中国，地连墙是建设挡土墙的首选方法。相对于地连墙来说，钢板桩墙是一种临时结构。这种临时方案很适合当代趋势，如减少混凝土、膨润土泥浆和钢筋笼。在实践中，建地连墙的材料常常除了挡土外并没有别的功能，而且在项目结束之后很难拆除。但钢板桩却容易拔出，并在新的工地再用。今天，我们通过分析钢板桩打拔过程中土壤沉降的一些常见误解，再次看看挖掘深达18米机坑时使用钢板桩的好处。





 
社会的一个总趋势是环境问题日益重要（如膨润土污染），人们对诸如噪音、排放和交通堵塞等不适的接受率正在下降。因此，对建设活动，特别是城市化地区的建设活动所造成的环境问题和潜在风险研究需求也在增长。现在的建设项目需要评估对整个环境的影响，以确保安全。钢板桩墙和免共振锤能解决这些重要问题。几年来，人们已经很重视避免振动干扰。随着免共振打桩法的兴起和普遍接受，人们的注意力开始转移到振动打桩过程中的土壤沉降。预测土壤沉降是一项挑战性工作。Meijers博士将他的的博士论文研究重点放在建模过程中打拔临时钢板桩墙时土壤的沉降。以下的许多信息是对他的论文( “振动法打钢板桩过程中的土壤沉降，Delft大学 土木工程与地质学系 2007”)的释义。本文末有该论文的链接。

 
在论文中，Meijers博士回顾了现有的预测模型，并开发了自己的模型。其模型随后被现场工作证实。现场工作表明，模型还需改进，但来自现场的数据是广泛的，有助于做出明智的设计决定。
打拔桩过程中最有可能导致土壤沉降的机制是土壤的密实和土壤对桩体积的置换。下面更详细地讨论这两种情况。
 
打钢板桩的过程中
土壤的密实化大多发生在打钢板桩墙的过程中。振动经由在钢板桩和土壤的接触面被导入到土壤中。振动波进入土壤，振动强度随距离而消减。这些振动能量循环的给土壤加载。正是这些负载导致土壤密实、形成土壤超孔隙压力。循环加载是个连续的过程，负载不断地随着土壤条件和打桩力而变化，导致土壤基质发生连续变化。首先受到紧紧挤压的土壤颗粒可能会失去其围压和在土壤中翻滚的空隙。而另外的颗粒则开始相互滑动，会有轻微的旋转。结果是土壤基质会有些变化，形成新结构，可能密度也改变。随着钢板桩下沉，更多的土壤颗粒获得稳定状态，变形将会减少。在实践中，土壤的沉降量是有限的，因为钢板桩的插入体积抵消了密实影响。


 
拔桩过程中
拔桩过程和打桩过程是类似的。振动锤原位振动，直到桩被震松。“在这一阶段，土壤中可能出现各种情况，比如 钢板桩周围产生超孔隙压力、钢板桩拉伸、桩和土壤之间界面摩擦减少。当降解(包括液化)降低钢板桩和土壤之间的摩擦力到足够程度，钢板桩就会开始移动。此后，钢板桩被拔出，通常拔出速度会不断增加。”钢板桩本身有一定体积，因而拔桩则会在下层土中留下空隙。“当有土粘到桩上，拔桩留下的空隙会超过桩的净体积。在沙土中，这种影响小（1mm以下），而在粘土中，大量的泥会粘到钢板桩上。空隙不会保持完整，泥土会流入空隙，将其填补，从而导致更多的沉降。”要减少拔桩过程中粘到桩上的泥土，常见做法是给桩涂上润滑剂，或者把桩打深一点，以降低桩-土摩擦力，抑制泥土附着到桩上。Meijers博士总结到：“在拔桩阶段，测得的表面沉降值与模型计算值一致，或稍低。这种情况下，拔桩过程引起的沉降主要由被拔除钢板桩的体积决定。总体趋势是钢板桩附近沉降多，距离越远沉降越少。”
Meijers博士的研究表明，在沙性土壤中，当使用高频振动锤时，在距离钢板桩墙0～1米之间，钢板桩振动引起的沉降是不同的。沉降深度通常在几厘米以内。许多情况下，钢板桩引起的沉降被忽视了，因为工作区域内其他的干扰更大（如 重型机械的移动）。“约占一半的钢板桩研究项目，其钢板桩墙附近（>1米）的土壤沉降超过0.1米。在距离为打桩深度的一半之处，地表沉降变得可忽略不计。”
这些土壤沉降的观测结果与开始挖防渗墙时抓斗工作引起的表面沉降一致。

 

基础产业的发展
基础产业正在迅速变化：市场供应的钢板桩更宽更长，钢板桩-护筒组合墙或钢板桩- 工字钢组合墙可选用，打桩设备日新月异，监管机构正在推动更环保的方法，而设计院也正在为市场带来真实的变化。对不同的土壤类型也需要做更多的研究。ICE正在寻求合作伙伴，推进行业发展。请联系我们，欢迎你的建议！