垂直護(hù)岸板樁受力及變形特性現(xiàn)場試驗研究

張建強(qiáng)，卜一峰，李若華

(1.杭州大江東產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)規(guī)劃國土建設(shè)局，杭州 311225；2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

垂直板樁護(hù)岸是通過在航道兩岸老護(hù)岸的臨水側(cè)打設(shè)直立式的鋼筋混凝土板樁或鋼板樁，使板樁承受由老護(hù)岸傳遞的荷載，從而形成新老擋墻共同護(hù)岸的組合結(jié)構(gòu)[1]。

近些年，關(guān)于板樁在航道護(hù)岸中應(yīng)用的研究漸漸開始出現(xiàn)。王新泉等[2]展開板樁受力機(jī)制的現(xiàn)場試驗研究，得出板樁兩側(cè)土壓力的分布特性；范云中等[3]通過原位測試方法獲得板樁護(hù)岸的位移和應(yīng)力變化情況，對板樁航道應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析；許春虎等[4]通過現(xiàn)場測試板樁鋼筋應(yīng)力計的變化，研究樁側(cè)摩阻力的分布模式和大??；劉林等[5]通過現(xiàn)場試驗對護(hù)岸板樁內(nèi)力及土壓力展開研究，獲得板樁不同位置處的應(yīng)力變化規(guī)律。目前的研究往往只是針對板樁的某一特性進(jìn)行，很難獲得不同材料的板樁變形和受力的相互關(guān)系和規(guī)律。

本文依托平湖和湖州的航道護(hù)岸工程，開展現(xiàn)場試驗，對比U形鋼筋混凝土板樁和U形鋼板樁的變形和受力特性，同時分析岸后土體的位移規(guī)律，較為深入地研究了垂直護(hù)岸板樁受力及變形特性，為垂直護(hù)岸板樁在內(nèi)河航道中的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概述

本次研究分別以浙江平湖某航道整治工程和湖州某航道護(hù)岸板樁加固工程為依托工程開展現(xiàn)場試驗。依托工程試驗段平面圖如圖1和圖2所示。

圖1 平湖試驗段Fig.1 Test reach of Pinghu

圖2 湖州試驗段Fig.2 test reach of Huzhou

根據(jù)勘察地質(zhì)資料顯示，2試驗均位于沖湖平原區(qū)，地層以粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土為主。平湖試驗段的試驗對象為10 m長U形混凝土板樁，湖州試驗段的試驗對象為8.5 m長U形鋼板樁。

圖3為打設(shè)完U形混凝土板樁的護(hù)岸情況，當(dāng)護(hù)岸打設(shè)完成后再澆筑帽梁，形成垂直板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)，如圖4所示。施工完成后，護(hù)岸運行良好。

圖3 U形混凝土板樁護(hù)岸施工Fig.3 construction process of U-mode concrete sheet pile revetment

圖4 完成后的垂直護(hù)岸Fig.4 Vertical revetment after completion

2 試驗方案

在平湖試驗段，選取2根10 m U形混凝土板樁，在第1根板樁內(nèi)部布置15個土壓力盒，沿距離樁頂1、3、5、7、9 m高度處的截面上分別布置3列土壓力盒(布置在板樁表面)，分別位于位置1(正面)、位置2(側(cè)面)、位置3(底面)；第2根板樁內(nèi)布置10個鋼筋應(yīng)力計，沿距離樁頂1、3、5、7、9 m高度處的截面上分別布置2列鋼筋應(yīng)力計(布置在板樁內(nèi)部)，分別位于位置1(正面)、位置2(底面)。土壓力盒和鋼筋應(yīng)力計布置位置如圖5所示，斷面孔壓計和測斜管布置位置如圖 6所示。

圖5 土壓力盒和鋼筋應(yīng)力計布置Fig.5 Schematic of earth pressure box and steel strain gauge layout

圖6 U形混凝土板樁現(xiàn)場儀器布置斷面Fig.6 Section view of U-mode concrete pile field instrument layout

對于湖州段試驗段的8.5 m U形鋼板樁，靠岸側(cè)分別在距樁頂1、3、5、7 m處中心位置和臨水側(cè)分別在距樁頂5、7 m處中心位置布置土壓力盒，測斜管位于原護(hù)岸后方，現(xiàn)場儀器布置斷面如圖7所示。

圖7 U形鋼板樁現(xiàn)場儀器布置斷面Fig.7 Section view of U-mode steel sheet pile field instrument layout

板樁后方土體打入木樁作為沉降監(jiān)測點，沉降監(jiān)測分為2個方向，一個平行于板樁墻打設(shè)方向，另一個垂直于板樁墻打設(shè)方向，用以研究板樁施工造成的土體沉降在2個方向上分布規(guī)律的不同。沉降觀測點布置位置如圖 8、圖 9所示。

圖8 平湖試驗段沉降觀測點布置位置示意Fig.8 Schematic of settlement observation point Llocation in Pinghu test reach

圖9 湖州試驗段沉降觀測點布置位置示意Fig.9 Schematic of settlement observation point location in Huzhou test reach

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 土壓力及樁身受力分析

圖10、圖11分別為混凝土板樁、鋼板樁橫向應(yīng)力分布。鋼板樁和混凝土板樁的總土壓力和有效壓力與《板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》土壓力計算方法的結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)范計算方法計算值與實測值之間存在較大的誤差。對于混凝土板樁最大誤差值出現(xiàn)在9 m深度處為8.33 kPa，占該處實測值的46%。對于鋼板樁最大誤差值出現(xiàn)在1 m深度處為7.43 kPa，占該處實測值的64%。說明《板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》土壓力計算方法對于新建U形板樁與老護(hù)岸共同作用工況下的土壓力計算并不準(zhǔn)確，有待探尋更適用于該工況下的土壓力計算方法，以提高設(shè)計準(zhǔn)確性。

圖10 混凝土板樁橫向有效應(yīng)力分布Fig.10 Distribution of lateral effective stress of concrete sheet piles

圖11 鋼板樁橫向土壓力分布Fig.11 Distribution of lateral earth pressure on steel sheet piles

圖12為混凝土板樁填土前后樁身軸力對比。由圖12可見，填土前與填土后的軸力分布曲線趨勢大致相同，在1～2 m處鋼筋所受壓應(yīng)力開始慢慢較小，這是由于板樁臨水側(cè)土體受到板樁向前運動趨勢的作用，產(chǎn)生朝護(hù)岸方向的反作用力即被動土壓力作用。在5 m處附近，被動土壓力產(chǎn)生的彎矩達(dá)到最大，隨著樁體入土深度的增加，板樁臨水側(cè)土壓力相對于靠岸側(cè)開始慢慢較小，而墻后靠岸側(cè)所示土壓力變大，為7～8 m，靠岸側(cè)土壓力相對于臨水側(cè)達(dá)到最大值。從圖12中還可以看出，最大拉應(yīng)力發(fā)生在4.5 m左右處，但隨著樁體入土深度的增加，樁體兩側(cè)的土壓力差值逐漸減小。隨著樁后填土及澆筑帽梁作用后，樁體的受拉區(qū)域變大，預(yù)應(yīng)力鋼筋在此時發(fā)揮承受拉應(yīng)力作用。比較鋼筋所受壓應(yīng)力與拉應(yīng)力的相對變化值，可以看出壓應(yīng)力變化量為拉應(yīng)力變化量的69%，所以鋼筋主要承受拉應(yīng)力作用。在9 m處附近受壓區(qū)的變化不大。結(jié)合上述分析中提到的此處兩側(cè)壓力差值變小的趨勢，說明樁體在此段的位移較小，樁體長度的增加對維持穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)也越來越小。

圖12 混凝土板樁填土前后樁身軸力對比Fig.12 Comparison of axial force of piles before and after filling with concrete sheet piles

3.2 土體沉降分析

平湖段試驗樁于2014年4月19日打設(shè)完成，4月23日試驗樁右側(cè)板樁全部打設(shè)完成。6月15日樁機(jī)進(jìn)場進(jìn)行第2次沉樁，調(diào)整樁頂標(biāo)高，沉降觀測數(shù)據(jù)截止到6月12日截止。圖13為平湖段試驗樁沉降觀測數(shù)據(jù)，由圖13可見，板樁打設(shè)完成后，經(jīng)過50 d以上發(fā)展后，沉降基本趨于穩(wěn)定。前期監(jiān)測數(shù)據(jù)波動較明顯，說明板樁的打設(shè)初期，土體受到擾動，破壞了土體的原有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，由于施工荷載及漲潮落潮影響，土體會出現(xiàn)局部的隆起或沉降，隨著時間的推移，土體結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，沉降也趨于穩(wěn)定。

圖13 平湖試驗段現(xiàn)場沉降觀測曲線Fig.13 Graph of field settlement observation in Pinghu test reach

湖州試驗段2014年11月12日鋼板樁初次打設(shè)完成，11月15日進(jìn)行2次沉樁，調(diào)整樁頂至設(shè)計標(biāo)高。前期進(jìn)行密集監(jiān)測，后期根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況適當(dāng)延長監(jiān)測周期，各觀測點沉降變化規(guī)律如圖14所示。由圖14可見，各觀測點的沉降值在11月15日出現(xiàn)較大波動，沉降值減小即發(fā)生了隆起現(xiàn)象。這是由于2次沉樁施工中重錘的錘擊作用下，造成左側(cè)沉降點發(fā)生土體隆起現(xiàn)象。當(dāng)施工完成后，沉降值又開始逐漸增大，1周后沉降趨于穩(wěn)定。通過2個方向上觀測點的沉降值比較分析(見圖15)，可以發(fā)現(xiàn)板樁的施工過程在垂直于板樁墻的方向上的影響要比平行于板樁墻方向的影響要小，板樁施工過程中平行于板樁墻的方向應(yīng)該為施工影響區(qū)域主要控制方向。這些結(jié)論與第1階段平湖的現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析結(jié)論相似，說明了該規(guī)律具有一定的普遍性。

圖14 湖州試驗段現(xiàn)場沉降觀測曲線Fig.14 Graph of field settlement observation in Huzhou test reach

圖15 平行及垂直于板樁墻方向沉降對比曲線Fig.15 Comparison Graph of settlement in parallel and vertical direction to sheet pile wall

3.3 土體側(cè)向位移分析

從圖16可以發(fā)現(xiàn)，7月23日出現(xiàn)較大位移情況，最大橫向位移值達(dá)到47.6 mm。這是由于2-7月進(jìn)行了板樁墻后填土，施工機(jī)械碾壓場地，出現(xiàn)較大位移情況。通過后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，施工完成后，樁后土體的整體情況較為穩(wěn)定，位移變化值也相對較小。從不同深度處土體橫向位移值的比較可以看出，從10 m深度處左右開始出現(xiàn)向前的位移值，而其下部相對穩(wěn)定，該處板樁長度為10 m，通過地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，樁尖所在土層為粉土層，說明在粉土層中影響深度與樁長相當(dāng)，沿樁尖到樁頂方向，位移呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，最大位移值出現(xiàn)在3 m左右。

圖16 平湖段測斜數(shù)據(jù)Fig.16 Inclinometer data of Pinghu reach

從鋼板樁后方土體橫向位移變化曲線圖17可以看出，由于該段采用水上施工，避免大型機(jī)械進(jìn)場退場等情況對現(xiàn)場造成影響，所以該段在施工完成后，土體橫向位移基本穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的波動情況。出現(xiàn)的最大橫向位移值為12.26 mm，明顯小于采取陸上施工時出現(xiàn)的最大位移值。從不同深度處土體橫向位移值的比較可以看出，在監(jiān)測的17 m范圍內(nèi)土體都出現(xiàn)了橫向位移的情況，而該處鋼板樁長度為8.5 m，樁尖所在土層為黏土層，在黏土中，由于土體之間黏聚力的作用使得土體受施工影響的范圍相對較大。沿樁尖到樁頂方向，位移呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，最大位移值出現(xiàn)在5 m左右。

圖17 湖州段測斜數(shù)據(jù)Fig.17 Inclinometer data of Huzhou reach

通過上述2個試驗段的測斜數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，從樁尖到樁頂方向上橫向位移都呈現(xiàn)出先增大后減小的分布規(guī)律。這是由于新建板樁后方都有老護(hù)岸作用，平湖段老護(hù)岸深度在3 m左右，湖州段老護(hù)岸深度在4 m左右。通過

橫向位移圖發(fā)現(xiàn)，在老護(hù)岸基礎(chǔ)深度附近開始，位移值會停止增大的趨勢，保持位移值穩(wěn)定或少量減小。這樣的變化規(guī)律，說明老護(hù)岸的存在，可以有效地阻礙土體的橫向位移趨勢，表明新老護(hù)岸已經(jīng)在共同發(fā)揮作用。鑒于這種在新老護(hù)岸共同作用工況的特殊性，在設(shè)計時可考慮將新老護(hù)岸受力合并進(jìn)行計算的方法，利用原有存在的老護(hù)岸，可以有效減小板樁設(shè)計長度，通過計算可以節(jié)約造價20%～30%。根據(jù)本次研究成果，工程設(shè)計單位已經(jīng)將該方法初步應(yīng)用于浙江省內(nèi)幾個內(nèi)河航道改造工程的設(shè)計中，既減少了政策處理的難題，又節(jié)省了工程投資。

4 結(jié) 語

(1)通過現(xiàn)場實測土壓力分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，該位置土壓力的分布呈中間大兩頭小的分布規(guī)律，該實測值與《板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》土壓力計算值有較大差距，說明《規(guī)范》對于新建板樁護(hù)岸與老護(hù)岸共同作用工況下的土壓力計算準(zhǔn)確性較差，可以選取新的計算模式進(jìn)行垂直護(hù)岸板樁設(shè)計。

(2)通過鋼筋混凝土板樁內(nèi)部軸力的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在板樁后方回填土后，板樁的受拉區(qū)明顯增大，鋼筋能發(fā)揮其優(yōu)良的受拉承載性能，且填土前后的軸力分布曲線趨勢大致相同。

(3)板樁的位移情況主要發(fā)生于施工期，因此打設(shè)過程中的板樁位移控制方法也還值得進(jìn)一步深入研究。

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