U型板樁在水庫加固工程中的應(yīng)用分析

余東延，胡一志，曾曉洲

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 611130)

先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土U型板樁是用于支護(hù)工程，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要措施之一[1- 2]。U型板樁由于其造價(jià)低、穩(wěn)定性高、施工工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，已被逐漸廣泛應(yīng)用于水利、航道護(hù)岸、海上圍堰、城市基坑圍護(hù)等支護(hù)加固工程中，并取得了十分顯著優(yōu)越的工程效果[3- 4]。已有水庫工程由于設(shè)計(jì)水平、勘測(cè)水平等技術(shù)水平有限，導(dǎo)致工程質(zhì)量較低，水庫除險(xiǎn)加固工程現(xiàn)如今出現(xiàn)次數(shù)日漸頻繁[5]。提高水庫質(zhì)量，對(duì)水庫工程進(jìn)行加固變得尤為重要。因此急需運(yùn)用U型板樁的優(yōu)點(diǎn)，將其適用于水庫加固工程中。

Miyashita等[6]對(duì)板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析，指出采用混凝土U型板樁的結(jié)構(gòu)抗震性明顯提高；Lee等[7]對(duì)板樁基于振動(dòng)方法施工時(shí)的特性進(jìn)行了研究，指出沉樁過程中的砂層特性、沉樁進(jìn)尺等均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成顯著影響。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于U型板樁的應(yīng)用較晚。張后禪[8]于2010年首次對(duì)新引進(jìn)的U型混凝土板樁進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用和初步的理論分析，總結(jié)了相應(yīng)的施工方法和措施，提出了初步的設(shè)計(jì)理論，為U型板樁的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)；付明等研究了U型板樁在泵站工程中的應(yīng)用，明確指出了U型板樁的優(yōu)缺點(diǎn)及在應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)。

本文研究了U型板樁在水庫加固過程中的應(yīng)用，明確了其在施工過程中的注意事項(xiàng)，同時(shí)基于LS-DYNA軟件模擬了水庫在蓄水過程中動(dòng)水荷載下U型板樁的動(dòng)力響應(yīng)分析，以期為U型板樁的設(shè)計(jì)和施工提供一定的理論支撐。

1 U型板樁基本型式

U型板樁具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，板樁存在凹槽和凸榫，便于U型連接成片，連接處用橡膠止水帶進(jìn)行止水，將樁打入土體后，中間連接的凹凸處與土體有著非常好的契合作用，樁體和土體易形成統(tǒng)一整體，有很好的整體效果，可增加穩(wěn)定性，其凹凸處截面為半徑15mm半圓。射水孔主要連接高壓水機(jī)，方便沉樁施工工作的進(jìn)行。

圖1 U型板樁具體結(jié)構(gòu)

2 U型板樁施工方法

U型板樁主要施工方法包括：靜壓法、振動(dòng)法、錘擊法和引孔植樁法。從方法的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性等方面比較了4種施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，綜合比較各種方法，結(jié)合水庫加固施工過程中的周圍環(huán)境及施工特點(diǎn)，選擇靜壓法進(jìn)行U型板樁沉樁為最適宜的方法。

表1 施工方法比較

3 U型板樁在水庫加固過程中的應(yīng)用

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，可得出U型板樁在整個(gè)水庫加固過程中的施工流程，如圖2所示。

圖2 U型板樁在水庫加固工程中的施工流程

(1)測(cè)量放線。根據(jù)實(shí)際情況，掌握水庫加固工程的實(shí)際特點(diǎn)，確定板樁中心線位置，根據(jù)板樁尺寸確定每個(gè)樁的中心點(diǎn)位置及水平標(biāo)高，經(jīng)相關(guān)建筑單位確定均符合要求，避免發(fā)生偏差。

(2)設(shè)置導(dǎo)向架。U型板樁的導(dǎo)向架是施工的關(guān)鍵。對(duì)于導(dǎo)向架的要求應(yīng)滿足以下規(guī)定：導(dǎo)向架的材料應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的型鋼等材料；導(dǎo)向架的定位和安裝，需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，通過經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行控制和調(diào)整；導(dǎo)向架與U型板樁接觸部位需涂抹潤(rùn)滑劑。

(3)沉樁施工。將所要假設(shè)施工的U型板樁吊入合適的位置，將樁尖對(duì)準(zhǔn)樁位插入，為防止板樁插入后垂直度發(fā)生偏差，需將相鄰板樁綁緊。在確認(rèn)無誤后，將樁體加壓并下沉，在壓樁過程中，當(dāng)遇到壓力值急劇增加，樁體突然發(fā)生傾斜、位移，樁頂或樁體出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫、破碎等情況時(shí)，應(yīng)暫停壓樁，并分析原因，采取相應(yīng)措施。

(4)沉樁質(zhì)量檢查。在沉樁過程中，首先要時(shí)刻監(jiān)測(cè)樁體垂直度，如不符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，及時(shí)通知設(shè)計(jì)單位進(jìn)行復(fù)核，提出修改意見，采用低應(yīng)變檢測(cè)法檢測(cè)樁身完整性。在沉樁過程中如果出現(xiàn)樁位偏差，可導(dǎo)致鎖口開裂，需采用索具使樁體之間咬合緊密。水庫加固工程中U型板樁沉樁允許偏差應(yīng)符合表2中的規(guī)定。

表2 沉樁允許偏差

4 基于LS-DYNA的U型板樁動(dòng)水荷載動(dòng)力響應(yīng)

4.1 模型參數(shù)確定

對(duì)U型板樁沉樁土體結(jié)構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，板樁樁型采用U-CS- 800-Ⅳ型，板樁混凝土采用C60，彈性模量為30000MPa，泊松比為0.2，截面為1000mm×1500mm，厚度為200mm，樁體周圍土層參數(shù)采用強(qiáng)度折減法確定[10]，具體參數(shù)取值可見表3。

表3 樁體土層參數(shù)取值

4.2 模擬結(jié)果分析

圖3為U型板樁樁身模擬的水平位移變化趨勢(shì)圖。由圖3可以看出，樁頂處的水平位移呈現(xiàn)由正位移向負(fù)位移的變化，而樁土界面處的樁身位移呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，表明樁頂出的水平位移變化要高于其余樁身部位。在5000s左右的時(shí)間內(nèi)，樁頂處水平位移由2.65cm變?yōu)榱?1.18cm，而樁土界面處的樁身水平位移由2.0cm變?yōu)榱?.01cm，因此在實(shí)際施工中應(yīng)在樁頂施加帽梁等措施，以減少樁頂水平位移。

圖3 U型板樁樁身水平位移變化

淤泥交界處是易發(fā)生樁體破壞的區(qū)域，為制定相應(yīng)的防護(hù)措施，模擬了在淤泥頂面處樁身與土體的位移變化，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著時(shí)間的增加，樁身和土體的最大負(fù)向水平位移變化趨勢(shì)基本一致，兩者的相對(duì)位移有趨于平緩的趨勢(shì)；樁身最大正向位移隨著荷載作用時(shí)間的增加而減小，有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，而土體的位移則出現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，造成了樁身與土體之間的相對(duì)位移逐漸增大。因此，在施工中在淤泥交界面處，應(yīng)增加樁身配筋率，增加抗拉強(qiáng)度。

圖4 U型板樁

5 結(jié)語

本文指出了U型板樁的具體施工方法和注意事項(xiàng)，同時(shí)明確了U型板樁在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)明確注意淤泥頂面處與樁頂?shù)氖芰η闆r，增加板樁配筋，保證U性板樁的穩(wěn)定性。本文基于LS-DYNA軟件對(duì)板樁受力的位移情況進(jìn)行了模擬，結(jié)論與實(shí)際情況基本一致。本文在研究過程中選擇了樁頂、樁身與土的分界面和淤泥頂面幾個(gè)特征斷面進(jìn)行研究，在今后的研究中應(yīng)主要分析U型板樁各個(gè)斷面的空間受力情況，模擬整個(gè)板樁的位移情況，為U型板樁的配筋設(shè)計(jì)與施工提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。