天津市海河堤岸工程中預(yù)制板樁墻設(shè)計(jì)

呂中維 陶連銀 張

海河堤岸工程是天津市海河兩岸綜合開發(fā)的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目,歷史上海河堤岸改造工程中直立式護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式先后采用過預(yù)制板樁墻與錨碇系統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)、預(yù)制間隔樁擋板與錨碇系統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)、支承于混凝土預(yù)制樁(或木樁)上的重力擋土結(jié)構(gòu)等等。目前堤岸結(jié)構(gòu)工程中密排灌注樁、地下連續(xù)墻等亦有采用,而灌注樁、地下連續(xù)墻均需要現(xiàn)場制作鋼筋籠和澆筑水下混凝土,要求現(xiàn)場有較大的施工空間,對場地要求較高,且水下澆筑混凝土質(zhì)量保證率低,同時(shí)鋼筋制作以及混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長,從而施工周期長,另外,現(xiàn)實(shí)施工中灌注樁難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)外切,常出現(xiàn)較大間隙,需采取止水措施,如設(shè)水泥旋噴樁等,地下連續(xù)墻所需結(jié)構(gòu)厚度較大,不夠經(jīng)濟(jì);而預(yù)制板樁墻作為預(yù)制構(gòu)件,可以在預(yù)制廠提前加工制作,結(jié)構(gòu)本身的安全度容易保證,經(jīng)濟(jì)合理,同時(shí)不需現(xiàn)場制作鋼筋籠和澆筑水下混凝土,對場地要求不高且節(jié)省了施工周期,在施工上采用成槽植樁工藝,樁與樁之間連接易于平順、間隙便于控制。前期實(shí)施的海河堤岸工程位于天津市中心城區(qū),海河兩岸周邊場地狹小,同時(shí)工程施工周期短,更為重要的是預(yù)制板樁墻作為預(yù)制構(gòu)件,結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度容易保證,因此預(yù)制板樁墻結(jié)構(gòu)在堤岸工程中應(yīng)用,其安全性、經(jīng)濟(jì)性得以充分發(fā)揮。以下結(jié)合海河堤岸結(jié)構(gòu)對預(yù)制板樁墻進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

預(yù)制板樁墻設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容是在各類作用效應(yīng)組合下,板樁墻的 “踢腳”穩(wěn)定性、錨碇設(shè)施的穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性和按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)樁的承載力及構(gòu)件強(qiáng)度等計(jì)算。

1 預(yù)制板樁墻的 “踢腳”穩(wěn)定性計(jì)算

1.1 地質(zhì)條件

各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

1.2 地震情況

工程處于7度抗震設(shè)防區(qū),設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g,場地類別為Ⅲ類,設(shè)計(jì)地震分組為第1組,工程區(qū)飽和粉土為不液化土層。

1.3 計(jì)算條件

設(shè)計(jì)計(jì)算樁排墻墻頂及墻后土面標(biāo)高為4.100m,拉桿標(biāo)高為2.500m;設(shè)計(jì)計(jì)算樁排墻入土深度和穩(wěn)定性時(shí),河底高程為-1.50m;設(shè)計(jì)荷載:親水平臺(tái)人群流動(dòng)荷載4.00kN/m2;考慮臨時(shí)度汛荷載10.00kN/m2;設(shè)計(jì)水位:設(shè)計(jì)高水位2.50m;設(shè)計(jì)低水位0.50m;極端低水位 -0.50m。

計(jì)算簡圖見圖1。

1.4 計(jì)算結(jié)果

預(yù)制板樁墻“踢腳”穩(wěn)定性計(jì)算所得預(yù)制板樁入土深度為-9.514m,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)彎矩值為77.350(kN?m)/m,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)剪力值為88.618kN/m,整體穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范[1～2]要求。

圖1 預(yù)制板樁計(jì)算簡圖

2 預(yù)制板樁設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)制板樁的型式及選型

鋼筋混凝土預(yù)制板樁可采用矩形或T形截面,也可采用圓管形或組合形截面。工程中應(yīng)用最為廣泛的是矩形截面,其厚度應(yīng)由計(jì)算確定,可采用200～500mm。當(dāng)板樁厚度較大時(shí),宜采用空心板樁以達(dá)到節(jié)省工程量減輕結(jié)構(gòu)自重,矩形截面預(yù)制板樁的寬度多為500～600mm。當(dāng)施工條件允許時(shí),宜增大板樁寬度,減少板樁和接縫的數(shù)量。矩形截面預(yù)制板樁的細(xì)部構(gòu)造見圖2,海河堤岸結(jié)構(gòu)工程中大部分均為該形板樁。

圖2 預(yù)制板樁細(xì)部構(gòu)造圖

2.2 預(yù)制板樁的強(qiáng)度計(jì)算

由第1部分可知:預(yù)制板樁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)彎矩值為77.350(kN?m)/m,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)剪力值為88.618kN/m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取預(yù)制板樁厚度為300mm,寬度為600mm,混凝土強(qiáng)度等級為C35進(jìn)行試算,同時(shí)根據(jù)JTJ 292—98《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》第3.1.6條之規(guī)定:計(jì)算板樁碼頭中所有鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)度時(shí),作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值可按有關(guān)作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的作用效應(yīng)乘綜合分項(xiàng)系數(shù)確定。綜合分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)采用1.40,所以預(yù)制板樁彎矩設(shè)計(jì)值為77.350×1.4×0.6=64.974(kN?m)/m,預(yù)制板樁剪力設(shè)計(jì)值為 88.618×1.4×0.6=74.439kN/m。再根據(jù)如下公式進(jìn)行預(yù)制板樁強(qiáng)度計(jì)算。

其中,fcbx=fyAs+f′yA′s。

預(yù)制板樁豎向鋼筋采用HRB335級鋼筋、箍筋采用HPB235級鋼筋,經(jīng)計(jì)算所需豎向鋼筋面積為917mm2,所需箍筋按構(gòu)造要求配置即可。結(jié)合板樁運(yùn)輸和吊裝要求選配豎向鋼筋5Ф 20(面積為1570mm2)可以滿足計(jì)算要求。

3 預(yù)制板樁施工中應(yīng)注意的問題

3.1 預(yù)制板樁的預(yù)制及轉(zhuǎn)運(yùn)、堆放

預(yù)制板樁在工廠預(yù)制,預(yù)制后養(yǎng)護(hù)28 d,經(jīng)試驗(yàn)確保強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,用平板拖車運(yùn)至現(xiàn)場,在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中應(yīng)采取有效的措施保證樁身質(zhì)量不受損壞。植樁現(xiàn)場,在板樁堆放前應(yīng)對場地進(jìn)行平整壓實(shí),堆放高度不超過3層。

3.2 植樁允許偏差

預(yù)制板樁的植樁允許偏差見表2。

表2 預(yù)制板樁的植樁允許偏差

3.3 植樁

因?yàn)轭A(yù)制板樁是剛性體,軸線方向陰隼陽隼錨固相連形成一道地下連續(xù)墻體,所以定位樁的垂直度和穩(wěn)定性很是關(guān)鍵。在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制其垂直度和平面位置,并按要求將定位樁沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高,以確保定位樁的穩(wěn)定性。在工程中為了便于控制樁底高程,往往在設(shè)計(jì)槽底回填一定厚度的碎石。在完成定位樁的植樁后,再逐根依次將下一根板樁套隼植入,然后一次性沉樁到設(shè)計(jì)標(biāo)高位置。

3.4 植樁后板樁墻的保護(hù)措施

板樁墻形成后,在后方的錨固設(shè)施還未形成之前,墻后的土體荷載、機(jī)械設(shè)備動(dòng)荷載均會(huì)引起整個(gè)板樁墻的位移;因此,應(yīng)對植樁后的板樁墻進(jìn)行保護(hù),通過開挖板樁墻后的土體,以減輕土體荷載;植樁施工前,開挖減震溝,以減小植樁過程中對板樁墻的震動(dòng)破壞。并應(yīng)在整個(gè)板樁施工過程中,對板樁墻和護(hù)岸、堆場的其它構(gòu)件進(jìn)行了全面觀測,以便及時(shí)采取相應(yīng)保護(hù)措施。

4 結(jié) 語

將預(yù)制板樁應(yīng)用于天津市海河堤岸工程,雖然在施工過程中也遇到過一些問題,如樁位偏差較大、個(gè)別樁頂高程低于設(shè)計(jì)標(biāo)高、板樁之間的縫隙較大等等,但這些問題通過采取一些有效的措施是可以解決的,且工程竣工多年來運(yùn)行狀態(tài)良好。應(yīng)該說將預(yù)制板樁應(yīng)用到海河堤岸工程是一個(gè)非常成功的范例,只要因地制宜地在充分總結(jié)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,精心設(shè)計(jì)、選取適宜的施工工藝,預(yù)制板樁墻必將擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

[1] JTJ 292—98,板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[2] JTJ 250—98,港口工程地基規(guī)范[S].