預(yù)制混凝土板樁在岸坡支護(hù)中的應(yīng)用研究

仲曼，陳曉瑞，蔣紅俊

(鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

預(yù)制混凝土板樁在岸坡支護(hù)中的應(yīng)用研究

仲曼*，陳曉瑞，蔣紅俊

(鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

以蘇南運常州段河航道升級為背景，通過有限元軟件建立多個數(shù)值模型，確定典型斷面中的板樁長度和超載工況下板樁支護(hù)的可行性。并研究對板樁進(jìn)行錨固時最佳錨固點的選擇?；诳刂瓢鍢端轿灰频慕嵌却_定了板樁較佳的傾斜角度。通過工程實例對比直板樁和斜板樁在工程中的應(yīng)用效果，得出可以通過適當(dāng)增加板樁傾斜角度來達(dá)到縮短板樁長度的目的，從而降低工程造價。

預(yù)制混凝土板樁；數(shù)值模擬；岸坡支護(hù)；斜板樁

1 引 言

我國目前水運事業(yè)內(nèi)河航道等級偏低，大多數(shù)航道處于天然狀況，現(xiàn)存的多數(shù)低級航道已不能滿足目前運輸發(fā)展的需要。提升航道級別是對原航道進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖杩２⑼貙挘降腊镀碌谋砻嫱ǔＪ擒浲?，若放坡開挖，就需要大量征收航道周邊土地[1]，將拆遷大量的廠礦、碼頭及民宅商貿(mào)等建筑，此舉成本太高。

本文從蘇南運河常州段航道出現(xiàn)的實際工程問題出發(fā)，利用有限元軟件Flac 3D并對比現(xiàn)場試驗，研究采用混凝土板樁對航道岸坡的加固作用。

模型在航道軸線方向長度為 46 m，其中 30 m在河道內(nèi)， 16 m為岸坡。沿航道軸線方向?qū)挾葹?20 m，錨索長度為 8 m。在模擬懸臂式板樁時不激活錨索單元。模型如圖1所示。

圖1 Flac 3D有限差分計算模型

模型中土體參數(shù)通過室內(nèi)試驗得到如表1所示。板樁和錨索的參數(shù)如表2所示。

土性參數(shù) 表1

板樁和錨桿參數(shù) 表2

2 板樁垂直護(hù)岸的適用性研究

2.1 板樁嵌入深度的確定

在基坑工程中，板樁嵌入深度對開挖邊坡的穩(wěn)定性影響很大[2]，影響支護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度的因素較多[3]。數(shù)值模擬分析依據(jù)國家規(guī)范[4]和實際工程經(jīng)驗，選取板樁懸臂長度為 3 m，嵌入深度分別為 2 m、3 m、4 m。不同嵌入深度下板樁的位移情況如圖2所示。

圖2 板樁樁長對板樁水平位移的影響

從圖2中可以看出，隨著板樁長度的增加，板樁位移減小的幅度在降低，說明當(dāng)板樁的長度超過 6 m，板樁相對于 7 m板樁，降低岸坡和板樁的水平位移作用不太明顯。在板樁長度小于 6 m時，增加板樁長度對于岸坡和板樁的水平位移控制能起較大作用的。在實際工程中可以適當(dāng)增加板樁的長度，也就是在懸臂長度一定時，增加板樁的嵌入深度，可以有效地降低位移，增加安全性。

2.2 岸坡超載對穩(wěn)定性影響

京杭運河兩岸靠岸建設(shè)的廠礦企業(yè)較多，不利于岸坡的穩(wěn)定和安全。研究超載對岸坡穩(wěn)定性的影響，在有限差分模型中，板樁后 1 m的地方加入豎向的面荷載模擬超載，寬度為 5 m，沿河道方向分布。模擬的面荷載為 10 kPa、15 kPa和 20 kPa。以具代表性的樁體水平位移為參數(shù)，樁體水平位移對比如圖3所示。

圖3 岸坡超載時樁體水平位移

如圖3所示，荷載越大板樁位移越大，其增加幅度也在增大。相比于 10 kPa的超載，15 kPa超載下板樁的位移增加1倍，但水平位移數(shù)值仍然可以接受。當(dāng)超載 20 kPa時，樁體水平位移迅速增大，最大水平位移接近 30 mm，說明此時岸坡已經(jīng)變形很大，喪失安全性，懸臂板樁無法承受如此大的岸坡超載。 20 kPa對應(yīng)于實際中低矮的建筑物，所以懸臂式板樁在此工程中很難保證岸坡的穩(wěn)定性，適用性受到限制，需要增加其他輔助措施進(jìn)行加固。

2.3 錨桿錨固式板樁垂直護(hù)岸結(jié)構(gòu)研究

錨桿錨固式板樁在邊坡支護(hù)和碼頭工程中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，在岸坡支護(hù)中應(yīng)用較少，而且研究較少。由以上可知，當(dāng)荷載超過 20 kPa時，懸臂式板樁難以達(dá)到有效維護(hù)岸坡穩(wěn)定性的作用，研究岸坡表面過載情況下錨固板樁是勢在必行的[5]。

模型中錨桿長度 8 m。所得模擬結(jié)果以土體水平位移云圖如圖4所示。

圖4 岸坡土體水平位移云圖

由水平位移云圖對比發(fā)現(xiàn)，圖4(a)中岸坡位移沿板樁從下到上不斷增加，位移最大值在 0.2 m左右，已經(jīng)嚴(yán)重影響岸坡以及板樁結(jié)構(gòu)的安全性，板樁極有可能發(fā)生傾覆失穩(wěn)。圖4(b)中岸坡位移相對較小，最大位移發(fā)生在板樁頂端以下 1 m處附近，數(shù)值在 0.008 m左右，比無錨式板樁支護(hù)時明顯減小，說明錨固式板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)能夠有效阻止岸坡水平位移的增加，在岸坡過載工況下能夠保持岸坡和護(hù)岸板樁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。圖4(b)中板樁后面出現(xiàn)了水平向后的位移，是由于岸坡均布荷載位于板樁后不遠(yuǎn)，而板樁位移被有效控制，導(dǎo)致均布荷載另一側(cè)岸坡土體被向另一側(cè)擠壓。

2.4 最佳錨固點確定

將錨固點距樁頂?shù)木嚯x定為h，取h=2 m、1.5 m、1 m、0.5 m、0 m。不同錨固位置模擬的位移云圖如圖5所示。從圖5中對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨固位置較低時，岸坡位移主要集中于靠近樁頂部位置且數(shù)值較大，隨著錨固位置的升高岸坡較深處水平位移在增加，上部水平位移不斷減小。板樁樁體最大水平位移的變化趨勢可以用圖6中的曲線表示。

圖5 不同錨固點位置時岸坡水平位移云圖

圖6 樁體最大水平位移與錨固點位置關(guān)系

從圖6中可以看出，當(dāng)錨固點位置遠(yuǎn)離樁頂超過 0.5 m時，隨著錨固位置的下降，樁體最大水平位移在不斷增大，但是錨固點離樁頂在 0.5 m以內(nèi)時，樁體最大水平位移隨著錨固位置上升會增大，說明從控制岸坡位移方面考慮，最佳錨固位置在板樁樁頂以下 0.5 m處附近。實際工程中為了使施工方便，降低工程造價，可以在樁頂部位安裝錨桿，不會明顯影響加固效果。對于實際工程中，不同的板樁長度，不同的嵌入比，不同的錨桿，不同的土體土性參數(shù)等許多因素可能對最佳錨固點位置有一定的影響。

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果可信度分析

數(shù)值模擬作為一種研究手段在巖土力學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但由于其結(jié)果受到多種因素的影響很難準(zhǔn)確的反應(yīng)土體和結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力等參數(shù)。為了確定所模擬結(jié)果具有參考價值，需要提取特定的模擬結(jié)果與實測值進(jìn)行比對，若誤差在一定范圍內(nèi)，則所得模擬結(jié)果可以作為預(yù)測土體和結(jié)構(gòu)的變形和破壞趨勢的有效參考。以板樁的水平位移作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，分析所做模擬結(jié)果的可信性，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)測定

取6 m長錨固式板樁作為護(hù)岸結(jié)構(gòu)并且岸坡 20 kPa超載時板樁的樁體水平位移和現(xiàn)場試驗中板樁的鋼筋應(yīng)力進(jìn)行研究，實測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對比如圖8所示。

從圖8中可見，模擬數(shù)據(jù)比現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)稍大，但是變化趨勢是一致的，水平位移都是從樁頂端開始向下沿樁身不斷增大，到 2 m左右深度達(dá)到最大值，然后繼續(xù)減小。模擬結(jié)果中在 5 m左右深度板樁的水平位移減小速度變緩，而現(xiàn)場實測結(jié)果中在此深度變化趨勢稍有不同。

圖8 錨固區(qū)6 m樁樁體水平位移現(xiàn)場值和模擬值對比圖

3 斜板樁的應(yīng)用研究

3.1 板樁合理的傾斜角度

板樁傾斜嵌入土體支護(hù)岸坡作為一種新的支護(hù)方式，其有效性已得到論證。張燕[6]運用卸載拱原理分析墻土間摩擦角與墻背土壓力之間的關(guān)系。斜板狀的優(yōu)越性在于其作為一個結(jié)構(gòu)體系，在保證不出現(xiàn)失穩(wěn)的條件下，可控制位移量，不致影響周邊建筑物的安全使用。

一般支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是以控制水平位移為主，因為水平位移比較直觀，比較易于在施工過程中監(jiān)測。因此本節(jié)將從樁身位移的角度對斜板樁在工程中的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的研究。取傾斜角度為0°、2.9°和5.7°。

圖9 板樁水平位移圖

在保證垂直高度6 m不變的情況下，通過調(diào)整樁頂向支護(hù)側(cè)岸坡的傾斜距離，從而使板樁產(chǎn)生一定的傾斜角度。從圖9傾斜板樁樁身水平位移圖中可以看出，樁身的水平位移都有所減小，靠近樁頂部位位移量降低明顯，隨著傾斜角度的增加，樁頂?shù)乃轿灰圃诓粩鄿p小。說明從控制板樁水平位移來看，板樁存在一個較佳的傾斜角度，也可以說樁頂存在一個較好的傾斜距離。而由圖10板樁彎矩圖可以看出，板樁彎矩隨著傾斜角度的增加而有所增大。在實際工程中，支護(hù)岸坡的板樁失穩(wěn)模式主要是傾覆破壞、踢腳破壞和整體滑動破壞，通常不會發(fā)生折斷破壞。

圖10 板樁彎矩圖

為了進(jìn)一步尋找出板樁較佳的傾斜角度，將樁頂?shù)膬A斜距離增加到 1.5 m，由于樁頂向岸坡支護(hù)側(cè)發(fā)生傾斜后，在保持垂直高度不變時，樁身長度會有所加長，所研究的不同傾斜距離對應(yīng)的樁長如表3所示。

不同傾斜角度時的樁長 表3

圖11 不同傾斜角度板樁位移對比

圖12 斜板樁樁體水平位移

由圖11可以看出，隨著板樁傾斜角度的增加，樁頂?shù)乃轿灰屏吭诓粩鄿p小，而且降低幅度也在不斷縮小，樁底的水平位移從岸坡支護(hù)側(cè)向岸坡開挖側(cè)方向發(fā)生變化。當(dāng)板樁傾斜角度超過8.5°時，樁頂?shù)乃轿灰茰p小速度減緩很多。從圖12中可以看出，隨著板樁傾斜角度的增加，在板樁傾斜角度大于5.7°時，樁身0.2H范圍內(nèi)樁體的水平位移減小變化幅度在不斷縮小。綜合考慮，結(jié)合不同傾斜距離所對應(yīng)的樁長變化以及水上作業(yè)時的精確度，建議在實際工程中取板樁傾斜角度為5.7°～8.5°，這樣可以在基本保證樁身長度不變的情況下，降低板樁的位移，增加岸坡的穩(wěn)定性。

3.2 工程造價對比分析

將傾斜角度5.7°的6 m斜板樁與7 m垂直板樁進(jìn)行對比，兩者水平位移云圖如圖13所示。

由圖13的可以發(fā)現(xiàn)，6 m斜板樁與 7 m垂直板樁兩者樁頂?shù)乃轿灰葡嗖畈淮?，均?4 mm左右，可以認(rèn)為兩者在維持岸坡穩(wěn)定方面效果相同。由圖14現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以知道， 7 m垂直板樁的最終水平位移為 3.8 mm，這與數(shù)值模擬的最大水平位移相接近，說明此次水平位移的數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的參考價值。而由圖15板樁彎矩圖中可以看出， 7 m垂直板樁在樁身彎矩方面要優(yōu)于6 m斜板樁，這樣看來若板樁不發(fā)生折斷失穩(wěn)， 6 m斜板樁就可以更充分的發(fā)揮混凝土板樁的自身強度特性。

圖13 不同板樁岸坡水平位移云圖

圖14 7 m板樁樁頂實測水平位移過程線

在杭申線改造升級工程中，混凝土板樁的斷面尺寸為 50 cm×25 cm，長度為 7 m，以 1 km護(hù)岸進(jìn)行板樁造價對比，不考慮其他費用的差異，混凝土板樁的材料費計算結(jié)果如表4所示。

混凝土板樁材料預(yù)算表 表4

從表4中可以看出，每千米節(jié)省造價約24萬元。杭申線全長 110 km，可見如果整個航線均采用混凝土斜板樁支護(hù)岸坡將會明顯節(jié)省工程造價，帶來巨大的經(jīng)濟效益。

綜上可知，板樁傾斜后可減小樁頂?shù)乃轿灰疲ㄗh取板樁傾斜角度為5.7°～8.5°，這樣可以在基本保證樁身長度不變的情況下，降低板樁的位移，增加岸坡的穩(wěn)定性。

在實際工程中用6 m斜板狀代替 7 m直板樁，發(fā)現(xiàn) 6 m斜板樁在維持岸坡穩(wěn)定方面與 7 m垂直板樁效果相同，我們可以通過適當(dāng)增加板樁傾斜角度的方式來達(dá)到縮短板樁長度的目的，從而降低工程造價。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬和理論分析對混凝土板樁在航道中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究，得到如下結(jié)論：

無錨式板樁在無岸坡超載時可以起到支護(hù)岸坡的作用，而在有岸坡超載情況下，錨固式板樁能有效減小超載工況下的岸坡位移，增加岸坡穩(wěn)定性。錨固式板樁的結(jié)構(gòu)研究確定了此工程中最佳錨固位置為樁頂以下 0.5 m處。

板樁向岸坡內(nèi)傾斜嵌入土體比傳統(tǒng)的垂直嵌入土體的形式效果要好，斜板樁可以更好地發(fā)揮板樁的作用和自身的強度特性。從控制板樁水平位移的角度出發(fā)，建議取板樁傾斜角度為5.7°～8.5°。通過工程實例對比直板樁和斜板樁在工程中的應(yīng)用效果，得出可以通過適當(dāng)增加板樁傾斜角度來達(dá)到縮短板樁長度的目的，從而降低工程造價。

[1] 原艷. 邊坡支護(hù)中多種技術(shù)措施的綜合應(yīng)用[J]. 山西建筑，2007，2(33)：120～121.

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[6] 張燕. 斜插式樁板墻在邊坡支護(hù)中的運用[D]. 重慶：重慶交通大學(xué)，2008.

Application of Concrete Sheet Pile Wall for Supporting Bank

Zhong Man，Chen Xiaorui，Jiang Hongjun

(Zhenjiang Urban Investigation and Surveying Institute，Zhenjiang 212000，China)

In this paper，with upgrading Changzhou section of Beijing-Hangzhou Grand Canal as the background，the finite difference numerical simulation software was used to establish a number of different models with which supporting embankment with concrete sheet piles. A reasonable sheet pile length was found in this project and feasibility of concrete sheet pile to shore under slope overload was further studied. Based on the control horizontal displacement of sheet pile and the length change of sheet pile as tilted shoring，the better tilt angle of sheet pile is determined. Through engineering examples，contrast the application effect of vertical shoring and tilt shoring in the engineering，it is known that appropriate increase tilt angle of sheet pile can achieve the goal of shorting the length of sheet pile，thus reducing the project cost.

pre-produced concrete sheet pile；numerical simulation；bank shoring；inclined sheet pile

1672-8262(2017)01-146-06

TU473.1

A

2016—09—20 作者簡介：仲曼(1986—)，男，工程師，主要從事巖土工程勘察及巖土設(shè)計等工作。