松木樁作為基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)在護(hù)岸工程中的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)計(jì)算

李亮亮 中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

伴隨近些年生態(tài)環(huán)境所顯現(xiàn)的諸多突出問(wèn)題，設(shè)計(jì)工程師在對(duì)結(jié)構(gòu)選型時(shí)，在考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用的基礎(chǔ)上也更加注重對(duì)自然環(huán)境的影響，盡量選用對(duì)環(huán)境污染較小的結(jié)構(gòu)及工程材料。松木樁作為樁基結(jié)構(gòu)在航道護(hù)岸、小型碼頭等高擋土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用得越發(fā)廣泛。本文以北京（曹妃甸）現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展試驗(yàn)區(qū)（生態(tài)城先行啟動(dòng)區(qū)）綠珠河工程一期項(xiàng)目為例，對(duì)松木樁結(jié)構(gòu)在護(hù)岸工程中的結(jié)構(gòu)計(jì)算及工程實(shí)際應(yīng)用加以介紹，供類似項(xiàng)目參考。

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

綠珠河工程一期位于曹妃甸協(xié)同發(fā)展示范區(qū)（生態(tài)城先行啟動(dòng)區(qū)），河道總長(zhǎng)459.4m，河道景觀設(shè)計(jì)外邊線以河道藍(lán)線向兩側(cè)偏移；綠珠河?xùn)|側(cè)25m，西側(cè)10m，內(nèi)邊線范圍參照首鋼筑境景觀概念設(shè)計(jì)。綠化總面積16533.0m2。

1.2 主要參數(shù)選取

據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201－94）和水利部標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252－2000）第2.1.1條規(guī)定，本工程河道護(hù)岸設(shè)計(jì)為3級(jí)水工建筑物。

本工程河道均為閘控河道，汛限水位3.2m，常水位2.0m。

根據(jù)規(guī)劃河道底標(biāo)高均為0.0m。

本工程區(qū)域抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g。

設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表1。

表1 護(hù)岸計(jì)算組合一覽表

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

保證河道面寬符合相關(guān)規(guī)劃的前提下，盡量增加河道防洪過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，結(jié)合河道功能和條件，優(yōu)化河道斷面尺度。河道護(hù)岸型式應(yīng)盡量節(jié)省工程費(fèi)用并著重考慮生態(tài)景觀效果。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，提出了復(fù)合式護(hù)岸結(jié)構(gòu)，即為上部直立、下部斜坡復(fù)合式護(hù)岸。根據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｓ玫臉缎图霸O(shè)計(jì)師的環(huán)保理念，推出如下兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比選。

復(fù)合式護(hù)岸+松木樁：護(hù)岸鋼筋砼L型擋墻厚300mm，墻外側(cè)布置400×200×200mm劈裂塊，改善景觀效果，墻頂采用540×80mm劈裂塊壓頂，墻頂標(biāo)高3.5m～4.5m不等。底板寬3.0m，底板厚0.5m，底板前沿設(shè)0.9m長(zhǎng)齒坎，底板下采用級(jí)配碎石換填，厚300mm。級(jí)配碎石墊層下設(shè)直徑150mm、長(zhǎng)8m松木樁，梅花形布置，間距1m。底板以上用回填土分層夯實(shí)。底板前方設(shè)置3m寬平臺(tái)，頂標(biāo)高1.0m，然后1：3放坡至河道底標(biāo)高0.0m。

根據(jù)當(dāng)?shù)厝斯ぜ安牧鲜袌?chǎng)價(jià)，延米費(fèi)用約0.9萬(wàn)元。

圖1 護(hù)岸結(jié)構(gòu)示意圖1

復(fù)合式護(hù)岸+PHC 樁：基礎(chǔ)形式采用兩排φ500PHC樁。直立式擋墻前方為3 m寬平臺(tái)，頂標(biāo)高1.0m，然后1：3放坡至河道底標(biāo)高0.0m。平臺(tái)后方設(shè)樁基L型擋墻，墻頂標(biāo)高3.5m～4.5m不等，墻頂采用390×80mm劈裂塊壓頂，擋墻寬350mm，臨水側(cè)采用造型模版飾面。底板寬3.0m、底標(biāo)厚0.5m，底板前沿設(shè)0.9m長(zhǎng)齒坎。為降低剩余水壓力，L型擋墻后方設(shè)反濾層和排水口。樁基間距前排1.5m，后排2.0m。

根據(jù)當(dāng)?shù)厝斯ぜ安牧鲜袌?chǎng)價(jià)，延米費(fèi)用約1.2萬(wàn)元。

2.3 護(hù)岸樁型比選

工程所在地區(qū)為吹填土地基，對(duì)于淤泥層較大的區(qū)域常用PHC樁作為護(hù)岸樁基結(jié)構(gòu)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，本工程最大淤泥厚度小于3m，因此可對(duì)樁基結(jié)構(gòu)進(jìn)行論證比選。

松木樁作為傳統(tǒng)的軟基處理工藝，具有一些獨(dú)特的性能：其強(qiáng)度高密度小，由于松木的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使它具有較好的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪四種強(qiáng)度；彈性高韌性好，能承受沖擊和震動(dòng)作用；簡(jiǎn)單處理后，具有較強(qiáng)的耐久性，能很好地防止地下水的腐蝕。

從實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保方面考慮，松木樁樁型護(hù)岸更優(yōu)于PHC樁，故今后類似護(hù)岸工程項(xiàng)目可參考此案例采用松木樁護(hù)岸型式。

圖2 護(hù)岸結(jié)構(gòu)示意圖2

3.結(jié)構(gòu)計(jì)算

以下對(duì)松木樁護(hù)岸的結(jié)構(gòu)的樁身彎矩、地基承載力及樁基承載力的計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)述，供參考。

3.1 樁身彎矩計(jì)算

3.1.1 計(jì)算方法

樁身彎矩計(jì)算：采用《港口工程樁基規(guī)范 JTS167-4-2012》附錄C中m法進(jìn)行計(jì)算。

假設(shè)土的水平地基抗力系數(shù)隨深度呈線性增加：

K=mZ

式中：

K——土的水平地基抗力系數(shù)（kN/m3）

m——土的水平地基抗力系數(shù)隨深度增長(zhǎng)的比例系數(shù)（kN/m4）；

Z——計(jì)算點(diǎn)深度（m）。

在水平力和力矩的作用下，樁身彎矩按下式計(jì)算：

樁頂可自由轉(zhuǎn)動(dòng)：

樁頂嵌固轉(zhuǎn)角為零：

式中：

H0、M0——作用在泥面的水平力（kN）及彎矩（kN·m）；

T——樁相對(duì)剛度系數(shù)（m）；

EP——樁材料彈性模量（k N/m2）

IP——樁截面慣性矩（m4）；

Am、Bm——彎矩?zé)o量綱系數(shù)；

m——樁側(cè)地基土的水平抗力系數(shù)隨深度增長(zhǎng)比例系數(shù)（kN/m4）；

b0——樁換算寬度（m）。

3.1.2 計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表2）

表2 松木樁護(hù)岸樁身彎矩一覽表

3.2 地基承載力計(jì)算

3.2.1 計(jì)算方法

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范SL379-2007》，擋土墻基底應(yīng)力按照下式計(jì)算：

ΣG——作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載（kN）；

ΣM——作用在擋土墻上的全部荷載對(duì)于水平面平行前墻面方向形心軸的力矩之和（kN·m）；

A——擋土墻基底面的面積（m2）；

W——擋土墻基底面對(duì)于基底面平行于前墻墻面方向形心軸的截面距（m3）。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表3）

表3 地基承載力計(jì)算一覽表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，護(hù)岸底板地基承載力不滿足要求，需進(jìn)行處理。地基處理計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)3.3。

3.3 樁基承載力計(jì)算

3.3.1 計(jì)算方法

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范 JTS 167-4-2012》樁基承載力按下列公式計(jì)算：

式中：Qd——單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值（kN）;

γR——單樁垂直承載力分項(xiàng)系數(shù);

U——樁身截面周長(zhǎng)（m）;

qfi——單樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）;

li——樁身穿過(guò)第i層土的長(zhǎng)度（m）;

qR——單樁極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）;

A——樁身截面面積（m2）。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表4）

表4 樁基豎向承載力計(jì)算一覽表

4.結(jié)語(yǔ)

本文依托于北京（曹妃甸）現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展試驗(yàn)區(qū)（生態(tài)城先行啟動(dòng)區(qū)）綠珠河工程一期項(xiàng)目，對(duì)松木樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了研究，通過(guò)計(jì)算及實(shí)際應(yīng)用分析，工程所提出的松木樁護(hù)岸，既能滿足樁基承載力的各項(xiàng)要求，又能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保，可以作為護(hù)岸樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案，供類似項(xiàng)目參考。