生態(tài)U型板樁在水環(huán)境綜合整治工程中的運(yùn)用

王詩(shī)景,鄭明珂

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

1 前言

河道整治是水環(huán)境綜合整治工程的重要組成部分，通過(guò)整治河道可以有效減少河道的水土流失，改善河道水環(huán)境，同時(shí)確保河道的防洪排澇能力，從而有效提高城市居民的居住質(zhì)量。因此，選擇恰當(dāng)?shù)暮拥雷o(hù)岸方案是確保河道整治工程效果的關(guān)鍵之一。生態(tài)U型板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)施工效率高、占地面積小，非常適合用于市區(qū)河道整治工程中的護(hù)岸。目前，這種新型板樁的理論研究和實(shí)際應(yīng)用在同步進(jìn)行中，本文以某市某河道綜合整治工程實(shí)例對(duì)U型鋼筋混凝土板樁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用展開(kāi)探討。

2 生態(tài)U型板樁的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

生態(tài)U型板樁截面為U型，通常用混凝土制成，主要用于河道、基坑、管道等工程建設(shè)中，生態(tài)U型板樁主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

優(yōu)良的力學(xué)特性。生態(tài)U型板樁截面為U形，自身重量較小、材料消耗少，抗彎能力強(qiáng)。變截面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其截面高度、寬度、抗彎能力提高，生態(tài)U型板樁的強(qiáng)度特性與工字鋼的強(qiáng)度特性一致，同種材料制成的生態(tài)U型板樁和常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、方樁相比，其抗彎能力面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

施工難度較小。生態(tài)U型板樁主要通過(guò)振動(dòng)法、液壓法實(shí)現(xiàn)沉樁。使用的設(shè)備主要包括履帶起重機(jī)、行走樁架、導(dǎo)桿架等。振動(dòng)法使用電動(dòng)或液壓振動(dòng)錘進(jìn)行沉樁作業(yè)，施工簡(jiǎn)便，所用工具較少。

良好的耐用性。生態(tài)U型板樁通常采用高強(qiáng)混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋制成，整體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，使用壽命不低于50年。

節(jié)省材料，成本較低。比起常規(guī)的混凝土板樁，生態(tài)U型板樁使用的鋼材、混凝土更少，因此，同等性能要求下，生態(tài)U型板樁的制作、設(shè)計(jì)成本更低。

占地面積小。使用生態(tài)U型板樁作為河道護(hù)岸時(shí)，其開(kāi)挖面會(huì)比其他板樁更小，從而減少占地面積，節(jié)約土地資源，非常適合土地資源緊張的水環(huán)境綜合治理工程。

3 工程概況

某市河道綜合整治工程位于地勢(shì)低洼地區(qū)，周邊人口分布密集，該河道同時(shí)具備水利灌溉、市政供水、水路運(yùn)輸、防洪排澇等功能，是該市的主要河流之一。此次試驗(yàn)段位于河口控制樓下游約2.30 km處，試驗(yàn)段全長(zhǎng)460 m，該段河堤為復(fù)式斷面，平臺(tái)高程5.23 m，寬9.20 m，平臺(tái)邊坡1:4，草皮護(hù)坡，路堤標(biāo)高9.50 m，河堤沿岸混凝土路面寬度6 m，倒坡1:2.50，有大量房屋建筑位于河堤腳外側(cè)。由于該河道具備通航功能，受迎面而來(lái)的波浪影響，下層混凝土邊坡遭到大面積破壞倒塌，危及河堤及其后方建筑物的安全，而且該試驗(yàn)段所在區(qū)域?qū)⒂糜跈z查航行船舶的臨停點(diǎn)。因此，采用直立式護(hù)岸結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)儆跊_積平原區(qū)，土體以軟土為主，承載力較差，不耐沖刷。

4 常用河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，用于水環(huán)境綜合治理的護(hù)岸結(jié)構(gòu)可以分為剛性護(hù)岸、生態(tài)型護(hù)岸兩大類。常見(jiàn)的剛性護(hù)岸結(jié)構(gòu)有漿砌石、仿木樁、鋼筋混凝土等。生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)有石籠、生態(tài)U型板樁等。結(jié)合該河道治理工程實(shí)際情況，選取鋼筋混凝土、石籠、仿木樁、生態(tài)U型板樁進(jìn)行比較。

鋼筋混凝土。該類護(hù)岸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，耐侵蝕，但施工速度慢，施工成本高。

石籠。該類護(hù)岸結(jié)構(gòu)施工成本低于鋼筋混凝土護(hù)岸，但石籠表面易積存垃圾，導(dǎo)致植物存活困難，維護(hù)難度較大。

仿木樁。該類護(hù)岸結(jié)構(gòu)不用布設(shè)圍堰，施工成本較低，生態(tài)護(hù)岸效果比較理想，但有可能會(huì)加劇河堤的水土流失。

生態(tài)U型板樁。該類護(hù)岸結(jié)構(gòu)不用設(shè)施圍堰，可以在有水的情況下安裝，具有優(yōu)良的耐沖刷能力，施工速度快，此外，生態(tài)U型板樁還可以種植植物，具有良好的生態(tài)景觀效果。

5 河道護(hù)岸方案比選

作為河道綜合治理工程的重要組成部分，護(hù)岸工程施工前需開(kāi)挖河道，將坡度調(diào)整至施工設(shè)計(jì)高度，同時(shí)需清理干凈受污染的河床底泥。該河道的南北兩側(cè)已有道路，采用其他類型的護(hù)岸施工方案時(shí)需要挖除現(xiàn)有涌基，無(wú)法組織施工交通。而且通常要采取設(shè)施圍堰等臨時(shí)措施，導(dǎo)致施工難度增加。該河道不但具備防洪排澇功能，還具備水上通航、生態(tài)保護(hù)等功能。和其他護(hù)岸結(jié)構(gòu)相比，生態(tài)U型板樁護(hù)岸可在不改變水流截面積的前提下有效減少河道的占地面積，這對(duì)于土地資源日益緊張的城市來(lái)說(shuō)非常重要。根據(jù)工程實(shí)踐可知，在不改變河床截面積的情況下采用生態(tài)U型板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)，每100 m可節(jié)省約6 m2土地，該河道試驗(yàn)段總長(zhǎng)460 m，可節(jié)省總面積27.60 m2。

圖1 生態(tài)U型板樁直立護(hù)岸圖

方案一：沿用傳統(tǒng)的河道治理工程設(shè)計(jì)理念，前排選用常規(guī)的鋼筋混凝土板樁，后排選用鋼筋混凝木方樁，結(jié)合該工程實(shí)際情況，板樁尺寸400 mm×650 mm×30 000 mm，方樁尺寸為300 mm×300 mm×14 000@2 000mm。運(yùn)用樁基礎(chǔ)的M法計(jì)算得到前排板樁上部水平剪力為287 kN，彎矩為384.80 kN·m，樁上部位移為27 mm，超出相關(guān)規(guī)范規(guī)定最大值，不符合施工設(shè)計(jì)要求。如果通過(guò)增厚板樁，提高樁基水平承載力，則導(dǎo)致施工難度加大，施工成本增加。傳統(tǒng)前后板樁方案下，樁基穩(wěn)定性計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 方案一對(duì)應(yīng)的樁基穩(wěn)定性計(jì)算表

方案二：考慮到工程對(duì)樁基抗彎剛度的嚴(yán)格要求，第一排樁為生態(tài)U型板樁，型號(hào)為U-CS-600，尺寸為650 mm×1 200 mm×30 000 mm。后排樁采用C30鋼筋混凝土樁。根據(jù)技術(shù)要求，尺寸為650～15 000 mm，間距為3 000 mm。本次設(shè)計(jì)采用600Ⅲ型生態(tài)U型板樁計(jì)算抗裂彎矩、抗彎彎矩和抗剪力，計(jì)算結(jié)果顯示采用方案二的樁身各項(xiàng)指標(biāo)均符合施工設(shè)計(jì)要求，樁基穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 方案一對(duì)應(yīng)的樁基穩(wěn)定性計(jì)算表

6 生態(tài)U型板樁施工要點(diǎn)

6.1 材料與構(gòu)造要求

板樁制造的混凝土質(zhì)量要求應(yīng)符合國(guó)家混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，并本標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢測(cè)。水泥采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)在42.5以上，質(zhì)量與“普通硅酸鹽水泥”相當(dāng)。硫鋁酸鹽水泥可用于有抗硫酸鹽要求的環(huán)境。細(xì)骨料為天然硬質(zhì)中粗砂，細(xì)度系數(shù)為2.3～3.4，質(zhì)量應(yīng)符合要求。沙子的SiO2含量應(yīng)至少為90%，污泥含量應(yīng)小于2%。主預(yù)應(yīng)力鋼筋采用1 420 MPa級(jí)35低延性預(yù)應(yīng)力螺旋槽鋼，需達(dá)到1 860 MPa預(yù)應(yīng)力要求。預(yù)應(yīng)力混凝土保護(hù)層的厚度應(yīng)大于40 mm，有特殊要求時(shí)按有關(guān)規(guī)定確定尺寸。板樁預(yù)應(yīng)力配筋的最小配筋率應(yīng)大于0.40%，配筋數(shù)量至少為8根。

6.2 生產(chǎn)和制作

采用預(yù)應(yīng)力法時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋的受拉控制應(yīng)力必須滿足設(shè)計(jì)要求。如果預(yù)應(yīng)力鋼筋在施工過(guò)程中需要超張拉，配筋率應(yīng)比設(shè)計(jì)要求增加3%～5%。

普通振搗混凝土或自灌混凝土形成的成型板樁通過(guò)熱介質(zhì)的散熱迅速硬化或硬化。采用加熱介質(zhì)散熱進(jìn)行快速散熱時(shí)，固化過(guò)程應(yīng)控制如下：硬化過(guò)程中的水泥材料類型。

每根樁必須在樁頭和樁身1.50 m范圍內(nèi)標(biāo)明生產(chǎn)廠家名稱、產(chǎn)品規(guī)格、認(rèn)證印章、生產(chǎn)日期等參數(shù)。

拆除板樁模板時(shí)，樁身混凝土的抗壓強(qiáng)度必須在45 MPa以上，鋼筋的加工和骨架必須符合QB/SHZJ-BZ001的要求。

6.3 運(yùn)輸與堆放

板樁混凝土只有在強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到100%時(shí)才能出廠。

板樁起吊采用兩個(gè)支點(diǎn)，吊鉤與樁身的水平角必須大于45°。兩起吊點(diǎn)與兩樁端部的距離不應(yīng)超過(guò)0.21 L（L為樁段長(zhǎng)度）。裝卸時(shí)請(qǐng)小心。嚴(yán)禁投擲、推動(dòng)或滾動(dòng)。

板樁在運(yùn)輸過(guò)程中滿足雙支點(diǎn)法的位置要求（支點(diǎn)到堆垛端的距離小于0.21 L），需要加墊塊以防打滑。導(dǎo)致錯(cuò)誤。汽車運(yùn)輸時(shí)，堆疊層數(shù)不得超過(guò)3層。

板樁堆放區(qū)應(yīng)平整并采取排水措施。堆疊是使用雙樞軸方法完成的。底部樞軸點(diǎn)應(yīng)該在墊子上，并且樞軸點(diǎn)應(yīng)該在同一平面上。堆垛層數(shù)是在板樁墻體強(qiáng)度、基礎(chǔ)承載力、填料和堆垛穩(wěn)定性綜合分析后確定的，不應(yīng)超過(guò)4層。

6.4 沉樁

6.4.1 沉樁方式

板樁打樁方式采用振動(dòng)碼垛方式或液壓碼垛方式。

板樁機(jī)可使用履帶吊、行走樁架、履帶樁架、導(dǎo)桿樁框架和其他工程機(jī)械。如果使用振動(dòng)沉樁工藝，則可以選用帶或不帶桅桿樁機(jī)，如果使用正壓法，則必須使用帶桅桿的樁機(jī)。

振動(dòng)打樁工藝使用的電動(dòng)振動(dòng)錘和液壓振動(dòng)錘，打樁錘的功率和頻率。根據(jù)建筑地質(zhì)條件、樁徑和型號(hào)選擇廣泛。使用無(wú)桅桿打樁機(jī)振動(dòng)打樁設(shè)計(jì)時(shí)，需要安裝圍護(hù)結(jié)構(gòu)的屋脊架，以保證打樁時(shí)樁的垂直度和樁與樁之間的緊密連接。

使用液壓打樁時(shí)，液壓錘可采用保壓或最大壓力，打樁機(jī)的出力大小和配重可根據(jù)地質(zhì)條件綜合確定。

為防止樁身變形或破壞樁身結(jié)構(gòu)，在打樁過(guò)程中應(yīng)保證樁身的垂直度。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜，上述樁法不易穿透地層時(shí)，可采用高壓水沖洗法、鋼樁導(dǎo)孔法、開(kāi)挖植樁法等輔助方法。確保沉樁作業(yè)順利進(jìn)行，保證沉樁作業(yè)質(zhì)量。

6.4.2 施工要點(diǎn)

樁的混凝土強(qiáng)度必須達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%，自然養(yǎng)護(hù)7d以上。

打樁時(shí)，使樁身垂直并安裝不受打樁機(jī)影響的校準(zhǔn)器，監(jiān)測(cè)樁身垂直度，如果出現(xiàn)偏差需要及時(shí)調(diào)整。

夾具必須與桿體夾持部分的尺寸匹配良好，并保證足夠的夾具長(zhǎng)度，以防止樁被壓壞或滑落。

單根樁沉樁作業(yè)應(yīng)連續(xù)不間斷地開(kāi)展，最大限度地減少中間停頓時(shí)間。當(dāng)樁身達(dá)到設(shè)計(jì)高度時(shí)，需要檢查樁頭的高度。如果樁頭高度低于自然地面，則需送樁，當(dāng)最后一截樁出露地面1 000 mm時(shí)需在此檢查樁身頂部是否出現(xiàn)明顯偏差。

如果在打樁過(guò)程中出現(xiàn)沉降異常、樁身傾斜、位移過(guò)大、樁身或樁尖損壞等異常情況，要停止沉樁，查明原因并采取必要的措施及時(shí)處理后才能施工。

7 結(jié)論

綜上所述，為改善該市河道整體水環(huán)境，結(jié)合河道整治工程實(shí)際情況，選取兩種河護(hù)岸方案，即鋼筋混凝土板樁+仿木樁，600Ⅲ型生態(tài)U型板樁+C30鋼筋混凝土樁，通過(guò)方案對(duì)比得出生態(tài)U型板樁能夠很好地滿足河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，同時(shí)施工難度較低，施工速度較快，可以營(yíng)造良好的河道生態(tài)景觀。同時(shí)，由于開(kāi)挖量小，對(duì)沿河交通影響較小，使用生態(tài)U型板樁的河堤整體穩(wěn)定性滿足要求。隨著城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，河道整治工程不僅滿足防洪要求，還需要作為重要的城市水系為城市創(chuàng)造宜居環(huán)境做出貢獻(xiàn)。在河道綜合治理項(xiàng)目中，應(yīng)充分考慮技術(shù)、景觀、土地利用等各種條件，充分考慮環(huán)保處理方式，城市河道治理工程是一項(xiàng)長(zhǎng)期工程，建成后還需要加強(qiáng)河道生態(tài)保護(hù)。