簡述河道護岸采用U型預應力混凝土板樁的設計計算

戴俊

東莞市水利勘測設計院有限公司 廣東 東莞 523000

1 工程概況

中小河流虎門-1項目區(qū)位于東莞市虎門鎮(zhèn)大沙河下游，整治長約1.3km。項目區(qū)主要為河岸整治，增強其防洪排澇能力，配合生態(tài)岸坡工程，營造良好生態(tài)水環(huán)境。本次綜合考慮按50年一遇防洪標準對河道進行整治[1]。

2 工程地質

地層由上至下：淤質黏土層，流塑～軟塑狀，微透水性，為相對隔水層，其承載力低，高壓縮性，易產生較大沉降。淤質粉細砂透水性較強，松散，為可能液化砂土層，易產生滲透變形。粉質黏土，可塑狀，較均勻，地基承載力稍高，可作為天然地基基礎。中細砂，松散～稍密狀，中等透水性，為可能液化土，建議加密處理。含礫中粗砂，埋深稍大，承載力較高，可作為地基基礎持力層。

表1 各巖土層主要物理力學參數(shù)建議值表

3 河岸整治形式的選擇和設計計算

3.1 樁體選擇

本工程河岸形式采用U型板樁，板樁型號選用YUBZ-450（Ⅲ型），板樁截面高度h=450mm，截面寬度D=1020mm，板壁厚度B=120mm，截面面積Au=172260mm2。預應力筋數(shù)量規(guī)格為12Dφ12.6，鋼筋抗拉強度標準值取1420Mpa，預應力鋼筋總截面面積為1995.04mm2。

圖1 U型混凝土板樁截面圖

3.2 U型截面等效簡化

U型截面在進行結構力學性能計算時，根據(jù)規(guī)范《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2010），采用結構等效原則，即截面面積、截面慣性矩、形心位置三等效，將結構等效為工字型受力結構，如圖2[2]。

圖2 等效工字型計算簡圖

在抗彎載力計算時，首先應保證截面等效后受力筋保護層厚度與構件截面有效高度等值，假定工字截面高度h為450mm。構件箍筋與混凝土主要承擔抗剪承載力，為保證等效后兩種截面混凝土所承擔的抗剪承載力相接近，就應滿足承擔抗剪承載力的混凝土截面面積相等，因已假設截面高度為450mm，則工字形截面腹板寬度b應等于U型截面腹板寬度d的2倍，即b=2d=280mm。假設工字形截面上下翼緣寬度相等，均為bf。等效公式如下：

式中y為U型截面水平形心軸至截面底板底邊的距離，經算可得y=224mm，U型截面慣性矩Iu=3468573000mm4，經算可得bf=464mm，hf=126mm。

3.3 樁身抗裂彎矩計算

根據(jù)規(guī)范《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2010），板樁抗裂彎矩按下式計算：

式中：Mcr為樁身抗裂彎矩，經算得197.56KN.m；預應力鋼棒有效預壓應力值取994Mpa（已按0.7倍折減），為樁身截面混凝土有效預壓應力，經算得9.80Mpa；γ為混凝土截面抵抗矩塑性影響系數(shù)，取1.0；ftk為樁身混凝土抗拉強度標準值，為2.85Mpa；W O為板樁換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩，經算得0.0157m3。

3.4 樁身結構正截面抗彎彎矩計算

板樁正截面抗彎彎矩按對應的等效工字形截面計算，為方便計算，設預應力鋼棒均設置在第一排。計算公式如下：

Mu為樁身m正截面抗彎彎矩，經算得340.91KN.m； 為受壓區(qū)混凝土矩形應力圖的應力值與混凝土軸心抗壓強度設計值比值，C60時取1.0；fc為混凝土抗壓強度設計值，為27.5Mpa；pσ為預應力鋼筋的實際應力值，取994Mpa；Ap為預應力鋼筋的截面積（按單排），取997mm2；X為等效矩形應力圖的混凝土受壓區(qū)高度，經算得78mm，小于450mm；ho為受拉預應力鋼筋距離混凝土受壓區(qū)外邊緣的距離，保護層厚度取50mm，得383mm[3]。

3.5 樁身斜截面抗剪承載力計算

根據(jù)《預應力混凝土結構設計規(guī)范》（JGJ369-2016），板樁斜截面抗剪承載力設計值V，計算公式如下：其中如根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2010），計算公式如下：

若根據(jù)《水工混凝土結構設計規(guī)范》（SL191-2008），計算公式如下：

V為樁身斜截面抗剪承載力，經算得249.54kn或256.19kn；ft為混凝土抗拉強度設計值，為2.04Mpa； 為箍筋抗拉強度設計值，為210Mpa；S為沿長度方向的箍筋間距，為150mm；Asv為螺旋箍筋的截面面積，取50.24mm2。Vc為板樁斜截面上混凝土受剪承載力，經算得151.94KN；VS為箍筋受剪承載力，經算得26.60kn或33.25KN；Np0為計算截面上混凝土法向預應力等于零時的預加力；V p為由預加力所提高的構件受剪承載力設計值，經算得71KN。根據(jù)計算結果可知，構件采用不同的規(guī)范，會導致計算結果有所偏差。因本工程為河岸整治工程，因此斜截面抗剪承載力值取256.19KN。

將上述等效后的計算結果與U型板樁性能指標值對比可知，樁身抗裂彎矩值和樁身斜截面抗剪承載力值與指標值誤差小于0.5%，樁身正截面抗彎彎矩值與指標值誤差小于4%。表明U型板樁簡化為工字型受力結構是可行的。

3.6 岸坡穩(wěn)定分析計算

經上述等效分析后，岸坡穩(wěn)定計算模型再采用理正深基坑支護結構設計軟件7.0進行計算，計算內容包括：土壓力、嵌固深度、內力及變形、整體穩(wěn)定、抗傾覆、抗隆起和嵌固深度計算等。

（1）整體穩(wěn)定驗算

計算方法：瑞典條分法

應力狀態(tài)：總應力法

整體穩(wěn)定安全系數(shù) Ks= 1.725＞ 1.30，滿足規(guī)范要求。

（2）抗傾覆穩(wěn)定性驗算

抗傾覆安全系數(shù)：

Mp——被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩，對于內支撐支點力由內支撐抗壓力；決定；對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值[4]。

Ma——主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

（3）樁頂位移驗算

根據(jù)計算結果，樁頂位移為5.44mm＜10mm，滿足規(guī)范要求。

（4）抗隆起驗算

從支護底部開始，逐層驗算抗隆起穩(wěn)定性，結果如下：

支護底部，驗算抗隆起：

Ks = 2.567 ≥ 1.600，抗隆起穩(wěn)定性滿足。

（5）嵌固深度計算

根據(jù)公式：嵌固構造深度=嵌固構造深度系數(shù)×基坑深度=0.800×4.650=3.720m，嵌固深度采用值9.000m ＞= 3.720m，滿足構造要求[5]。

4 結束語

本工程已竣工驗收且已運行3年多，河岸未發(fā)現(xiàn)不良情況，說明本工程采用U型板樁是合適的，不僅縮短施工工期，又節(jié)省工程造價，成樁效果良好，值得今后類似工程參考。