混凝土U型板樁在鄭集河護(hù)岸工程中的應(yīng)用

陳亞軍，李金龍，鄒福建，郭連峰，許文君，蘇 慧，王 朝

(1.徐州市水利建筑設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221000；2.江蘇省蘇水工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 項目背景及問題提出

南水北調(diào)工程是緩解我國北方水資源嚴(yán)重短缺局面的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，其東線一期工程于2013年正式通水。為保證南水北調(diào)東線一期工程安全運(yùn)行、充分發(fā)揮效益，江蘇省人民政府批復(fù)《江蘇省南水北調(diào)一期配套工程實(shí)施方案》，將鄭集河輸水?dāng)U大工程納入南水北調(diào)一期配套工程。鄭集河輸水?dāng)U大工程是在充分利用本地水資源的基礎(chǔ)上，積極消化江水北調(diào)、南水北調(diào)水資源，增強(qiáng)鄭集河調(diào)水線路補(bǔ)水能力，完善多水源、多工程聯(lián)合調(diào)度的水資源配置網(wǎng)絡(luò)，提高湖西地區(qū)水資源保障水平，解決湖西地區(qū)嚴(yán)重缺水問題、保護(hù)湖西地區(qū)生態(tài)紅線的關(guān)鍵工程，在促進(jìn)湖西地區(qū)脫貧達(dá)小康、推動江蘇省江水北調(diào)工程向湖西地區(qū)進(jìn)一步延伸和完善、保障湖西地區(qū)飲水安全等方面具有重大意義。本次工程通過拓浚鄭集河輸水線河道、增容改造(新建)梯級泵站、完善沿線配套建筑物等措施，增加湖西地區(qū)水資源配置手段和提高水資源供給能力，結(jié)合河道治理、堤防加固等，適當(dāng)提高區(qū)域防洪排澇能力[1]。

河道治理是本工程的重要治理內(nèi)容，通過拓浚河槽、擴(kuò)大輸水?dāng)嗝妫苡行Ы鉀Q送水問題。本工程現(xiàn)狀河槽相對偏小，特別是鄭集閘下段，自1996年擴(kuò)浚后，至今已有20多年未曾系統(tǒng)疏浚治理，現(xiàn)狀河底高程為28.00～29.50m(廢黃河高程系，下同)，底寬為25～35m，現(xiàn)狀河槽僅能輸水20m3/s，與設(shè)計輸水規(guī)模85～80m3/s差距較大，本次設(shè)計河底高程為27.50m，河底寬不小于50m。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在河道灘面較寬的地段，設(shè)計采用自然放坡；在灘面較窄的地段，若按自然放坡，部分段堤防需要移堤，且堤防背水坡為基本農(nóng)田或者村莊，沒有移堤的空間，因此需要采取擋墻護(hù)岸方式來解決河槽擴(kuò)挖問題。

2 河道擋墻護(hù)岸方案比選

河道擋墻護(hù)岸型式主要有懸臂式(扶壁式)擋土墻、板樁[2- 3]、生態(tài)砌塊[4]、格賓石籠[5- 6]等。

本工程考慮其灘面以上有1級堤防，本項目最大擋土高度為3.5m，采用懸臂式擋土墻、預(yù)應(yīng)力混凝土板樁兩種型式作方案比選，具體詳見表1。

表1 懸臂式擋土墻和預(yù)應(yīng)力混凝土板樁方案比選

根據(jù)以上比選情況，本工程推薦采用方案二，即預(yù)應(yīng)力混凝土板樁。

3 河道護(hù)岸板樁設(shè)計及復(fù)核計算

3.1 工程地質(zhì)

表2 土層物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 工程設(shè)計

鄭集閘下鄭集河正常蓄水位為32.50m，為避免板樁被兼作碼頭用，在設(shè)計時將樁頂高程設(shè)置在常水位以下，根據(jù)現(xiàn)場情況綜合確定樁頂高程為31.00m，并在樁頂設(shè)置航道安全警示標(biāo)志。板樁布置在鄭集河河底腳處，擋土高度為3.5m，板樁長10m，。板樁型式采用U450型預(yù)制板樁，單寬1m，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C60，樁頂采用高40cm、寬65cm的C30鋼筋混凝土冠梁加強(qiáng)縱向聯(lián)系，冠梁分縫長度≤17m，縫寬2cm，填縫材料采用聚乙烯低發(fā)閉孔泡沫板。

板樁與板樁之間采用公母槽連接，并在公槽內(nèi)從樁頂向下≥4.5m范圍內(nèi)設(shè)置中空遇水膨脹橡膠條止水；板樁與建筑物連接采用在分縫處墻后貼土工布。

3.3 復(fù)核計算

板樁計算采用理正軟件，內(nèi)力計算方法采用增量法，計算模型采用經(jīng)典法土壓力模型，整體穩(wěn)定性計算采用圓弧滑動面法[8]。黏性土采取水土合算，非黏性土采取水土分算[9]，考慮施工機(jī)械及臨時堆土，墻后堆載按照20kN/m計算。經(jīng)復(fù)核計算，板樁樁頂最大位移為62.66mm，樁身最大彎矩為295.85kN·m，最大剪力為124.93kN，計算成果如圖1所示，整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.83，大于1級建筑物抗滑穩(wěn)定允許安全系數(shù)1.35[10]，抗傾覆安全系數(shù)為1.44大于規(guī)范允許安全系數(shù)1.2[11]，抗隆起安全系數(shù)2.60大于規(guī)范允許安全系數(shù)1.8[12]。參考《先張法U型預(yù)應(yīng)力混凝土板樁》(上海中技樁業(yè)股份有限公司企業(yè)圖集)，選取截面高度450mm、板厚120mm、型號III型、預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量規(guī)格16ΦD12.6的鋼棒[13- 14]。

圖1 板樁計算成果圖

樁身材料強(qiáng)度經(jīng)第三方檢測，彎矩和剪力滿足設(shè)計要求；根據(jù)施工現(xiàn)場檢測情況，在樁頂施加125kN水平力，樁頂最大水平位移為53mm[15]，小于計算值，滿足設(shè)計要求。

4 板樁沉樁施工及質(zhì)量缺陷處理

U型混凝土板樁的沉樁施工[16]方法一般有高頻振動成型(振動錘、柴油錘等)、高壓水沖成型、引孔輔助成型及多種方法聯(lián)合使用等，根據(jù)本工程地質(zhì)情況和樁長，樁下部約9m長嵌入④層含砂姜壤土，該土層標(biāo)貫7～31擊，本工程采用4.5T柴油錘擊法施工，柴油錘沖擊沉樁穿擊硬土層更實(shí)用，垂直度控制更有效，樁頂采用高密度橡膠作樁墊保護(hù)。在施工中，為控制好板樁墻的軸線位置、減少樁的平面扭曲和提高打樁效率，采用自加工具有足夠強(qiáng)度及剛度的導(dǎo)向架。初打時應(yīng)采用小落距輕擊樁頂數(shù)錘，觀察樁身、樁錘、樁架在同一中心線上，待樁身入土一定深度后，樁尖不易移位時，再全距施打。打樁宜采用重錘低擊方法，這樣對錘對樁頂沖量小，動量大，樁頂不易損壞，大部分能量用于克服樁身摩擦力和樁阻力，樁身反彈小，同時樁錘落距小打樁速度快、效率高。板樁沉樁，必要時輔以射水方法，利用板樁底部射出的高壓水沖擊切割土體，如圖2所示。打樁錘正常打樁時，落距宜不超過1.8m。打樁時入土速度應(yīng)均勻，錘擊間隙時間不宜過長，否則會使樁身與土層之間摩擦力恢復(fù)，造成固結(jié)現(xiàn)象而使打樁困難。

圖2 板樁護(hù)岸立面總體布置圖

在沉樁時，有可能發(fā)生以下情況：若樁錘經(jīng)常性回彈較大且入土速度慢，說明樁錘太輕；若發(fā)現(xiàn)回彈較大，說明樁尖遇到障礙，應(yīng)停打，找出原因并進(jìn)行處理；若入土速度突增，說明樁身可能破壞或遇到軟土層、土洞；若入土速度劇變、樁身發(fā)生傾斜、移位或嚴(yán)重回彈且樁頂樁身出現(xiàn)裂縫或破壞，應(yīng)立即停打，及時分析原因并進(jìn)行處理。

參考相關(guān)規(guī)范[17]要求，樁間最大間隙≤15mm，本項目在實(shí)施過程中，出現(xiàn)少部分超過15mm情況，采取下列措施進(jìn)行質(zhì)量缺陷處理：

(1)間隙為15～20mm，在墻后采用貼350g/m2土工布；

(2)間隙為20～50mm，在墻后采用略大于間隙的鋼管擋土，并在其后貼350g/m2土工布；

(3)間隙在50～200mm，在墻后采用略大于間隙的槽鋼擋土，并在其后貼350g/m2土工布；

(4)間隙在200mm以上，采取補(bǔ)樁措施。

對于部分樁身出現(xiàn)豎向裂縫，經(jīng)分析，是由于沿河道縱向略有傾斜，局部錘擊，導(dǎo)致剪切裂縫，處理措施是采用豎向結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿處理，墻前鑿毛植筋，采用素混凝土澆平。

5 結(jié)論

板樁擋墻護(hù)岸具有土方開挖少、施工工期短、總體施工難度小，且不需要打筑施工圍堰和基坑降排水措施等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在港口、航道等行業(yè)中應(yīng)用較多，但在水利工程中應(yīng)用得較少，主要是因?yàn)殛懮辖煌ú槐闱宜蠜]有條件打樁，特別是本項目所在的湖西地區(qū)，地質(zhì)相對復(fù)雜，下部的含砂姜壤土層標(biāo)貫為7～31擊，難度較大。本工程板樁設(shè)計成果對今后該地區(qū)護(hù)岸設(shè)計具有借鑒作用。本工程采用的鋼筋混凝土U型板樁也存在斷面大、自重重等不足，建議板樁材料能優(yōu)化為型鋼混凝土或者塑鋼材料，以便減小樁體截面，減輕自重，更便于施工。